基于露天邊坡力學(xué)參數(shù)的位移反分析研究

常 鑫 劉樹新

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010 )

露天邊坡是露天采礦中最重要的研究對象，幾乎所有的露天采礦問題都是圍繞邊坡產(chǎn)生的，在對邊坡的性質(zhì)及變化規(guī)律展開深入探討時，邊坡力學(xué)參數(shù)是最具代表性且不可規(guī)避的重要元素，在工程實踐中，能否獲取準(zhǔn)確的邊坡力學(xué)參數(shù)，直接影響著現(xiàn)場工程能否安全順利地進(jìn)行下去，受到復(fù)雜地質(zhì)條件的影響以及實驗室分析的局限性，計算分析出的力學(xué)參數(shù)總是趨于理想化，與實際情況相差較大，以至于在大部分情況下，實驗室分析得出的數(shù)據(jù)難以真正地應(yīng)用于現(xiàn)場并預(yù)測指導(dǎo)工程實踐。

究其根源，傳統(tǒng)的實驗室測定與專家經(jīng)驗分析法過多地依賴于現(xiàn)場取樣，但在通常情形下，現(xiàn)場采集的樣本并不能很好地代表實際巖土的物理力學(xué)特性，自然狀態(tài)下的巖體賦存在極其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，是一個巨大的連續(xù)體，而實驗室的研究樣本脫離了巖體實際賦存環(huán)境成為了獨立的個體，且在實驗室研究的過程中，為了簡化研究手段，往往過度地將樣本做理想化處理，忽略了巖體的內(nèi)部裂隙節(jié)理對試驗準(zhǔn)確性的影響。毋庸置疑，傳統(tǒng)意義下的方法，不僅費(fèi)時費(fèi)力、消耗大量的試驗成本，而且在很多時候難以高效精準(zhǔn)地確定出邊坡參數(shù)，不利于工程的發(fā)展。基于邊坡位移提出的參數(shù)反分析，通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型，利用有限差分算法，能將巖體的物理力學(xué)特性有效地反饋于計算機(jī)處理系統(tǒng)，通過多次迭代，求解出最接近于實際工程的參數(shù)組合，真正做到由定性化分析轉(zhuǎn)化為定量化分析的過程。

1 工程概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，整個煤田被廣厚的黃土所掩蓋，部分為風(fēng)積沙覆蓋。由于風(fēng)蝕、水流向源侵蝕造成黃土高原的復(fù)雜地形地貌，溝谷縱橫交錯，樹枝狀的沖溝十分發(fā)育，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。地形西北高東南低，最高處海拔標(biāo)高1365.5 m，最低處海拔標(biāo)高870 m，相對高差為495.5 m。煤田地表水系屬于黃河支流，多數(shù)是季節(jié)性河流。屬于大陸性半干燥氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，春秋兩季氣溫變化劇烈，全年降水量較小，蒸發(fā)量較大，常有春旱現(xiàn)象。

區(qū)內(nèi)可采及局部可采煤層有5#煤層、6#煤層、9#煤層，其中6#、9#煤層為復(fù)煤層。本區(qū)軟弱巖層為煤層頂板粘土巖及煤層上部風(fēng)化煤。由于水流作用及重力影響，區(qū)內(nèi)黃土往往在地形低洼處形成滑坡，因黃土垂直節(jié)理發(fā)育，常沿節(jié)理面有崩落現(xiàn)象。落體一般5～30 m3。

總體上來說，該露天煤礦節(jié)理、裂隙、斷層發(fā)育程度較大，加之風(fēng)力、水力常年的侵蝕作用，全區(qū)巖體完整性、穩(wěn)定性較差，利用傳統(tǒng)的實驗室測定法難以對邊坡參數(shù)做出有效的確定，因此以位移反分析法，通過FLAC3D建立地質(zhì)模型，迭代優(yōu)化確定出最接近于實際情況的有效參數(shù)組合。

