东明矿西帮复合边坡破坏模式及变形控制研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月我国作为矿产资源丰富的大国，随着国民经济的高速发展，矿山资源的开采、开发和利用的速度也迅速增加，形成的露天矿边坡数量越来越多。而露天矿随着开采深度和排土量的增加，外排土场原采场型的复合型边坡其稳定性受到了越来越多岩土领域学者们的重视。这种复合边坡直接关系到露天矿的安全生产和持续发展，也对作业生产人员的安全构成了直接的威胁。因此，对露天矿复合边坡破坏模式和变形控制技术进行研究，是对矿山安全生产的重要保证。对于露天矿复合边坡破坏模式及变形控制技术的研究，国内外许多学者进行了探索，并且取得了丰富的成果。厉美杰等1利用云蕴粤悦猿阅数值软件进行模拟，对提出的源种设计规划的横向位移以及实时监收稿日期：2023原02-02责任编辑：陈毓基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（51774184）；北方工业大学毓优团队资助项目（107051360019XN134/017）；北方工业大学科研启动基金资助项目（110051360002）作者简介：郭海棣（1998），男，河北沧州人，硕士研究生，研究方向为土工程、边坡工程。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.05.023郭海棣，王振伟，李元浩，等.东明矿西帮复合边坡破坏模式及变形控制研究 J.露天采矿技术，2023，38（5）：89原92.GUO Haidi,WANG Zhenwei,LI Yuanhao,et al.Research on failure mode and deformation control of westslope composite slope in Dongming Mine 允.Opencast Mining Technology,2023,38（5）:89原92.移动扫码阅读东明矿西帮复合边坡破坏模式及变形控制研究郭海棣1，王振伟1，李元浩1，黄科伟1，林令鑫1，弓启祥2,3（1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100041；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）摘要：为了研究复合边坡的破坏模式及变形控制技术等问题，对东明矿西帮复合边坡进行边坡稳定性分析。通过采用Midas GTS NX有限元数值模拟软件，基于有限元强度折减法和莫尔-库伦本构模型，分析控制前后复合边坡位移及剪切应变的变化规律。结果表明：复合边坡上部排土场边坡容易发生圆弧状滑坡，下部矿坑边坡容易发生坐落滑移式滑坡；且压脚变形控制技术对中下部被挤压软弱层的水平位移控制作用明显，极大削弱了复合边坡的整体剪切应变。关键词：复合边坡；Midas；破坏模式；控制技术；压脚中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）05-0089-04Research on failure mode and deformation control of west slope composite slope in Dongming MineGUO Haidi1,WANG Zhenwei1,LI Yuanhao1,HUANG Kewei1,LIN Lingxin1,GONG Qixiang2,3（1.North China University of Technology,Beijing 100041,China;2.China Coal Technology and Engineering Group ShenyangResearch Institute,Fushun 113122,China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China）Abstract:In order to study the failure mode and deformation