不同开采位置对边坡稳定性影响的数值模拟分析

李 武,徐 萍

(山西省地质环境监测中心,太原 030024)

1 斜坡特征

边坡下伏的煤层开采对边坡的稳定性具有很大的影响,甚至是边坡失稳的决定因素[1-3]。文中为了研究不同开采条件对边坡稳定性的影响,选取山西省某矿区失稳坡体作为研究对象,某矿斜坡坡体特征见图1,坡体地质剖面图,见图2。

该坡体为复合型斜坡,上部由第四系中、上更新统黄土组成,下部由二叠系和石炭系地层组成。坡体坡向105°,长约180 m,宽约380 m,坡度30°～45°,上部较陡,坡高100 m出头,整个坡体在平面分布上呈舌形。

坡体顶部后缘裂缝极度发育,垂直于坡向,几乎贯穿整个坡体，呈一定规模,裂缝发展最宽处可达0.25 m。坡体上部顺坡向出现不同程度的呈阶梯式下错,整个坡体破坏严重。

图1 斜坡坡体特征Fig.1 Characteristics of the slope

图2 坡体地质剖面图Fig.2 Geological profilemap of the slope

2 不同开采位置边坡数值模拟分析

本文在分析过程中运用的模拟计算软件主要为Midas-GTS[4-6]。分析了采空区位于边坡坡脚、中下部、中部及坡顶部不同部位时的矢量场、应力、塑性应变、稳定性的变化情况。通过室内力学试验获得岩体物理力学参数,然后用类比法进行了检查校正,岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of rock-soil mass

2.1 整体位移矢量场分析

采空区相对于坡体位置发生改变,坡体整体位移矢量变化也会不同,坡体整体位移矢量变化见图3。

坡脚开挖后,采空区正上方岩层破坏变形明显,主要表现为岩层向采空区中心的下陷。采空区右侧岩土体由于坡面形态影响,较左侧岩土体变形略大一些。

坡体中下部进行开挖后,边坡整体位移变形明显强于采空区位于坡脚时的变形。由于地形影响,右侧岩土体变形范围是左侧岩土体变形范围的2倍,其位移主要表现为沿坡面的下滑。

坡体中部进行开挖后,边坡位移、变形部位主要集中于采空区正上方岩层,其变形强度较采空区位于坡脚、中下部时减弱,右侧岩土体变形范围略强于左侧岩土体。

坡体顶部开挖后,采空区正上方岩层破坏变形明显,主要表现为岩层向采空区中心的下陷。需特别指出的是坡体几乎没有沿坡面的下滑位移现象。

综上4种坡体变形位移情况得知,当采空区位于坡体坡脚及中下部时,对坡体造成的X方向上的下滑位移较为明显,其中,后者尤甚。

图3 坡体整体位移矢量变化图Fig.3 Vector variation of the integral displacement of the slope

2.2 应力特征变化分析

2.2.1最大主应力变化分析

对坡体不同部位进行开挖,边坡的最大主应力分布特征也会表现不同,具体见图4所示。

由模拟结果可知,虽然坡体开挖位置不同,但最大主应力的分布位置基本不变,主要集中于采空区上方及采空区左右边界处。当对坡体坡脚、坡体中下部、坡体中部及坡体顶部等不同部位进行开挖时,最大应力均为作用于采空区右边界岩层的压应力,分别为6.62 MPa、10.87 MPa、10.68 MPa、10.36 MPa。

图4 最大主应力变化对比图Fig.4 Contrast diagram of the maximum principal stress variation

2.2.2最小主应力变化分析

对边坡不同部位进行开挖后,边坡最小主应力分布特征也会发生变化,具体分析结果见图5所示。

模拟计算结果表明,虽然开采部位不同,坡体的最小主应力均集中分布于采空区左右边界及顶板中心上覆岩层。当对坡体坡脚、坡体中下部、坡体中部及坡体顶部等不同部位进行开挖后,该应力值分别为17.38 MPa、71.20 MPa、50.20 MPa、40.55 MPa。

