基于有限元的上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响研究.pdf
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1、第 卷第期有色金属(矿山部分)年月 d o i:/j i s s n 基于有限元的上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响研究景明,黄亚军,吕志强,徐啸川(中国建筑土木建设有限公司,北京 ;中交一公局第一工程有限公司,北京 ;中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 )摘要:为研究上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响,基于有限元方法,利用M i d a sG T S软件建立相应模型,通过分析不同开挖位置、不同断层形态下边坡的力学特征,得出其力学响应机制,主要得到以下结论:断层倾角发生改变时,随着工作面的推进,因上下盘开采而导致的边坡沉陷值整体变化不大,但倾角的增大会导致更易活化;断层倾角发生改变时,上盘最大下沉
2、处位置更靠近断层方向,而下盘最大下沉处位置更靠近采空区方向;上盘开采时,随着断层倾角的增大,开采前后边坡安全系数均出现减小,下盘则与之相反;上盘开采时随着断距的增大,边坡安全系数均出现增大的现象,下盘开采时随着断距的增大,边坡安全系数均出现减小的现象.创新点在于考虑断层对矿山开采过程边坡稳定性的影响,该研究为今后复杂地质条件下矿山开挖所导致的边坡问题提供参考.关键词:边坡稳定性;有限元;力学响应机制;断层中图分类号:T D 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo nt h e i n f l u e n c eo fm i n i n go nt h e s t a b i l i
3、t yo fm i n es l o p eb a s e do nf i n i t e e l e m e n tJ I NG M i n g,HUANGY a j u n,L YUZ h i q i a n g,XUX i a o c h u a n(C h i n aC o n s t r u c t i o nC i v i lE n g i n e e r i n gC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a;F i r s tE n g i n e e r i n gC o,L t d,A f f i l i a t e dt oC C C CF i r
4、 s tH i g h w a yE n g i n e e r i n gG r o u p,B e i j i n g ,C h i n a;S c h o o l o fE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h ei n f l u e n c eo fh a n g i n gw a l la n df o o t w a l lm
5、 i n i n go ns l o p es t a b i l i t y,b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d,t h i sp a p e ru s e sM i d a sG T Ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l B ya n a l y z i n gt h em e c h a n i c a l r e s p o n s em e c h a n i s mo fs l o p eu n d
6、e rt h es a m ee x c a v a t i o np o s i t i o na n dd i f f e r e n tf a u l tf o r m s,t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s:W h e nt h e f a u l td i pa n g l ec h a n g e s,w i t ht h ea d v a n c e m e n t o f t h ew o r k i n gf a c e,t h eh a n g i n gw a l l a n df o o t w
7、 a l lm i n i n gl e a dt o l i t t l ec h a n g e i nt h es u b s i d e n c ev a l u eo f t h es l o p e,b u t t h e i n c r e a s eo f t h ed i pa n g l ew i l l l e a dt oe a s i e r a c t i v a t i o n;Wh e n t h e f a u l t d i pa n g l e c h a n g e s,t h em a x i m u ms u b s i d e n c ep o s
