海州矿南帮边坡三维数值分析

乔云航

（1.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室东北中心，辽宁 沈阳 110013）

通过对海州矿南帮边坡呈现的变形破坏机制分析，这里的岩体质量在空间上呈现出非常明显的不均一性。基于材料均一性角度进行分析，通过三维地质力学模型来完成对南帮边坡所具有的应力场分布特征进行模拟，从而更贴近实际情况。

本文研究中主要是基于有限元软件ANSYS来实现南帮边坡的模型仿真，进行三维数值模拟分析，从而可以对应力变形分布进行剖析[1，2]。基于强度折减法实现对安全系数的计算。

当前基于有限元分析方法对边坡安全系数进行计算主要有滑面搜索法和强度折减法这两种计算方法[3,4]。强度折减法的主要思路是：确定初始折减系数，然后对岩土体初始强度参数折减，公式为：

在边坡模型中输入折减后的参数，从而进行有限元计算，如果程序呈现收敛状态，那么说明岩土体处于稳定状态；接着增大折减系数F，当程序开始不收敛的时候，就可以确定折减次数F即为岩土体的安全系数。

1 建模思路

在进行三维数值模型构建过程中，由于需要模拟的区域条件比较复杂，我们基于分区简化思路进行建模。把需要模拟的边坡划分为E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四个区域，具体划分见下图2所示，接下来我们分别对4个区域模拟分析。

2 岩土参数

其他学者已经针对海州矿北帮边坡展开比较多的岩体力学性质研究，在研究过程中也针对一些主要层位展开了原位测试；在进行建模分析前，对南帮边坡进行了实地勘察及测试，通过参阅相关的勘察报告以及相关文献资料中记载的岩体物理力学参数，最终确定了模型稳定性分析的输入数值，这些数值如表1所示。

表1 海州露天矿南帮三维分析岩土参数取值表

3 边坡三维数值模拟分析

图1 E5-EW0-W5有限元模型及网格划分图

构建三维模型，模型所具有的尺寸信息为，长度为S500-SN0为500m，宽度为剖面E5-E10为500m，模型高度350m，标高-150m～+200m；下面图3是E5-E10区域平面图，接着对模型进行网格划分，最终确定了有限元网格，具体信息如图2所示。

对有限元模型进行计算分析，下面图就是对E5-E10区域计算得到位移云图：

图2 E5-E10 x位移云图

图3 E5-E10 y位移云图

通过模型分析计算得到的云图可以得知，研究的区域边坡变形发生在标高+50m～-50m，通过进一步分析可知，主要是因为煤层自然或者是中间层开采导致的这一结果，需要针对这一区域加强监测并制定有效防护措施。

4 总结

对海州矿南帮边坡呈现的变形破坏机制分析，这里的岩体质量在空间上呈现出非常明显的不均一性。把海州矿南帮研究区划分为E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四个区域，本文研究中主要是基于有限元软件ANSYS来实现南帮边坡的模型仿真，由于需要模拟的区域条件比较复杂，我们基于分区简化思路进行建模，进行三维数值模拟分析，从而可以对应力变形分布进行剖析，得到研究区域的应力分布特征。