新钢分宜矿边坡稳定性分析

曾德夸，陈建平，许振华，马艳玲

（1.新余钢铁集团有限公司分宜矿，江西 分宜 336600；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.中国瑞林工程技术有限公司，南昌 330002）

新钢分宜矿边坡稳定性分析

曾德夸1，陈建平2，许振华3，马艳玲2

（1.新余钢铁集团有限公司分宜矿，江西 分宜 336600；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.中国瑞林工程技术有限公司，南昌 330002）

为了评价新钢分宜露天矿边坡的稳定性，应用有限差分强度折减法，对该矿山人工边坡的稳定性进行了计算分析，并和现场实际情况进行了对比.结果表明，由于有限差分强度折减法能够实际模拟边坡计算模型，客观的分析边坡的稳定状态，求得的边坡安全系数较为合理.

有限差分；强度折减法；边坡稳定性分析；安全系数

0 引 言

江西省新余钢铁有限责任公司分宜矿位于江西省新余市分宜县境内，矿区位于分宜县城南西4 km，隶属分宜县分宜镇，矿山主要开采白云石矿，储量1108.4万t，年产30万t，采场保有储量至2006年还有233万t，矿山采用山坡露天开采方式.

分宜矿原设计服务年限14 a，为增加矿量，延长矿山服务年限，分宜矿于2007年开始，在原开采基础上进行露天采场扩帮设计，扩帮工程将对已形成边坡向北扩约40 m，扩帮后露天底标高为+103 m，最高开采水平为+255 m，采场上部最宽260 m，露天底宽180 m.露天采场扩帮后分12个台阶，135 m水平以上台阶高度定为15 m，135 m以下台阶定为10 m，台阶坡面角为70°，台阶宽度11 m，最终边坡角为54°.扩帮后只延长矿山的服务年限，不增加产量（30×104t/a）,扩帮后新增矿量205.75万t，新增服务年限6.5 a.

在目前扩帮工程中，245 m平台揭露出的断层（F1）规模较大，延长2 km左右，走向东西，倾向北西转正北，倾角50°左右，断层岩体极不稳定，有矽化破碎现象，虽然断层倾向和边坡倾向相反，但该部分岩体 （现场踏勘为泥岩）在雨水较多时遇水软化易失稳，造成上部265 m、275 m平台（已到设计最终边坡位置）边坡失稳滑坡，严重影响下部平台作业安全和开采进度.断层上盘为砂页岩，下盘为矿体白云岩、白云灰岩，岩体均相对稳定，但由于断层岩体的不稳定，已影响到上盘边坡的整体稳定性.采场目前边坡高陡，坡面上有危石分布,坡顶为松散土层,雨季常发生不同程度的坍塌，尽管在已靠帮边坡上留有平台，但平台过窄，起不了截止碴的作用，如不及时处理，将成为矿山开采的重大安全隐患.因此，借助FLAC(有限差分法)软件，应用强度折减法对该矿山边坡的稳定性进行了计算和分析，评价及预测扩帮过程中永久边坡与过渡边坡可能发生的地质灾害，以指导现场生产施工，对确保下部平台采矿工程的安全具有重要的现实意义.

1 FLAC强度折减法原理简介

三维快速拉格朗日法（FLAC）是一种基于三维显式有限差分方法的数值分析方法.FLAC3D是土工程专业分析软件，它主要用于模拟岩土或其他材料的三维力学特性，是由ITASCA咨询有限公司研制开发.

所谓强度折减法[1-3]就是在理想弹塑性有限元计算中将边坡岩土体的抗剪切强度指标c、φ值逐渐地降低，直到其达到临界破坏状态为止.破坏状态一般采用非线性程序是否收敛、塑性区贯通、位移突变性等边坡失稳准则来判断.达到破坏状态的塑性区即为破坏滑动面，具体计算式为：

式（1），式（2）中：F 为折减系数；c’、φ’分别为折减后的材料内聚力和内摩擦角.

2 计算过程

2.1 模型建立

根据矿山开采设计资料、地形及其工程特性，概化后的露天边坡模型剖面网格图见图1，边坡高度从300 m到103 m，最终边坡坡面角59°，一共划分3880个节点，11355个单元.模型两侧施加水平方向位移约束，底部施加水平、竖直方向位移约束.通过强度折减法寻找开挖后边坡的滑动面，表1为参考岩石力学参数手册，采用内插法确定岩石力学参数，再折减得到岩体的强度参数.