8、 i t i o no f t h eh a n g i n gw a l li sc l o s e r t ot h e f a u l td i r e c t i o n,w h i l e t h em a x i m u ms u b s i d e n c ep o s i t i o no f t h e f o o t w a l l i sc l o s e r t o t h eg o a fd i r e c t i o n;W h e nt h eh a n g i n g w a l l i sm i n e d,w i t ht h ei n c r e a s
9、eo ff a u l td i pa n g l e,t h es l o p es a f e t yf a c t o rb e f o r ea n da f t e rm i n i n gd e c r e a s e s,w h i l e t h e f o o t w a l l i so p p o s i t e;W h e nt h eh a n g i n gw a l l i sm i n e d,t h e s l o p e s a f e t y f a c t o r i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s e
10、o f t h e f a u l t d i s t a n c e W h e n t h e f o o t w a l l i sm i n e d,t h e s l o p e s a f e t y f a c t o r d e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f t h e f a u l t d i s t a n c e T h ei n n o v a t i o no f t h i s p a p e r i s t o c o n s i d e r t h e i n f l u e n c e o f
11、f a u l t s o n s l o p e s t a b i l i t yd u r i n gm i n i n g T h i s s t u d yp r o v i d e s a r e f e r e n c ef o r s l o p ep r o b l e m s c a u s e db ym i n e e x c a v a t i o nu n d e r c o m p l e xg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n t h e f u t u r e K e yw o r d s:s l o p es
12、 t a b i l i t y;f i n i t ee l e m e n t;m e c h a n i c a l r e s p o n s em e c h a n i s m;f a u l t收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:景明()男,本科,从事土建项目建设管理工作.通信作者:徐啸川()男,博士,研究方向为岩土工程、地质灾害防治研究,E m a i l:f a n g l a c o m.随着“十四五规划”以及“一带一路”战略的实施,我国对能源的需求不断增大,长期以煤炭为主的能源结构不会改变,然而大部分矿产资源埋藏于山区,开采难度大、开采占比大等因素必
13、然会对区域生第期景明等:基于有限元的上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响研究态环境造成影响,随着开采深度和规模的扩大,极为容易引发严重的地质灾害问题 .其中开采导致斜坡失稳现象频频发生,为解决国家能源战略问题以及人民群众安全问题,研究矿山开采对边坡稳定性影响迫在眉睫.近年来,国内外研究学者针对矿山开采对边坡稳定性的影响进行了大量研究.朱纪朋等利用 DM i n e构建三维模型,并通过F L A C D将边坡划分为个区域,利用数值模拟与监测系统相结合分析露天矿边坡破坏机理.在此基础上,MA I T I等提出采用摄像测量以及蒙特罗采样获取相关参数的方式对矿区边坡失稳概率进行预测,并得出其稳定系数.国内
14、学者马宗源等以西北地区黄土边坡为研究对象,采用有限元模拟与动力学理论计算相结合的方式,提出地下采煤对边坡稳定性影响的分析方法,结果表明采用此方法可有效提高计算效率,有利于分析边坡渐进破坏的全过程.而徐全耀等对软岩边坡展开研究,结果表明该地区软岩边坡破坏区别于黄土边坡,更易发生顺层滑坡,并提出采用对各软弱层滑移面进行逐层削坡优化的方法.王文才等研究不同井采方向对边坡稳定性的影响,结果表明边帮煤的回采使岩质边坡经历复杂的力学演化过程,采用回填压脚和逆坡回采的方式可以控制边坡稳定性.冯小鹏等采用A d a B o o s t卷积神经网络对矿山边坡稳定性进行预测,为矿山的安全设计和施工提供科学的依据.
15、然而上述研究主要集中于矿山开采对边坡稳定性的影响以及如何防治边坡失稳等方面,较少涉及复杂地质条件下的矿山开采对边坡稳定性的影响.因此,本文基于前人对边坡稳定性研究的基础,进一步考虑断层对边坡稳定性造成的影响,结合M i d a sG T SN X有限元数值模拟软件,提出不同开挖位置、不同断层形态下边坡的力学响应机制,为今后复杂地质条件下矿山开挖所导致的边坡问题提供相应参考.研究背景某矿区地形复杂,属于山地区域,地势上表现东高西低,植被稀缺,沟谷纵横交错,地层复杂,是典型的侵蚀地貌.边坡基岩处坡角 ,平均坡角 .坡顶高程 m,坡底 m,相对高差 m.矿区内采煤处出露岩层主要为石炭系上统太原组与二
