矿山边坡稳定性的三维物理模拟实验分析

李强生

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

矿山开采过程中，矿山边坡的稳定与否直接影响矿山工程的顺利进行以及矿区的经济效益，同时，也影响社会人们生活的和谐[1]。边坡形态与地层岩性及地质构造的组合关系也更为复杂[2]。因此，更有效的对矿山边坡进行稳定性分析越来越成为专家和学者们关注的技术难题。

长时间进行开采工作后，边坡会随之产生临空面，这将使原来的岩石体在承受力上发生严重的改变。这就要求矿山开采施工团队在进行开采之前，将矿山边坡的所受力的平衡状态保持在合理的范围之内。经过长时间采矿工作，一定会由于多种多样的因素造成原本应力平衡状态被打破，从而形成应力集中区，此种应力集中区一般位于露天矿山边坡顶部的交线位置，如果此种应力区被扩散到一定范围后，就会造成边坡事故[3]。

本文基于三维物理模拟实验对矿边坡稳定性进行分析，以期待为同领域的工程实践提供借鉴。

1 物理模拟模型铺装设计

在三维物理模型设计上，为了能够理想的实现无力模型的物质基础，首先要根据施工开采的实际情况有选择的对模拟试验台以及相关加载系统进行筛选。由于实验是在特定条件下进行的，实验条件是有限的，但为满足测量的需要以及模拟开采过程，需要有一个面是开放的。

在实验过程中考虑到实际边坡土层的沉积性特性，在铺装时仍采用分层铺装。其次，又考虑到实验模型具有稳定性的特点，在实验过程中，将力学强度增加，以保证实验的准确性。

按照模拟实验材料的配比及实验铺装，整个边坡模型的设计过程共10天。本次模型铺装的基本材料以铁粉、石膏、大白粉、河砂及水为主，采用人工进行铺装，每次厚度为0.03m（如表1），由于石膏遇到水后会凝结的很快，因此在水中添加了适量的缓凝剂，一次完成本次铺装。在模型的铺装完成后，由于模型的体积过大，沉淀时间为3个月。

表1 三维物理模型材料装填配比及分层厚度表

2 实验仪器及设备

在测量过程中一般使用的是各种测量仪器，其体积是较大的，但由于本次实验模型的尺寸相对来讲比较小，在本次实验中使用的测量仪器在选择上有所限定，本次实验所选的是特殊测量仪器。首先，在实验模型表层测量上，采用立体地面测量技术，但在测量时可能会存在一些偏差，这时再采用光学全站仪对已经测量的数据进行校正；其次，对坡体周围围岩屈服松动断裂过程的检测上采用智能声发射检测仪器；第三，对于开采及开挖前后的地质特殊情况区域及岩体损伤情况进行分析时，采用地质雷达对菜场开采，以实现“声光电地”多元检测相结合的方式，对坡体进行全方位综合检测。

3 实验的内容和步骤

（1）根据实验设计的方案进行模型的搭建。

（2）安装测试仪器地质雷达天线、声发射装置及传感器、光学钻孔摄像系统及测量观测设备。

（3）将铺好的模型岩体进行剥离，使剥离达到最大设计边界线。

（4）对已设计好的边坡进行首次测量，作为后期参考依据。

（5）边坡后期开采挖采用分阶段开挖方式进行，共6次，监测不同开采挖时段下边坡围岩损伤与变形破坏特征。

（6）使用铁砖在边坡台上模拟矿车驾驶，检测此时围岩损伤与变形状况。

（7）通过对声发射、光学钻孔摄像、地质雷达及破体内外部岩体变形测量等各个物理与力学测试系统结果的对比，分析边坡围岩应力分布特征、巷道围岩损伤变形破坏特征与演化特征。

4 实验现象分析

矿山边坡的稳定性受岩体结构面控制，结构面的产状、规模、组合型式及其与边坡面的空间位置关系决定了边坡潜在破坏模式。经过6次对边坡进行实验发现了以下边坡稳定及变形破坏情况：

（1）通过实验对边坡实验不稳定破坏规律可分为三个阶段：第一阶段是初期边坡的开挖阶段，此时边坡处于基本稳定状态；第二阶段是中期边坡开挖阶段，边坡开始出现轻微松动和破裂；第三阶段是尾末边坡开挖阶段，不稳定破坏开始出现局部裂缝。边坡岩体产生较大裂缝并贯通，形成局部失稳垮塌，边坡整体不会出现失稳破坏。

（2）在实验中为确保最后的稳定性，设计的自重力，由于自重力的作用，开挖时出现局部破坏，但整体基本处于稳定状态。

（3）受到坡肩与坡面张力带的向下扰动影响及本身铺砖的地质结构面的影响，使得边坡出现整体性滑动破坏，但整体稳定性不变。

5 结语

随着社会的发展，经济水平的不断上升，社会生产与居民生活对于矿产的需求量也日渐增加。我国对于矿产资源的需求与日俱增。矿产资源开采安全也越来越受到人们的重视，同时对于边坡稳定性的测量技术越来受到专家学者的重视，本文对于边坡的实验设计，希望对同行有借鉴性的意义。