某煤礦邊坡穩(wěn)定性分析

趙思達

摘 要：針對自然巖體邊坡、人工邊坡的變形破壞常造成人員傷亡及財產(chǎn)損失的問題，應(yīng)用FLAC-3D軟件對內(nèi)蒙古某露天礦邊坡采用摩爾-庫侖模型進行數(shù)值模擬計算，分析土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，記錄坡內(nèi)最大不平衡力及邊坡的位移矢量等數(shù)據(jù)，并計算安全系數(shù)，進而檢驗露天煤礦邊坡的穩(wěn)定情況，并采取加固措施，減少滑坡現(xiàn)象的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：FLAC-3D; 邊坡; 穩(wěn)定性; 數(shù)值模擬

0 引言

隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性稱為巖土工程領(lǐng)域一個熱點研究課題。目前在礦井開彩現(xiàn)場進行大規(guī)模試驗研究，實施起來比較困難，而FLAC3D模擬計算技術(shù)對實現(xiàn)采礦工藝的研究非常方便，且數(shù)值模擬計算還對采礦工藝進行理論性前瞻研究。在邊坡穩(wěn)定性分析的過程中人們通常采用安全系數(shù)來評價其穩(wěn)定性狀態(tài)。進而來驗證礦山邊坡是否穩(wěn)定。本文應(yīng)用FLAC軟件并結(jié)合強度折減法對內(nèi)蒙古某礦山邊坡進行穩(wěn)定性分析，通過處理驗證邊坡的安全性與穩(wěn)定性，進而提出邊坡安全防治措施。

1 FLAC-3D程序簡介

FLAC-3D是由美國Itasca Consulting Group Inc.公司靠法的三維顯式有限差分程序。作為一個專業(yè)分析軟件，F(xiàn)LAC-3D是基于連續(xù)介質(zhì)，是快速拉格朗日有限差分計算程序。FLAC3D分析時，首先將被分析物體離散為許多小單元，其次給定邊界條件，荷載和材料特新?lián)Q，在求解線性非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變和內(nèi)力等結(jié)果。所有的結(jié)果不是準確解，而是近似解，但足以滿足大多數(shù)實際工程的需要，因而稱為行之有效的工程分析手段。有限元分析可以分析形狀十分復(fù)雜、非均質(zhì)的各種實際的工程結(jié)構(gòu)，可以在計算中模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系，何在邊界條件;可以進行結(jié)構(gòu)盈利和動力分析，結(jié)合前后處理技術(shù)可以進行方案的優(yōu)化和選擇，并且可以迅速用圖形直觀的表現(xiàn)出來。

2 FLAC3D的分析步驟：

FLAC3D采用的是命令驅(qū)動方式。命令字控制著程序的運行，為建立FLAC3D模型，必須進行以下三個方面的工作：（1）有限差分網(wǎng)格;（2）本構(gòu)特性與材料性質(zhì);（3）邊界條件與初始條件。

完成上述工作后，可以獲得模型的初始平衡狀態(tài)，也就是模擬開挖前的原巖應(yīng)力狀態(tài)。然后，進行工程開挖或改變邊界條件進行工程的響應(yīng)分析，進行一系列計算步后達到問題的解。

3 露天煤礦的地質(zhì)條件

某露天礦處內(nèi)蒙古呼倫貝爾市，屬于季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年溫度差、日期溫度差大，屬半干旱型氣候。該邊坡坡長332.1m，高為135.6m，位于整個礦山的南幫。露天礦山邊坡土質(zhì)由表至里依次為：細粉土、粉土、礫沙、砂巖，邊坡最北側(cè)與砂巖接觸處為煤層。其中邊坡煤層與土層接觸部分出現(xiàn)明顯斷層，嚴重影響到了突破的穩(wěn)定性;同時邊坡表層邊坡物質(zhì)以粉土粉砂為主，級配較差，其抗滑移性能較差，容易引起礦山的山體滑坡。