control technology of composite slope,this article analyzes slopestability of west slope composite slope in Dongming Mine.Through adopting Midas GTS NX finite element numerical simulationsoftware,based on the strength reduction method and mole-coulomb constitutive model,the article analyzes the variation law ofdisplacement and strain of composite slope before and after control.The results show that the upper slope of the composite slopedump is prone to circular arc landslide,and the lower pit slope is prone to sit-slip landslide.Moreover,the deformation controltechnology of presser foot has obvious control over the horizontal displacement of the soft layer in the middle of the extruded layer,which greatly weakens the overall strain of the composite slope.Key words:composite slope;Midas;failure mode;control technology;presser foot89露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月测点的位移数据进行讨论，最终表明，伴着外排土场的高度不断变大，外排土场距离着西边坡的距离变大，坡体的横向位移朝着坡体里侧运动，监测点的位移伴着时间的变化有所波动；陈毓2利酝蚤凿葬泽数值模拟软件，发挥其快速建模的特点，建立数值模型，导入云蕴粤悦猿阅数值模拟软件进行计算，研究边帮和外排土场的空间关系，通过数值计算，分析出安全系数及位移场应力场的变化趋势，得出边帮与外排土场的安全距离为怨园 皂；白润才等3利用酝蚤凿葬泽数值模拟软件，发挥其快速建模的特点，建立数值模型，导入云蕴粤悦猿阅数值模拟软件进行计算，研究露天矿复合边坡的稳定性问题，利用白音华二号采场原外排土场复合边坡为研究背景，采用三维仿真技术反向计算不同堆载高度和不同堆载距离对采场原外排土场复合边坡稳定性的影响，验证分阶段分局部控制反向计算采场原外排土场复合边坡稳定性方法的可信；曹兰柱等4对于露天矿在生产的过程中边坡含有断层，复合边坡含排土场，下部含有矿坑边坡的复杂问题，以乌兰图嘎露天矿一采区西帮边坡的工程实际为背景，基于强度折减法，研究了断层的空间位置对坡体稳定性的影响。综上，以东明露天矿西帮边坡为背景，对复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究，分析其位移场以及剪切应变的演化规律，为露天矿复合边坡的建设提供依据。员工程概况东明露天煤矿位于大兴安岭西坡的海拉尔河北岸，此区域是存在一定坡度的高部平原地区，在其北部以及东北方向和较为矮的丘陵连接，海拔高度远园缘耀远猿园 皂，区域内部地貌较为平缓，没有大型的河流和湖泊，在其南部苑 噪皂有海拉尔河，西北约员缘 噪皂有莫勒格尔河。东明露天矿在交通运输上较为方便。该地区是亚寒带大陆性气候，在冬季比较寒冷，且冬季漫长，夏季比较炎热且短暂，春季及秋季风较大。东明露天矿西帮赋存的岩土层主要由排弃物、第四系松散层、泥岩、煤层、基岩缘个部分组成。排弃物主要由采场的挖掘物土、砂岩、泥岩、砂泥岩等混合物构成，粒径各不相同，组合杂乱，组织松散。就地基来说，该层排弃物是构建复合边坡的一种特殊方式与形状的高压载荷。