某煤礦邊坡穩定性分析

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損失的問題，應用FLAC-3D軟件對內蒙古某露天礦邊坡采用摩爾-庫侖模型進行數值模擬計算，分析土質邊坡的穩定性，記錄坡內最大不平衡力及邊坡的位移矢量等數據，并計算安全系數，進而檢驗露天煤礦邊坡的穩定情況，并采取加固措施，減少滑坡現象的發生。

關鍵詞：FLAC-3D; 邊坡; 穩定性; 數值模擬

0 引言

隨著經濟技術的發展，邊坡穩定性稱為巖土工程領域一個熱點研究課題。目前在礦井開彩現場進行大規模試驗研究，實施起來比較困難，而FLAC3D模擬計算技術對實現采礦工藝的研究非常方便，且數值模擬計算還對采礦工藝進行理論性前瞻研究。在邊坡穩定性分析的過程中人們通常采用安全系數來評價其穩定性狀態。進而來驗證礦山邊坡是否穩定。本文應用FLAC軟件并結合強度折減法對內蒙古某礦山邊坡進行穩定性分析，通過處理驗證邊坡的安全性與穩定性，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。作為一個專業分析軟件，FLAC-3D是基于連續介質，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，荷載和材料特新換，在求解線性非線性方程組，得到位移、應力、應變和內力等結果。所有的結果不是準確解，而是近似解，但足以滿足大多數實際工程的需要，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雜、非均質的各種實際的工程結構，可以在計算中模擬各種復雜的材料本構關系，何在邊界條件;可以進行結構盈利和動力分析，結合前后處理技術可以進行方案的優化和選擇，并且可以迅速用圖形直觀的表現出來。

2 FLAC3D的分析步驟：

FLAC3D采用的是命令驅動方式。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）有限差分網格;（2）本構特性與材料性質;（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，也就是模擬開挖前的原巖應力狀態。然后，進行工程開挖或改變邊界條件進行工程的響應分析，進行一系列計算步后達到問題的解。

3 露天煤礦的地質條件

某露天礦處內蒙古呼倫貝爾市，屬于季風氣候區，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。露天礦山邊坡土質由表至里依次為：細粉土、粉土、礫沙、砂巖，邊坡最北側與砂巖接觸處為煤層。其中邊坡煤層與土層接觸部分出現明顯斷層，嚴重影響到了突破的穩定性;同時邊坡表層邊坡物質以粉土粉砂為主，級配較差，其抗滑移性能較差，容易引起礦山的山體滑坡。

4 邊坡穩定性分析及加固方案

4.1? 模型建立。模型根據具體實際地形圖，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定性，因其模型需求共建立10個分組，各土力學參數根據地質地貌特征并參照表1選取，土體的體積模量和剪切模量根據反算公式計算得出。

在模型計算中應用強度折減法原理進行穩定性分析。將邊坡的安全系數定義為是邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，對其強度參數進行折減的程度。若邊坡采用摩爾庫倫準則，影響其穩定的強度參數是粘結力c和內摩擦角

公式（1）

4.2 應力應變分析

應力的分布主要受采場自身重力的影響，豎直應力和水平應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。說明坡體穩定性受斷層影響嚴重，但并未影響應力總體分布狀況，說明邊坡不會發生拉裂—剪切—滑移破壞，邊坡穩定。

邊坡體呈現以垂直位移為主的沉降變形。邊坡體后部出現最大的沉降變形，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定，所以不會影響坡體整體穩定。

坡體整體剪切變化未出現明顯變化，但在斷層處剪切增量明顯增大，說明坡體穩定性受到斷層處構造應力釋放影響，并且結合應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 計算結果分析

邊坡形成后，模擬計算的安全系數為 1.28，且最大不平衡力收斂，因此邊坡處于較穩定狀態。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，已發生滑坡應進一步進行加固，但整體上未對邊坡穩定性有大的影響。

4.4 邊坡加固措施

露天礦的生產是一個動態的過程，隨著采深的不斷加大，其內部工程地質條件、水文地質條件、巖層賦存狀態等不斷地被揭露出來，為了確保工程的安全，針對不穩定的邊坡，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，應用減震爆破，預裂爆破等方法減小土體擾動，進而提高邊坡的穩定性。

5 結語

應用FLAC3D軟件對該礦山邊坡的分析研究，通過對邊坡個方向位移、應力的觀察監測，進而對土體的性能有了深入認識，得出如下結論：

（1）露天礦邊坡的 FLAC 數值模擬分析結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，得到的安全系數可以直接運用到開挖邊坡的穩定性分析中。

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

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

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

參考文獻

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