2 位移反分析法原理

位移反分析就是以施工現(xiàn)場監(jiān)測到的位移及相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立原始數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件用FLAC3D等模擬軟件模擬生成相應(yīng)的幾何模型，結(jié)合物理分析與數(shù)學(xué)計算構(gòu)建出若干組待反演參數(shù)的實驗樣本，通過FLAC3D等模擬軟件的多次運(yùn)算、迭代，得到與真實地質(zhì)條件下巖體力學(xué)參數(shù)值最為接近的數(shù)據(jù)，包括彈性模量、初始地應(yīng)力、強(qiáng)度指標(biāo)及相關(guān)變形參數(shù)等，然后將這些反演得出的參數(shù)反饋于本構(gòu)模型中，預(yù)測巷道圍巖可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形情況，做出及時的支護(hù)與預(yù)防措施。其最終目的是建立一個輸出位移無限接近于現(xiàn)場實測位移的理論本構(gòu)模型，精確地反映巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，作為工程施工的指導(dǎo)依據(jù)。

3 模型構(gòu)造與監(jiān)測點選取

3.1 模型建立

選用FLAC3D作為構(gòu)建該礦山邊坡模型數(shù)值模擬軟件，具體方法如下：

(1)選取黑岱溝露天煤礦作為邊坡算例，邊坡高度為358 m，坡角為47.6°，對于邊坡這樣縱向長度較大的實體，計算模型可簡化為平面應(yīng)變問題，故可通過有限差分軟件FLAC3D沿坡面線的垂直方向建立該礦的邊坡簡化模型，如圖1所示。

圖1 邊坡簡化模型

(2)X、Y軸分別代表坡面線的法線方向與巖層方向。

(3)根據(jù)該礦山的地質(zhì)賦存條件，邊坡圍巖均屬同一巖性，且符合摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，將該礦邊坡模型擬定為摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

(4)考慮到模擬的精度與時間效應(yīng)，為保證運(yùn)算的可行性，需設(shè)定合理的網(wǎng)格模型，由生成的模型可看出，該模型由28021個節(jié)點數(shù)和23166個單元數(shù)構(gòu)成。

(5)由地質(zhì)勘探資料顯示，該礦區(qū)巖體的原始應(yīng)力主要是由巖體的自重引起的，故將該模型的初始應(yīng)力場擬定為自重應(yīng)力場。

(6)該邊坡模型的邊界設(shè)定為底部與左右兩側(cè)約束，上部自由，即確定邊坡左右邊界沿水平方向的位移為零，下邊界沿豎直方向的位移為零。

3.2 監(jiān)測點選取

利用位移反分析反演邊坡力學(xué)參數(shù)時，邊坡監(jiān)測點的選取，直接影響到試驗的準(zhǔn)確性與適用性。因此，對測點的擬定，不僅要滿足隨機(jī)性，還應(yīng)考慮到在工程實踐中對該測點進(jìn)行位移實時監(jiān)測的難度與可行性。鑒于以上各因素，擬選定3個監(jiān)測點作為試驗對象，測點位置分布見圖2，其坐標(biāo)分別為A(195, 43 , 327)，B(162, 34, 169)，C(144, 25 , 48)。在自重應(yīng)力的作用下，邊坡的位移變化量主要以沿X軸方向的水平位移與沿Z軸方向的鉛直位移為主，故在現(xiàn)場監(jiān)測中，將各個測點的X方向上與Z軸方向上的位移變化量作為主要監(jiān)測目標(biāo)，經(jīng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，3個測點的位移變化值見表1。

圖2 測點位置分布圖

測點坐標(biāo)位移變化值X軸/cmZ軸/cmA(195,43,327)2.01.8B(162,34,169)2.41.3C(144,25,48)2.70.9