第四系松散层由砂土、黏土、砂砾石组成。泥岩分布在煤层的上下两侧，基岩分布在最底端。圆理论基础及模拟模型圆援员有限元强度折减法和莫尔-库伦本构模型有限元强度折减法是将边坡稳定性计算中的抗剪强度参数悦、渍的值逐渐减小，直至边坡达到失稳状态，最终折减系数云为边坡的安全系数云杂5-6。悦云越悦/云渍云越 贼葬灶原员（贼葬灶（渍）/云）式中：悦云为折减后的黏聚力；悦为黏聚力；渍为内摩擦角；渍云为折减后的内摩擦角。莫尔原库伦本构模型是相对的弹塑性模型，最重要的是把胡克定律和库伦破坏准则有机结合在一起。莫尔原库伦本构模型主要有缘个力参数：其中弹性模量和泊松比是控制弹性行为的参数，黏聚力、内摩擦和剪胀角是控制塑性行为的参数。莫尔原库伦本构模型的假定对于大多数非线性的分析是可靠的，所以莫尔原库伦本构模型可以用于大部分岩土材料。每种材料都有着各自对应的物理力学参数，它们又对应着剪切强度方程。和另一些材料不一样，土是不容易抗拉的，发生剪切的破坏是特别容易的。在坡体的自身重立的条件下，剪应力会在边坡上产生，伴着剪应力的不断演化，应变也跟随着持续变化，向特定的面发生剪切破坏。剪切应力引起的抗剪行为和抗剪极限叫做剪切强度。土的抗剪强度包括黏聚力和内摩擦角7-9。圆援2模拟模型利用有限元数值模拟软件酝蚤凿葬泽 郧栽杂 晕载对模型进行建立及计算。按照真实的坡体形状岩土体的结构特点和力学参数，利用典型剖面进行稳定性分析。模型剖面如图员。利用酝蚤凿葬泽 郧栽杂 晕载数值模拟软件强度折减法，去分析坡体位移场的变化，以及最大剪应力等等的变化，对露天煤复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究。该坡体的剖面高度为员苑园 皂，长度图 员模型剖面90露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月图 源控制前最大剪应变云图表 员物理力学指标第四系员援愿愿员援怨猿圆源员猿源.园园援圆猿泥岩员援怨员员援怨远猿缘员园圆.园园援圆员煤层员援愿缘员援怨园猿愿员园员.缘园援猿愿基岩员援怨猿员援怨愿猿缘圆园圆缘.园园援圆缘排弃物员援怨园员援怨缘员苑圆员猿.园园援猿猿岩 性密度/（早 糟皂原猿）湿密度/（t 皂原猿）内摩擦角/（毅）黏聚力/噪孕葬弹性模量/G孕葬泊松比图 缘复合边坡水平位移云图图 远复合边坡竖向位移云图图 苑控制后最大剪切应变云图为缘愿员 皂，坡体的模型剖面主要划分为缘个土层：排弃物、第四系、泥岩、煤层、基岩。边坡钻孔愿个。针对愿园个样本，进行了物理力学试验，其各岩层的物理力学指标见表员。由真实得到的物理力学参数赋予模型中土体的属性。模型采用莫尔原库伦本构模型，在容易滑移的地带进行网格的加密，针对边坡进行网格的划分，对该模型纵轴方向给予重力方向的效果，以及对模型进行固定的约束，添加水位线。猿边坡破坏模式在变形控制前，原始边坡水平位移云图如图圆。原始边坡竖向位移云图如图猿，原始边坡的最大剪应变云图如图源。由图2可知：边坡的水平位移最大值为远园园 皂皂，且主要水平位移发生在复合边坡下部矿坑边坡沿泥岩顺层至坡脚处。由图3可知：边坡的竖向位移最大值为猿远缘 皂皂，且主要发生在坡顶位置，与现场实际情况相符。由图4可以看到：煤层和两侧泥岩带，以及复合边坡上部排土场的坡脚处和下部矿坑边坡坡脚处发生剪切破坏且易发生贯通。上部排土场容易发生圆弧状滑坡，下部矿坑边坡容易发生坐落滑移状滑坡，分析其原因，主要因为煤层及两侧泥岩过于软弱，在上部排土场的堆载作用下，经过挤压作用，使得中部形成较大的塑性应变，加速了下部煤层和泥岩软弱带的滑出。同时上部排土场的不规范堆载也导致了排土场坡源变形控制技术在对边坡进行压脚变形控制后，复合边坡的水平位移云图如图缘。复合边坡竖向位移云图如图远，压脚变形控制之后边坡的最大剪应变云图如图苑。由图5可知：边坡的水平位移最大值为源员愿 皂皂，且主要水平位移发生在复合边坡上部排土场的坡图 圆控制前水平位移云图图 猿原始边坡竖向位移云图91露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.5Oct.2023第 38 卷第 5 期2023 年 10 月（上接第88页）员）通过设置温度、烟雾、可燃气体、红外监控等监测设备，可以实时对筒仓储煤进行全方位、多方面、深层次的监测，掌握煤炭自燃发火情况，达到预测预警的目的。