16、叠系下统山西组,主要以砂岩为主,并含有部分泥岩、粉砂岩,区域岩性变化较小,煤层厚度大,较为稳定,区域断裂构造发育,存在条正断层,断层倾角较大,断距不一.有限元模型建立本节主要考虑上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响,其力学模型如图所示.模型采用M i d a sG T SN X有限元数值模拟软件进行建立,因此要明确建模流程及相关步骤,图为M i d a sG T SN X有限元软件建模流程.图力学模型F i g M e c h a n i c a lm o d e l图有限元建模步骤F i g S t e p so f f i n i t e e l e m e n tm o d e l i n
17、g有色金属(矿山部分)第 卷由于本次计算仅考虑自重应力场,因此均以实体单元的方式进行呈现.由于本次计算中将岩土体材料考虑为均质弹塑性材料,因此本次模型采用M o h r C o u l o m b模型.细观参数标定细观参数的确定影响着数值模拟结果的准确性,因此如何确定数值模拟中的细观参数极为关键,同时由于M I D A SG T SN X的数值模拟软件并未给出细观力学参数与宏观力学参数之间的定量关系表达式,因此本文依据相关规范和煤矿资料和工程地质手册,得到相应力学参数取值.岩体参数由变形参数、强度参数两方面组成,由于岩体具有非均质、不连续等特点,在岩体力学中,泊松比u变化远小于弹性模量E以及黏
18、聚力C和内摩擦角的变化.因此,在计算模型中,将泊松比u当成已知量,将弹性模量E、黏聚力C、内摩擦角当成反演参数,以下针对弹性模量E、黏聚力C、内摩擦角进行参数反演,得到合理参数.表为物理力学参数.表物理力学参数T a b l eP h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s材料厚度/m容重/(k Nm)泊松比弹性模量/MP a黏聚力/k P a摩擦角/()黄土 泥岩 砂岩 泥质砂岩 灰岩 粉砂岩 煤层 砂岩 断层 模型建立共建立两种不同模型,模拟上下盘开采情况.选取断距为 m、倾角为 的正断层,将模型尺寸设置为 m m,竖
19、直方向厚度为 m,以 m为基准进行推进工作,共推进 m,分四次进行,模型如图所示.图模型建立F i g M o d e l e s t a b l i s h m e n t 边界条件断层的存在会产生构造应力,进而呈现出构造应力场,在边坡模拟的过程中,应将重力场施加于模型上,同时在模型周围施加水平应力场以及竖直应力场,其中水平应力S x xS y y,图为构造应力场的分布情况,由图可知,水平应力场以及竖直应力均呈现梯形分布力.图构造应力场F i g S t r u c t u r a l s t r e s s f i e l d 上盘开采斜坡变形及稳定性分析以区域地质条件为研究基础,针对断层
20、参数变化而导致上盘开采斜坡变形及稳定性变化开展相应研究,通过改变断层倾角以及断距,得出斜坡变形特征以及相应规律,表为断层参数.第期景明等:基于有限元的上下盘开采对矿山边坡稳定性的影响研究表断层参数T a b l eF a u l tp a r a m e t e r s断层参数变量断层倾角/()、断距/m、断层倾角变化对斜坡影响 变形影响当断距 m、断层厚度m时,断层倾角的改变会导致边坡形变量发生相应改变,图为不同断层倾角条件下地表的下沉情况.图不同断层倾角条件下地表的下沉曲线F i g S u r f a c e s u b s i d e n c ec u r v e su n d e r
21、d i f f e r e n t f a u l td i pa n g l e s由图可知,断层倾角发生改变时,地表下沉值均随着停采线水平距离的增加出现先增大后减小再增大的趋势,但倾角的增大会导致地表沉降量显著增大,同时最大下沉处位置也更靠近断层方向;断层倾角发生改变时,随着工作面的推进,其沉陷值整体变化不大,但倾角的增大会导致更易活化;当倾角为 时,距离停采线 m处出现地表最大下沉量,其值为 mm;当倾角为 时,距离停采线 m处出现地表最大下沉量,其值为 mm;当倾角为 时,距离停采线 m处出现地表最大下沉量,其值为 mm.稳定性影响图为开采前后不同倾角斜坡的安全系数.由图可知,边坡开采
22、前的安全系数远高于边坡开采后的安全系数,随着断层倾角的增大,无论开采前后,边坡安全系数均发生减小,该现象表明边坡受扰动影响剧烈,从安全系数下降幅度来看,开采后边坡安全系数下降幅度更大,同时从曲线斜率可以发现,断层倾角越大,安全系数下降就越多,说明边坡受开采影响更大,更不利于坡体稳定.有色金属(矿山部分)第 卷图不同倾角下边坡安全系数F i g S l o p e s a f e t y f a c t o ru n d e rd i f f e r e n td i pa n g l e s 断距变化对斜坡稳定性影响图为开采前后不同断距斜坡的安全系数.由图可知,边坡开采前的安全系数远高于边坡开
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