4 樣本構(gòu)造與數(shù)值模擬

4.1 樣本構(gòu)造

該露天煤礦節(jié)理、裂隙、斷層發(fā)育程度較大，加之風(fēng)力、水力常年的侵蝕作用，全區(qū)巖體完整性、穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致巖體部分力學(xué)參數(shù)難以通過實驗室測定精準(zhǔn)給出，在現(xiàn)場實測中，只給出了這類參數(shù)的理論范圍。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，得到該邊坡巖體力學(xué)參數(shù)取值：密度ρ=2670 kg/m3，內(nèi)摩擦角ψ=18°～23°，彈性模量E=4.8 GPa，粘聚力C=9～13 kPa，泊松比v=0.3，體積模量K=4.0 GPa，剪切模量G=1.84 GPa。

根據(jù)粘聚力與內(nèi)摩擦角的取值范圍，可通過均勻設(shè)計法進(jìn)行樣本的構(gòu)造，初步設(shè)計，選取測點B的實測位移值作為試驗?zāi)繕?biāo)，將各待反演參數(shù)的差值梯度設(shè)為1，經(jīng)參數(shù)隨機(jī)組合，一共可形成30種組合方案，參數(shù)方案組合見表2。

表2 參數(shù)方案組合表

4.2 數(shù)值模擬

針對上述方案組合情況，用有限差分元軟件FLAC3D分別進(jìn)行模擬，監(jiān)測、繪制目標(biāo)測點的位移變化過程，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，找出與實測位移值最接近的參數(shù)組合，即為邊坡力學(xué)參數(shù)反演的最優(yōu)參數(shù)組合。通過模擬，選取與實測數(shù)據(jù)相差最小與相差最大的參數(shù)組合進(jìn)行對比。其中，試驗中22方案的參數(shù)組合最符合實測結(jié)果，試驗方案1為該邊坡在X、Z軸方向位移變化極大值的參數(shù)組合，試驗方案30為該邊坡在X、Z軸方向的位移變化極小值的參數(shù)組合，不同試驗方案位移云圖見圖3、4、5，X、Z軸方向上的位移對比曲線如圖6所示，參數(shù)組合對比如表3所示。

4.3 模擬結(jié)果驗證

根據(jù)以上模擬分析可知，當(dāng)粘聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為22°時，模擬邊坡位移與實測位移最為接近，為消除試驗偶然性，需對試驗結(jié)果進(jìn)行反饋分析，即將擬定最優(yōu)參數(shù)組合反饋于本構(gòu)模型，通過A、C測點的實測數(shù)據(jù)驗證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。驗證結(jié)果如表4所示。

圖3 試驗22方案位移云圖

圖4 試驗1方案位移云圖

圖5 試驗30方案位移云圖

試驗方案內(nèi)摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模擬位移Um/cmX軸Z軸實測位移Us/cmX軸Z軸2222102.441.3511894.602.203023130.530.332.401.30

圖6 X、Z軸位移對比曲線

測點內(nèi)摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模擬位移Um/cmX軸Z軸實測位移Us/cmX軸Z軸A22102.041.732.01.8C22102.840.922.70.9

通過結(jié)果對比，測點A、C處的位移模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的差值在0.2～1.4 mm之間，誤差較小，滿足試驗要求，故認(rèn)為模擬結(jié)果符合實際情況。將該邊坡的待反演參數(shù)初步設(shè)定為粘聚力C=10 kPa，內(nèi)摩擦角ψ=22°。

5 結(jié)語

(1)通過FLAC3D數(shù)值模擬，初步得出黑岱溝露天煤礦邊坡的力學(xué)參數(shù)組合，即粘聚力C為10 kPa，內(nèi)摩擦角ψ為22°，將反演參數(shù)反饋于本構(gòu)模型，得出的模擬位移與實測位移基本相同，驗證了邊坡位移分析法的可行性。

(2)分析試驗樣本的結(jié)果數(shù)據(jù)不難得出，內(nèi)摩擦角與粘聚力的不同組合對邊坡位移形變影響較大，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在其他條件不變的情況下，粘聚力與內(nèi)摩擦角越小，位移形變量越大。