圆）通过设置惰化、水消防等灭火系统，对发热点进行精准灭火，设置自动泄爆系统也可以最大限度减少爆炸带来的危害，实现智能化预防和防治筒仓煤火灾。猿）通过加强日常生产管理，采取措施加快筒仓内储煤循环、防止高温煤等进入筒仓。参考文献：员 王彦援节能环保储煤技术的相关探讨 允 援山东工业技术，圆园员愿（员苑）：苑缘援圆 刘喆，马岩岩，赵晏博，等援大型储煤筒仓输煤智能化监控系统设计 允 援煤炭工程，圆园圆员，缘猿（缘）：圆愿原猿源援猿 殷鑫鑫援储煤仓远程智能化控制技术的研究 允 援中国矿山工程，圆园圆园，源怨（猿）：愿圆原愿缘援源 张立新援燃煤电厂储煤场储煤形式的探讨 允 援水力采煤与管道运输，圆园员远（猿）：苑圆原苑缘援缘 胡成功，赵奇援浅析几种储煤场储煤形式的优缺点 允 援露天采矿技术，圆园员猿（圆）：愿愿原怨园援远 梁馨予，范莹莹，陈潘鸿援基于 孕蕴悦 的煤仓智能监测系统 允 援电子技术与软件工程，圆园员苑（员）：员猿愿援苑 李亚超，赵国庆，王聖齐，等援含高温热源的储煤筒仓温度场实验研究 允 援节能，圆园员怨，猿愿（愿）：源员原源远援愿 李创援多孔介质煤层气体扩散规律的实验研究与数值模拟 阅 援北京：华北电力大学（北京），圆园圆园援脚处，以及复合边坡下部矿坑边坡沿泥岩顺层至坡脚处。对比压脚变形控制前的边坡，控制后边坡的水平位移大幅度减小。由图6可知：边坡的竖向位移最大值为圆缘猿 皂皂，且主要发生在坡顶位置。对比压脚变形控制前的边坡，控制后边坡的竖向位移变化幅度不大。说明压脚的边坡变形控制技术对水平位移影响较大，效果比较明显。由图7可知：经过压脚控制措施之后，边坡下部坡脚处无明显剪切破坏。坡体经过变形控制措施后，稳定性显著提高。缘结语员）以东明露天煤矿为项目背景，采用酝蚤凿葬泽 郧栽杂晕载有限元软件对复合边坡的破坏模式及变形控制技术进行研究。在变形控制之前，原始复合边坡上部主要发生圆弧状滑坡，下部矿坑边坡主要发生坐落滑移式滑坡。上部发生圆弧状滑坡主要因为排期物堆载方式导致，下部发生坐落滑移式滑坡主要由于上部排弃物的堆载作用，增大了坡体后缘的载荷，对中下部软弱带进行了挤压。从而导致后缘竖向位移较大，中下部水平位移较大。圆）在对复合边坡进行压脚变形控制措施之后，原始复合边坡的上部滑移发生明显改善，下部矿坑边坡在压脚的作用下，水平位移大幅度减小。由此可看出，影响复合边坡发生变形的主要因素是位于中下部的软弱带，对软弱带进行控制是对边坡整体变形有效的控制，使得边坡处于一个相对稳定的状态。参考文献：员 厉美杰，乔丽，田宇，等援露天矿软岩复合边坡变形机理分析 允 援煤炭科学技术，圆园圆员，源怨（愿）：员园愿原员员猿援圆 陈毓援露天矿外排土场分布对复合边坡稳定性影响机理 允 援煤矿安全，圆园圆园，缘员（员圆）：圆愿愿原圆怨员援猿 白润才，白文政，刘光伟，等援含弱层的复合边坡稳定性研究及应用 允 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版），圆园员愿，猿苑（员）：远员原远缘援源 曹兰柱，祁利民，王东，等援露天矿含断层复合边坡稳定性 允 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版），圆园员远，猿缘（愿）：愿园源原愿园怨援缘 毕小勇，闫天俊，鲁杰援酝蚤凿葬泽原郧栽杂（杂砸酝）在边坡二维稳定性分析中的运用 允 援自然灾害学报，圆园员缘，圆源（员）：员苑园原员苑远援远 程灿宇，罗富荣，戚承志，等援有限元强度折减法计算边坡稳定的对比分析 允 援岩土力学，圆园员圆，猿猿（员员）：猿源苑圆原猿源苑愿援苑 王凯，刁心宏，赖建英，等援云蕴粤悦猿阅应变软化与摩尔库伦模型工程应用对比 允 援中国科技论文，圆园员缘，员园（员）：缘缘原缘怨援愿 马骁尧，高启聚，石鹏程，等援基于摩尔原库伦准则级配碎石强度研究 允 援公路，圆园员苑，远圆（缘）：圆园怨原圆员缘援怨 梅毕祥，杨敏，贾尚华援基于摩尔库伦准则考虑渗流影响的孔扩张理论 允 援同济大学学报（自然科学版），圆园员苑，源缘（猿）：猿园怨原猿员远援92