礦山滑坡中的地質特征數值模擬探究

杜衛衛

（甘肅省地質礦產勘查開發局第四地質礦產勘查院，甘肅 酒泉 735000）

地質災害發生的原因有很多，包括人類活動和內部地質力量的作用，導致區域表面發生變化的自然現象，其中滑坡地質災害較為嚴重。人類活動已成為地質災害發生最強大的誘因。人類造成的地質災害對全球環境的變化具有重大的影響。預防人為地質災害已成為目前環境監控的關鍵一環。礦山滑坡的主要原因是陡峭山脊的巖石和土壤在重力作用下通過各種自然作用（例如地球物理作用，生物作用，人類活動和各種地形拼接等）滑落的過程[1]。我國由于地形原因很容易發生山體滑坡等地質災害，一旦發生了類似滑坡的地質災害會產生嚴重的后果。

隨著資源過度地開發，礦山滑坡災害發生的越來越頻繁。經過研究表明，礦山滑坡地質災害能通過改變自然因素和人為因素來適當的將頻率降低。如果礦區污染嚴重，而恰逢雨季降雨較多，則可能發生滑坡地質災害[2]。還有一部分原因是有些人在不允許被開采的山脈上進行了開采，導致山脈被嚴重的破壞，從而影響了山脈的穩定性，導致礦山滑坡災害不斷發生。傳統的礦山滑坡數值模擬的精確度低，不能很好地解決現有的問題，面對這種情況，需要對礦山滑坡中的地質特征數值模擬進行設計，使礦山滑坡地址數值模擬更精確。

1 礦山滑坡中的地質特征數值模擬方法設計

1.1 選取礦山滑坡數值模擬模型

研究滑坡模型的相關巖石組成對數值模擬分析來說是一個關鍵步驟，這一步驟描述了外部荷載條件下巖石材料的應變關系。由于巖石和土壤材料的力學性能和多樣性都存在很大差異，因此，需要采用Midas/GTS巖土施工模型，來滿足各種工程分析中的需求。

由表1可知，這些都是Midas/GTS模型中的模型特征，這些特征在研究礦山滑坡的數值模擬模型方面都非常重要，研究了本次的工程，對比表中的特征，決定選取莫爾一庫倫模型來進行本次數值模擬模型的建設[3]。

表1 Midas/GTS本構模型

1.2 計算礦山滑坡數值模型參數

選取正確的模型材料和抗滑樁，每種材料至少都要選取三組，包括各種各樣的黃土組石。參考相關的數據來模擬現有狀態進行數值參數模型的計算，利用公式（1）：

其中φ代表樁身轉角，Δx代表穩定安全系數，y0代表土的內摩擦角，y代表樁計算截面距滑面長度該處樁前、后抗滑樁模擬側壓應力如公式（2）所示：

其中BP代表樁的計算寬度，m代表地基穩定性系數，M0代表樁旋轉中心距滑動面長度，Q0代表穩定性系數，My為前、后抗滑樁模擬側壓應力。

由公式（1）、（2）計算出礦山滑坡數值模擬模型參數如下表2所示。

表2 礦山滑坡數值模型參數

模型中的各個單元相互作用要提前注意，設置安全數值和參數進行預處理。

1.3 礦山滑坡數值模型范圍劃分

在建立二維模型的過程中，礦山橫截面模型的后邊緣延伸到發生滑坡的斜坡盆地，而前緣延伸到外礦井底部的平緩區域谷。滑坡范圍需要從表面的形狀和地形線確定。橫截面模型在X方向上的長度大約為400m，在Y方向上的高度大約為150m，并且模型的地板高度是在最高海拔處獲取的，然后除以垂直高度差，根據現場調查和鉆探數據，在選取模型時可分別選取多種材料的防滑樁[4]。

為了更準確地反映滑坡帶的工程地質單位，需要將滑移帶視為薄弱帶。每個井眼具有不同的滑移帶厚度，對此進行了統一和簡化。對于1.0m的網格模型，由于其具有網格密集的特點，需要格外設計單位長度，并且還需要根據線性梯度對與滑動區域接觸的地質邊界進行網格化。最后將防滑樁以接觸元件的形式加載到模型中。

1.4 礦山滑坡數值模擬邊界設定

所設置的邊界需要滿足左右垂直邊界在X方向上受約束，下部水平邊界在X和Y方向上受約束。所設計的傾斜表面是自由邊界，劃分礦山滑坡數值模型的范圍后，需要設置數值模擬邊界。

1.5 礦山滑坡中的地質特征數值模擬

正常工況下礦山斷面的數值模擬結果如圖1所示。按照選定的辦法將系數折算出來，得出此次模擬整體處于基本穩定狀態。

圖1 礦山斷面的數值模擬結果

對以上數值模擬結果，進行綜合分析，結果表明，在正常工作條件下，滑坡前緣不穩定后，僅保留了主體滑動體，前緣變為高而陡峭的前表面，非常不利于穩定性。其次，在滑動體中，發生得滑動非常不穩定。與礦區之間的數值分析結果比較，可以看出，當前緣不穩定時，主滑動體只產生很小的滑動。如果在此時改變狀態，位移和變形將會大大增加，最大滑移量超過了六十厘米。通過比較，得知前輔助滑動體對后主滑動體具有非常大的防滑作用，盡管前輔助滑動體處于完全不變的位置，但在蠕變變形階段和正常工作條件下，滑動體的該部分存在都維持了主滑動體部分的穩定性。

2 數值模擬應用測試

在上述部分完成礦山滑坡中的地質特征數值模擬的設計部分，應用此方法展開測試，對比此方法與原有傳統方法的使用差異。

2.1 測試環境指標

考慮前文所設計礦山滑坡數值模擬方案和礦山滑坡數值模擬結果，對滑坡體和抗滑樁進行安放后開挖。

開挖分兩級邊坡進行，抗滑樁設計時設樁處推力依據表3所示，將所有抗滑樁布設于滑體較薄的主滑體兩側。

表3 斷面主滑面下滑推力計算表

2.2 測試結果

為了驗證此次設計的礦山滑坡中的地質特征數值模擬方法的精準度，與傳統礦山滑坡中的地質特征數值模擬方法進行了對比，從數值模擬的精準度來進行對比，選取5個隨機地區，對地質特征數值模擬的兩種方法進行對比，結果如表4所示。

表4 傳統方法與本方法地質特征模擬數值對比

由表4的對比可知，所設計的地質特征數值模擬方法在精確值方面優于傳統的地質特征數值模擬方法，具有一定的推廣意義。

3 結語

綜上所述。礦產行業在我國占有重要的位置，為了保證其穩定發展，本文針對礦山滑坡中的地質特征數值模擬進行了設計，進行了實驗演示，以確認這次設計的方法的有效性。通過實驗比較，可以看出，此次設計的礦山滑坡地質特征數值模擬方法比現有方法具有更準確，更實用的應用價值，希望這項研究有助于評估和管理淺層地質災害，促進采礦業，以及我國經濟的發展。