别斯库都克露天煤矿南帮顺层边坡稳定性分析.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月露天开采能够快速开采回收浅层煤炭资源，但是由于露天矿边坡滑坡、塌方引起的矿山安全事故时有发生，严重影响了矿山的开采进度，给国家和人民的生命财产安全带来了巨大的损失1-3。露天矿边坡失稳的主要原因在于2个方面：一方面随着开采的不断进深，越来越多的非工作帮裸露出来，破坏了岩层原有的稳定状态，使应力重新分布，进而边坡的稳定性也不断发生变化；另一方面为了获取更多的开采量，需要采用更陡的边坡开采角度，如果坡脚设计不合理，就会严重影响边坡的稳定性，从而可能引起滑坡事故的发生。诸多学者在边坡稳定性分析及控制方面有了很多深入的研究。孙海军等4采用数值模拟与理论计算相结合的方法研究了边坡内在应力应变场的变化规律；田宇等5将刚体极限平衡理论与数值模拟相结合，研究了露天矿多弱层、断层在不同坡脚下的边坡稳定性；陈再明等6针对顺倾黏红土露天矿失稳问题，提出了坡脚反压、削方减载的控制措施，并取得了良好的经济效益；丁鑫品等7采用数值模拟与模型试验相结合的研究方法，研究了顺层采动边坡滑动面的形成机制，并结合边坡变形破坏别斯库都克露天煤矿南帮顺层边坡稳定性分析夏宇飞，王振伟，李元浩，郭海棣，黄科伟（北方工业大学 土木工程学院，北京 100041）摘要：基于露天矿工作帮顺层边坡稳定的重要性，结合别斯库都克露天煤矿的边坡地质条件，利用MidasGTSNX建立边坡模型并导入FLAC3D进行强度折减法计算，对边坡内部的位移场、应力场等进行分析，探究顺层岩质边坡在自重作用下的破坏模式以及发展趋势。结果表明：边坡软硬岩层交界面处发生了大范围的剪切破坏，在坡面处发现了潜在的滑移面但并未贯通，坡面发生了较大的水平位移为35 cm，边坡整体安全系数为1.176。关键词：边坡稳定性；数值模拟；FLAC3D；顺层边坡；强度折减法中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：员远苑员原怨愿员远（圆园23）03原园园78原园4Stability analysis of south slope bedding slope in Beskuduk Open-pit Coal MineXIA Yufei,WANG Zhenwei,LIY uanhao,GUO Haidi,HUANG Kewei（North China University of Technology,Beijing 100041,China）Abstract：Based on the importance of bedding slope stability in open-pit mine,combined with the slope geological conditions ofBeskuduk Open-pit Coal Mine,the article uses Midas GTSNX to establish a slope model and imported FLAC3Dfor strengthreduction method calculation,and analyzes the displacement field and stress field inside the slope,and explores the failure modeand development trend of bedding rock slope under the action of self-weight.The results show that a large range of shear failureoccurs at the interface of soft and hard rock layers of the slope,and a potential slip surface is found at the slope,but it is notpenetrated,the slope surface has a large horizontal displacement of 35 cm,and the overall safety factor of the slope is 1.176.Keywords：slope stability;numerical simulation;FLAC3D;bedding slope；strength subtraction收稿日期：2022-11-18责任编辑：张东旭基金项目：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：夏宇飞（1996），男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为岩土工程、防灾减灾工程、边坡工程。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.021夏宇飞，王振伟，李元浩，等.别斯库都克露天煤矿南帮顺层边坡稳定性分析 J.露天采矿技术，2023，38（3）：78原81.XIA Yufei,WANGZhenwei,LIYuanhao,et al.Stability analysis of south slope bedding slope in BeskudukOpen-pit Coal Mine 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:78原81.