图5 最小主应力变化对比图Fig.5 Contrast diagram of the minimum principal stress variation

2.2.3最大剪应力

对边坡不同部位进行开挖后,边坡最大剪应力分布特征也会发生变化,具体分析结果见图6所示。

从图6看出,在斜坡的4种不同部位开采时,坡体最大剪应力的分布范围主要为采空区左右边界顶板及顶板中心上覆岩层位置,其中,左侧边界顶板岩层所受应力最大。当对坡体坡脚、坡体中下部、坡体中部及坡体顶部等不同部位进行开挖后,该应力值分别为6.36 MPa、31.50 MPa、22.68 MPa、17.55 MPa。比较所受应力值大小,结果表明对坡体中下部开挖极易引起采空区左侧边界顶板岩层发生变形破坏。

图6 最大剪应力变化对比图Fig.6 Contrast diagram of the maximum shear force variation

2.3 塑性应变模拟分析

对边坡不同部位进行开挖后,边坡塑性应变分布特征也会发生变化,具体分析结果见图7。

由模拟计算结果可知,当对坡体坡脚位置进行开挖后,边坡塑型应变情况相较其它工况条件并不算大,此时边坡整体处于稳定状态。当对坡体中下部和坡体中部进行开挖后,边坡塑性变形明显,变形区域实现了从坡顶到坡体中下部的贯通。两者相比较,前者塑性变形形成贯通区范围面积更大,且贯通部位位置向坡脚发生前移,变形量在数值上也有明显增大。在这种情况下,边坡贯通区范围内岩体极易发生下滑、崩塌。当对坡体顶部进行开挖后,边坡没有发现有下滑趋势的塑性变形贯通区,发生塑性变形的区域主要位于坡体后缘部分,对坡体的稳定性并不会形成较大的影响。

图7 塑性变形对比图Fig.7 Contrast diagram of plastic deformation

2.4 稳定性分析

当对边坡不同部位进行开挖后,坡体出现的可能滑面表现不同,具体见图8所示。

结果显示,对坡体坡脚部位进行开挖后,模拟计算所得的可能滑面与开采前由强度折减法计算推测的可能滑面一致,说明下伏煤层的开采对坡体稳定性的影响轻微,该工况下坡体稳定性系数计算结果为1.309,与开采前边坡稳定性系数计算结果相同,此时坡体处于稳定状态。

对边坡中下部进行开挖后,模拟计算坡体出现的可能滑面位置见图8-b,其滑面从坡顶后缘到坡体中下部出现贯通,滑面所包范围较大,在受到震动、降雨、冻融的情况下,坡体极易失稳。此时,边坡稳定性系数计算结果为1.143,坡体处于欠稳定状态。

当对坡体中部进行开挖后,模拟计算所得的可能滑面见图8-c。同样形成了从上到下的贯通区,相比较开挖坡体中下部时的情况,滑移所包面积较小,但是位置明显发生坡向方向前移。此时坡体稳定性系数计算结果为1.193，边坡仍处于欠稳状态。

当对坡体顶部进行开挖后,模拟计算滑面形态与对坡脚开挖后大致相同,同样与开采前由强度折减法计算推测的可能滑面一致,说明该种工况条件下,边坡稳定性情况变化不大,此时计算所得边坡稳定性系数为1.281,坡体处于稳定状态。

图8 最危险滑面对比图Fig.8 Contrast diagram of the most dangerous sliding surface

3 结束语

综上所述,采空区位于坡体不同部位时,对边坡稳定性的影响也不同。1)当对坡体中下部进行开挖后,对边坡稳定性的影响最大,该工况条件下,边坡出现了从坡体后缘到坡体中下部的塑性变形贯通区,边坡原应力平衡状态受到破坏,坡体处于不稳定或欠稳定状态。2)当对坡体中部进行开挖后,坡体的塑性变形出现了从上部到中部的局部贯通,在冻融、降雨等外界条件的影响下,该处极易发生或者引起一定规模的局部滑塌。3)对坡体坡脚或坡体顶部进行开挖后,相比较前面二者的工况条件,对边坡的稳定性影响不大或基本没有影响。