表1 岩石力学参数

由于矿山为山坡露天开采，在采场走向上各岩层具有较好的一致性，本文以垂直采场走向的A、B、C、D、E剖面为例进行讨论分析.

以下计算的各剖面的岩层组成均相类似，如图1.其中岩层1为第四系土层，2为铁质石英砂岩，3、5、7 为青灰色泥质页岩，4、6 为黑色泥质页岩，底部为白云岩.

2.2 约束条件和初始条件

计算模型除顶部表面自由边界外，模型底部（z=0）设为固定约束边界，模型左侧施加水平方向位移约束，通过强度折减法寻找开挖后边坡的滑动面.在初始条件中，不考虑构造应力，仅考虑自重应力产生的初始应力场.

3 结果与分析

利用强度折减理论的显式拉格朗日有限差分法分析边坡稳定性，具有计算简单方便和结果可靠的特点，同时避免了极限平衡法需要事先假定滑动面以及其他人为假定等不足[4].

把FLAC和强度折减法结合起来形成强度折减有限差分法，分析岩土体材料的抗剪强度折减直至边坡达到临界破坏状态，这样的做法，适用于任何复杂的边坡，与实际的边坡失稳过程较吻合[5－7].

用强度折减法算得A、B、C、D、E剖面的安全系数Ks分别为0.7265625、0.679875、0.9296875、0.8515625、0.7109375，一般来说，数值模拟安全系数在 1.2～1.3 以上为稳定状态的边坡［8－9］，说明边坡整体开挖后处于不稳定状态；再从剪应变增量云图看，见图2～图6，剪应变增量主要是在245m平台上部的滑移破坏，而不是整体的滑移破坏.

图2 A-A剖面强度折减后破坏时的剪应变增量云图

图3 B-B剖面强度折减后破坏时的剪应变增量云图

图4 C-C剖面强度折减后破坏时的剪应变增量云图

图5 D-D剖面强度折减后破坏时的剪应变增量云图

图6 E-E剖面强度折减后破坏时的剪应变增量云图

4 讨 论

对比各剖面计算结果可知，在FLAC强度折减法所计算的边坡的安全系数相差很小，且破坏面即剪应变增量集中区域非常相似，剪应变增量基本上都是集中在245 m平台上部，而不是整体的滑移破坏.FLAC强度折减法所计算结果和露天采场现状十分符合.另外，最为重要的是极限平衡法所能确定的破坏是开始时的，而FLAC不仅包含了应力重分布的影响同时也反应了破坏发生之后的渐进发展.由于有限差分强度折减法能够克服极限平衡法未能考虑材料本构关系的不足，因而能够更加实际的模拟边坡稳定计算模型，同时更加客观的分析出边坡的稳定状态，求得的边坡安全系数也更为合理.

[1]陈祖煜.土质边坡稳定分析—原理·方法·程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[2]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：水利水电出版社，2009.

[3]郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]迟世春，关立军.基于强度折减的拉格朗日差分方法分析土坡稳定性[J].岩土工程学报，2004，26(1)：42-46.

[5]史 博，袁光明.基于FLAC强度折减法的边坡稳定性分析[J].中国矿业，2010，19(8)：92-94.

[6]陈可文，潘海琳.基于强度折减有限元法的边坡稳定性计算[J].黑龙江水专学报，2010，367(3)：56-58.

[7]杨 萍，陈 洪.对强度折减法中折减系数的讨论[J].四川建筑科学研究，2010，36(4)：142-145.

[8]郑颖人，赵尚毅.张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国工程科学，2002，4(10)：58-61.

[9]郑颖人.赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3381-3388.

Slope Stability Analysis on Fenyi Dolomite Mine

ZENG De-kua1，CHEN Jian-ping2，XU Zhen-hua3，MA Yan-ling2

（1.Xinyu Iron&Steel Co.，Ltd.，Fenyi 336600 China;2.Faculty of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Sciences and Technology,Ganzhou 341000，China；3.China Nerin Engineering Co.,Ltd.，Nanchang 330002，China）

The finite differential strength reduction method is applied to calculate and analyze the stability of the artificial slope in Fenyi Dolomite Mine.The slope safety coefficients obtained is relatively reasonable for the objective analysis on the slope stability and practical simulation.

finite differential;strength reduction method；slope stability analysis；safety coeficient

TD854.6

;A

1674-9669（2011）04-0059-04

2011-04-25

曾德夸（1965- ），男，工程师,主要从事矿山安全工程技术方面研究，E-mail：angelchen2008@163.com.