移动扫码阅读78露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 1工程地质模型网格划分图累计曲线将其分为3各阶段；刘玉凤等8针对顺层蠕滑型边坡，提出了一种合理、易操作的滑距预测方法；王振伟等9研究了弱层与正断层复合作用下的顺倾边坡变形规律，并发现弱层的厚度与倾角对边坡的稳定性影响较大。综上以别斯库都克露天煤矿南帮边坡为工程背景，采用数值模拟与理论分析相结合的方法，对其进行变形破坏分析。1工程概况别斯库都克煤矿位于巴里坤县城西北方向约150 km处，行政区划属巴里坤县大红柳峡乡管辖，矿区范围极值地理坐标为：东经91毅52忆15义耀91毅55忆30义，北纬44毅24忆15义耀44毅26忆45义，矿区面积12.139 km2，交通比较便利。别斯库都克煤矿的南帮为“顺倾边坡”，也是最终境界边坡，整体边坡角度为26毅29毅，局部边坡角度达到36毅，部分区域岩层有倒转现象，地质构造复杂，随着采场推进降深，南帮与地表排土场形成高陡复合边坡。根据煤矿现场揭露地层情况，探明南帮煤层底板以下赋存泥岩弱层，同时该区域含有地下水，局部台阶有涌水现象，地下水对“南帮边坡”岩体产生浸润与软化作用，存在滑坡风险。为此，选取南帮边坡为研究对象，采用数值模拟与理论分析相结合的研究方法，对南帮边坡的稳定性进行分析。2理论基础及模型土体选用莫尔-库伦本构模型，以强度折减法为基本理论，通过不断地对黏聚力和土体内摩擦角进行折减，直到边坡达到临界状态以此来求出土体的稳定系数。边坡岩体物理力学参数见表1。2.1强度折减法强度折减法是用来计算边坡稳定性系数的一种方法，主要通过对岩土体的抗剪强度指标进行1/K的放缩，并在后续的计算中采用放缩后的强度指标，依此进行反复迭代，直到边坡达到极限破坏状态10-11。C忆=1KC（1）渍忆=tan-1（1Ktan 渍）（2）F=K=CC忆=tan 渍tan 渍忆（3）式中：C为土体实测黏聚力，kPa；C忆为折减黏聚力，kPa；渍为实测土体内摩擦角，（毅）；渍忆为折减内摩擦角，（毅）；F为强度折减法所计算出的边坡稳定性系数；K为折减系数。2.2边坡模型及边界条件考虑到FLAC3D内置建模功能对于复杂模型的建立网格分布不均且连续性较差，此次建模选用MidasGTSNX建立三维数值模型，将划分好的模型图导入FLAC3D并进行强度折减计算。模型水平距离为600 m，垂直距离为266.5 m，厚度为10 m。模型共45 832个网格单元，49 087个节点。对模型表面进行自动分组，并限制模型的y向变形，对模型的底面进行位移约束（即固定位移为0），对模型的前、后面进行x向位移约束，模型的顶面为自由平面，仅存重力作用。工程地质模型网格划分如图1，各岩层物理力学见表1。2.3数值模拟方案首先对边坡赋予弹性本构，进行初始地应力平衡；待到平衡之后，清除各个方向上的位移，赋予岩土体莫尔-库伦本构模型进行强度折减法计算，由于该边坡为顺倾岩质边坡，整体边坡角度26毅29毅，局部坡脚36毅，存在顺层滑坡的风险。本次模拟不考虑地震、降雨等特殊情况，边坡的稳定性主要受岩体岩体重力影响，因此在本次模拟分析中，对边坡不设任何外加荷载，进行数值模拟研究。表 1物理力学参数表岩层密度/（g cm-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（毅）弹性模量/MPa泊松比第四系砾岩煤层中粗砂岩1.902.121.312.5230.0050.0031.1580.4937.5033.9022.1039.7035.30249.0040.88159.710.300.290.280.25底板强风化泥岩2.4518.3020.2079.000.23强崩解泥岩泥岩基岩2.452.4523.0034.6149.5584.0027.5035.9038.54107.30144.94266.400.270.320.3179露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 4主应力云图图 2自重应力下总位移和塑性区云图3顺层岩质边坡变形分析3.1边坡的总位移和塑性区自重应力下总位移和塑性区云图如图2。通过分析可知：在自重应力的作用下，边坡发生的主要剪切破坏有2处，都发生在软硬岩的交界面；第1处为基岩与泥岩的交界处，呈圆弧形剪切破坏；第2处发生在坡面互层处，呈现出大范围的圆弧形剪切破坏，究其原因在于顺层之间岩性相差较大，黏结强度低。边坡产生较大的竖向和水平位移，其中最大竖向位移为135 mm，最大水平位移为35 cm，由坡面向坡内逐渐递减至25 mm，边坡整体安全系数为1.176。根据煤炭工业露天矿设计规范，工作帮边坡稳定系数应为1.2及以上，因此该边坡需进行加固措施，以提高边坡安全系数。3.2边坡的剪应变增量剪应变增量云图如图3。分析应变增量云图可以得到最危险的滑移带位移方向和位移量的大小。坡体的最大剪应变增量位于坡表岩体互层处，呈现为圆弧形，并且与坡体位移云图和塑性区云图所呈现的圆弧滑动破坏面重合，但并未贯穿，可定义为边坡稳定的主控面，并由此可推算出露天矿边坡稳定性主要受该区域的影响较大，当存在外荷载干扰时，如降雨、振动等，极可能形成连续的滑动面，进而导致边坡失稳，导致坡面岩土滑移造成滑坡灾害。3.3边坡的应力分布特征主应力云图如图4。