某煤矿边坡稳定性分析

赵思达

摘 要：针对自然岩体边坡、人工边坡的变形破坏常造成人员伤亡及财产损失的问题，应用FLAC-3D软件对内蒙古某露天矿边坡采用摩尔-库仑模型进行数值模拟计算，分析土质边坡的稳定性，记录坡内最大不平衡力及边坡的位移矢量等数据，并计算安全系数，进而检验露天煤矿边坡的稳定情况，并采取加固措施，减少滑坡现象的发生。

关键词：FLAC-3D; 边坡; 稳定性; 数值模拟

0 引言

随着经济技术的发展，边坡稳定性称为岩土工程领域一个热点研究课题。目前在矿井开彩现场进行大规模试验研究，实施起来比较困难，而FLAC3D模拟计算技术对实现采矿工艺的研究非常方便，且数值模拟计算还对采矿工艺进行理论性前瞻研究。在边坡稳定性分析的过程中人们通常采用安全系数来评价其稳定性状态。进而来验证矿山边坡是否稳定。本文应用FLAC软件并结合强度折减法对内蒙古某矿山边坡进行稳定性分析，通过处理验证边坡的安全性与稳定性，进而提出边坡安全防治措施。

1 FLAC-3D程序简介

FLAC-3D是由美国Itasca Consulting Group Inc.公司靠法的三维显式有限差分程序。作为一个专业分析软件，FLAC-3D是基于连续介质，是快速拉格朗日有限差分計算程序。FLAC3D分析时，首先将被分析物体离散为许多小单元，其次给定边界条件，荷载和材料特新换，在求解线性非线性方程组，得到位移、应力、应变和内力等结果。所有的结果不是准确解，而是近似解，但足以满足大多数实际工程的需要，因而称为行之有效的工程分析手段。有限元分析可以分析形状十分复杂、非均质的各种实际的工程结构，可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系，何在边界条件;可以进行结构盈利和动力分析，结合前后处理技术可以进行方案的优化和选择，并且可以迅速用图形直观的表现出来。

2 FLAC3D的分析步骤：

FLAC3D采用的是命令驱动方式。命令字控制着程序的运行，为建立FLAC3D模型，必须进行以下三个方面的工作：（1）有限差分网格;（2）本构特性与材料性质;（3）边界条件与初始条件。

完成上述工作后，可以获得模型的初始平衡状态，也就是模拟开挖前的原岩应力状态。然后，进行工程开挖或改变边界条件进行工程的响应分析，进行一系列计算步后达到问题的解。

3 露天煤矿的地质条件

某露天矿处内蒙古呼伦贝尔市，属于季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年温度差、日期温度差大，属半干旱型气候。该边坡坡长332.1m，高为135.6m，位于整个矿山的南帮。露天矿山边坡土质由表至里依次为：细粉土、粉土、砾沙、砂岩，边坡最北侧与砂岩接触处为煤层。其中边坡煤层与土层接触部分出现明显断层，严重影响到了突破的稳定性;同时边坡表层边坡物质以粉土粉砂为主，级配较差，其抗滑移性能较差，容易引起矿山的山体滑坡。

4 边坡稳定性分析及加固方案

4.1  模型建立。模型根据具体实际地形图，滑坡模型左右边界采用X方向法向约束，底部采用固定端约束，共同构成模型的边界条件，实际模型样式

计算选取摩尔-库仑屈服准则模拟计算边坡稳定性，因其模型需求共建立10个分组，各土力学参数根据地质地貌特征并参照表1选取，土体的体积模量和剪切模量根据反算公式计算得出。

在模型计算中应用强度折减法原理进行稳定性分析。将边坡的安全系数定义为是边坡刚好达到临界破坏状态时，对其强度参数进行折减的程度。若边坡采用摩尔库伦准则，影响其稳定的强度参数是粘结力c和内摩擦角

公式（1）

4.2 应力应变分析

应力的分布主要受采场自身重力的影响，竖直应力和水平应力在采场坡体表面向下，均随着标高的降低而呈上升趋势，分布均匀，基本顺着坡面方向一直延伸到坡脚处。说明坡体稳定性受断层影响严重，但并未影响应力总体分布状况，说明边坡不会发生拉裂—剪切—滑移破坏，边坡稳定。

边坡体呈现以垂直位移为主的沉降变形。边坡体后部出现最大的沉降变形，主要原因是采场自身重力作用导致。而在断层处坡体为已有较大变化，但由于外部岩层较为稳定，所以不会影响坡体整体稳定。

坡体整体剪切变化未出现明显变化，但在断层处剪切增量明显增大，说明坡体稳定性受到断层处构造应力释放影响，并且结合应力分布图和位移分布图来看，断层对坡体影响作用明显。

4.3 计算结果分析

边坡形成后，模拟计算的安全系数为 1.28，且最大不平衡力收敛，因此边坡处于较稳定状态。综上分析可知，边坡中部位移较大，另外断层处的位移量较其周围有明显增加，为边坡的薄弱处，已发生滑坡应进一步进行加固，但整体上未对边坡稳定性有大的影响。

4.4 边坡加固措施

露天矿的生产是一个动态的过程，随着采深的不断加大，其内部工程地质条件、水文地质条件、岩层赋存状态等不断地被揭露出来，为了确保工程的安全，针对不稳定的边坡，必须采取一系列有效的防治措施。例如：防止地表水向岩体中渗透与排除不稳定岩体中的地下水，削缓斜坡、上部减重，修建支挡建筑，添加锚固，应用减震爆破，预裂爆破等方法减小土体扰动，进而提高边坡的稳定性。

5 结语

应用FLAC3D软件对该矿山边坡的分析研究，通过对边坡个方向位移、应力的观察监测，进而对土体的性能有了深入认识，得出如下结论：

（1）露天矿边坡的 FLAC 数值模拟分析结果与实际破坏情况一致，较好的模拟了实际边坡的破坏过程。

（2）运用强度折减技术分析开挖边坡可以得到对天然边坡相似的剪切破坏带，得到的安全系数可以直接运用到开挖边坡的稳定性分析中。

（3）对于复杂岩质边坡，利用 FLAC 程序可以得到坡体的滑动面及相应的安全系数，通过实例分析说明了此法的可行性，而且计算结果更为可靠。

（4）计算模型的建立，边界条件和网格划分密度要满足 FLAC 程序的要求，网格划分太细，则超出程序能力;反之，将会造成较大的误差。

总之，矿山边坡保持稳定性的时间并不确定，有的甚至可达数年之久，不过一旦发生滑坡现象就会在成巨大的人员伤亡和经济损失，因此应用最简便的，这是本文的研究所在。

参考文献

[1] 陈育民，徐鼎平著. FLAC/FLAC3D基础与工程实例 [M].北京：中国水利水电出版社，2008

[2] 郝凤山，王蕾，基于FLAC软件对超高边坡加固的稳定性分析[J]. 世界科技研究与发展，2011，33（2）;64-70.

[3] 姜连军. 大唐国际胜利东二号露天煤矿采场边坡分析[D].辽宁工程技术大学，2009