4 邊坡穩(wěn)定性分析及加固方案

4.1? 模型建立。模型根據(jù)具體實際地形圖，滑坡模型左右邊界采用X方向法向約束，底部采用固定端約束，共同構(gòu)成模型的邊界條件，實際模型樣式

計算選取摩爾-庫侖屈服準則模擬計算邊坡穩(wěn)定性，因其模型需求共建立10個分組，各土力學參數(shù)根據(jù)地質(zhì)地貌特征并參照表1選取，土體的體積模量和剪切模量根據(jù)反算公式計算得出。

在模型計算中應(yīng)用強度折減法原理進行穩(wěn)定性分析。將邊坡的安全系數(shù)定義為是邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對其強度參數(shù)進行折減的程度。若邊坡采用摩爾庫倫準則，影響其穩(wěn)定的強度參數(shù)是粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角

公式（1）

4.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

應(yīng)力的分布主要受采場自身重力的影響，豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力在采場坡體表面向下，均隨著標高的降低而呈上升趨勢，分布均勻，基本順著坡面方向一直延伸到坡腳處。說明坡體穩(wěn)定性受斷層影響嚴重，但并未影響應(yīng)力總體分布狀況，說明邊坡不會發(fā)生拉裂—剪切—滑移破壞，邊坡穩(wěn)定。

邊坡體呈現(xiàn)以垂直位移為主的沉降變形。邊坡體后部出現(xiàn)最大的沉降變形，主要原因是采場自身重力作用導致。而在斷層處坡體為已有較大變化，但由于外部巖層較為穩(wěn)定，所以不會影響坡體整體穩(wěn)定。

坡體整體剪切變化未出現(xiàn)明顯變化，但在斷層處剪切增量明顯增大，說明坡體穩(wěn)定性受到斷層處構(gòu)造應(yīng)力釋放影響，并且結(jié)合應(yīng)力分布圖和位移分布圖來看，斷層對坡體影響作用明顯。

4.3 計算結(jié)果分析

邊坡形成后，模擬計算的安全系數(shù)為 1.28，且最大不平衡力收斂，因此邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)。綜上分析可知，邊坡中部位移較大，另外斷層處的位移量較其周圍有明顯增加，為邊坡的薄弱處，已發(fā)生滑坡應(yīng)進一步進行加固，但整體上未對邊坡穩(wěn)定性有大的影響。

4.4 邊坡加固措施

露天礦的生產(chǎn)是一個動態(tài)的過程，隨著采深的不斷加大，其內(nèi)部工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、巖層賦存狀態(tài)等不斷地被揭露出來，為了確保工程的安全，針對不穩(wěn)定的邊坡，必須采取一系列有效的防治措施。例如：防止地表水向巖體中滲透與排除不穩(wěn)定巖體中的地下水，削緩斜坡、上部減重，修建支擋建筑，添加錨固，應(yīng)用減震爆破，預(yù)裂爆破等方法減小土體擾動，進而提高邊坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

應(yīng)用FLAC3D軟件對該礦山邊坡的分析研究，通過對邊坡個方向位移、應(yīng)力的觀察監(jiān)測，進而對土體的性能有了深入認識，得出如下結(jié)論：

（1）露天礦邊坡的 FLAC 數(shù)值模擬分析結(jié)果與實際破壞情況一致，較好的模擬了實際邊坡的破壞過程。

（2）運用強度折減技術(shù)分析開挖邊坡可以得到對天然邊坡相似的剪切破壞帶，得到的安全系數(shù)可以直接運用到開挖邊坡的穩(wěn)定性分析中。

（3）對于復(fù)雜巖質(zhì)邊坡，利用 FLAC 程序可以得到坡體的滑動面及相應(yīng)的安全系數(shù)，通過實例分析說明了此法的可行性，而且計算結(jié)果更為可靠。

（4）計算模型的建立，邊界條件和網(wǎng)格劃分密度要滿足 FLAC 程序的要求，網(wǎng)格劃分太細，則超出程序能力;反之，將會造成較大的誤差。

總之，礦山邊坡保持穩(wěn)定性的時間并不確定，有的甚至可達數(shù)年之久，不過一旦發(fā)生滑坡現(xiàn)象就會在成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，因此應(yīng)用最簡便的，這是本文的研究所在。

參考文獻

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