在只考虑土体自重的情况下，计算得出的最大主应力近乎平行于坡面，坡体内部应力状态在软硬岩层交界面处呈现出明显的“断层”,而在基岩内部的分布则随着深度的增加呈现出连续性增加趋势，由此说明大小主应力受岩性的影响较大。最大主应力从坡面向坡内由拉应力逐渐向压应力转变，坡表处最大拉应力为618.8 kPa，坡内最大压应力为6.27MPa；与最大主应力相比，最小主应力的拉应力和压应力则为最大主应力的1/2左右，符合常规土力学所提出的侧压力系数分布范围。结合塑性区进行分析可知：在下坡面及坡角处，切向应力逐渐增加，而径向应力逐渐减小，产生了应力差，导致坡面处形成了最大剪应力增高带，进而发生剪切破坏。4结语1）以别斯库都克露天煤矿为工程背景，对其南帮边坡进行数值模拟分析，考虑到FLAC3D建模效果不理想，故使用AutoCAD建立二维模型线框并导入Midas GTS NX进行拉伸和网格划分，再利用FLAC3D转换器生成FLAC3D可识别文档，导入FLAC3D进行强度折减法计算，大大节约了建模时间，充分发挥了每个软件的优点。图 3剪应变增量云图80露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月差额投资比较法和贴现值比较法均显示方案2为经济上最优方案。4结语通过技术分析和经济比较显示，自移式半连续开采工艺方案为五彩湾矿区四号露天煤矿技术上可行、经济上最优的剥离工艺方案。从环保方面，自移式半连续开采工艺相较于另外2个方案实现了充分的以电带油，排放低，符合绿色矿山建设要求。自移式半连续开采工艺具有节能环保、智能化程度高、生产能力大等优点，有利于“双碳”目标的实现，是未来露天煤矿开采工艺发展的较优选择。参考文献：员 张环援露天开采工艺比选及半连续工艺的合理性研究允 援山东煤炭科技，圆园员愿（员圆）：猿源原猿缘援圆 孙鑫援霍林河北露天煤矿剥离半连续开采工艺研究 允 援露天采矿技术，圆园员怨，猿源（员）：员苑原员怨援猿 张洪，贺永军，刘梅援露天煤矿剥离半连续开采工艺系统及其应用的研究 允 援露天采矿技术，圆园员猿（员）：怨原员猿援源 章建欧，康庆微援天池能源南露天煤矿单斗原卡车工艺设备选型 允 援露天采矿技术，圆园员远，猿员（员）：源圆原源源援缘 姬长生援我国露天煤矿开采工艺发展状况综述 允 援采矿与安全工程学报，圆园园愿（猿）：圆怨苑原猿园园援远 高登来，李继援半连续生产工艺系统在伊敏露天矿的应用 允 援露天采矿技术，圆园园怨（缘）：员原猿援苑 王进文援宝日希勒露天煤矿采煤自移式破碎机半连续工艺应用技术研究 阅 援徐州：中国矿业大学，圆园员愿援愿 苏迁军援自移式半连续工艺工作线布置形态的研究 允 援露天采矿技术，圆园员苑，猿圆（愿）：圆怨原猿圆援怨 董志龙援天池能源南露天煤矿剥离半连续生产系统优化 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（圆）：苑园原苑圆援员园 姜明龙援太阳能原地源热泵供热系统耦合方式的对比研究 阅 援天津：河北工业大学，圆园圆园援（上接第77页）2）边坡所产生的塑性剪切破坏都发生在软硬岩交界面，呈现出大范围圆弧滑动剪切破坏，并且边坡整体产生了较大的水平位移35 cm，由坡面向坡内递减至2.5 cm，竖直方向沉降为13.5 cm，安全系数为1.176，不符合工作帮要求，需采取控制措施。3）边坡最大剪应变增量与位移云图和塑性区云图的圆弧滑动面相重合，但并未贯穿，确定了边坡最可能发生破坏的区域及其破坏形式。4）将大小主应力与塑性区云图结合分析可知：在下坡面及坡角处，切向应力逐渐增加，而径向应力逐渐减小，产生了应力差，导致坡面处形成了最大剪应力增高带，进而发生剪切破坏。参考文献：1 胡接枝.知不拉铜矿露天边坡稳定性影响因素敏感性分析 J 援中国安全生产科学技术，2022，18（S1）：73-78援2 林毅斌.基于三维数值模拟的高寒高海拔露天矿边坡稳定性分析 J 援中国安全生产科学技术 2022，18（S1）：86-92援3 赵浩.露天煤矿高质量安全发展形势分析与对策措施J 援煤矿安全，2022，53（7）：251-256援4 孙海军，刘念.基于 FLAC3D的边坡开挖稳定性数值模拟 J 援工程建设，2021，53（1）：20-24援5 田宇，张波，刘博文，等援露天矿多软弱夹层边坡变形机理与形态优化研究 J 援煤炭科学技术，2021，49（6）：189-194援6 陈再明，罗霄，白润才.露天矿非工作帮红黏土顺层边坡稳定控制对策 J 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2021，40（3）：193-197援7 丁鑫品，李凤明，李宏艳，等援顺层采动边坡滑动面形成机制与演化模式研究 J 援采矿与安全工程学报，2020，37（5）：1019-1026援8 刘玉凤，马明.顺层蠕滑型露天矿土质边坡滑距预测方法研究 J 援煤炭科学技术，2019，47（11）：84-89援9 王振伟，李斌，王智涛，等援伊敏露天矿弱层与正断层复合作用下顺倾边坡变形规律 J 援露天采矿技术，2022，37（5）：24-27援10 陈权川，王安礼，邬忠虎，等援基于尖点突变理论的含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡稳定性研究 J 援河南理工大学学报（自然科学版），2022，41（6）：188-195援11 商兆涛，姚家李，夏琴，等.基于强度折减理论的深基坑稳定性分析 J 援合肥工业大学学报（自然科学版），2022，45（9）：1209-1215援81