维普资讯 http://www.cqvip.com ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．４６４ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０ｏ７ 矿业快报 ＥＸＰＲＥＳＳ ＩＮＦ０ＲＭ ｎ０Ｎ ＯＦ ＭＩＮＩＮＧ ＩＮＤＵＳＴＲＹ 总第４６４期 ２００７年１２月第ｌ２期 抚顺东露天煤矿南帮边坡稳定性数值分析 贾金刚 李 珩 董 石 磊 黄 坤。 （ 解放军理工大学工程兵工程学院； 中国建筑东北设计研究院； 解放军理工大学气象学院） 摘要：在现场勘察露天煤矿边坡地质条件的基础上，采用基于弹塑性模型的有限元法，考虑 岩土材料的非线性特征，计算出各剖面的应力、应变和位移场。把数值模拟和传统的边坡稳定分析 方法结合起来，得出各个边坡截面的安全系数，给出稳定性评价，并对煤矿开采边坡的发展趋势做 出了预测，为该露天矿边坡在开采过程中的稳定性分析提供了一定的技术支持。 关键词：露天矿；边坡稳定；数值模拟 中图分类号：ＴＤ８２４．７ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－５６８３（２００７）１２－００１９－０４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｌｏｐｅ ｉｎ Ｓｏｕｔｈ ｓｉｄｅ ｏｆ ｌ￣ｍｈｔｍ Ｅａｓｔ Ｓｔｒｉｐ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｊｉａ Ｊｉｎｇａｎｇ Ｕ Ｈａｎｇ２ Ｄｏｎｇ Ｆｅｎｇ２ Ｓｈｉ Ｌｅｉ Ｈｕａｎｇ Ｋｕｎ。 （ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｓ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ａｒｃｈｉ． ｔｅｃｔｕｒｌａ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ； Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ－ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｎａｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｈｔｅ ｓｔｒｉｐ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄ— ｅｒｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ ｏｆ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉｌａ－ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｆｅｌｄ ｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅｓｃｔｉｏｎ ｐｌｎａｅｓ．Ｎｕｍｅｒｉ－ ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｄｉｉｔｏｎａｌ ｎａａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｒａｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｏｔ ｇｅｔ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏ ｄｉｆｅｒ－ ｅｎｔ ｓｌｏｐｅ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｎａｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｅｓｉｔｍａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｆｏｒｅｃａｓｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｉｍｎｅ ｅｘｐｌｏｉｉｔｎｇ－ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｔｈｅ ｓｔｒｉｐ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓｌｏｐｅ ｄｕｒｉｎｇ ｅｘｐｌｏｉｉｔｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｒｉｐ ｍｉｎｅ；Ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １工程概况 设施造成严重的危害，并影响坡下的正常施工作业。 抚顺东露天矿位于市区南部，东西狭长，南北较 为此，笔者研究了煤层开挖对南帮边坡稳定性的影 窄，呈带状分布。西临亚洲最大矿坑西露天矿，东接 响。 龙凤煤矿，北望浑河，东西长５ｋｍ，面积３ｋｍ２。１９９８ ２计算模型的建立 年经国家正式批复恢复生产，计划煤炭年生产量 ２．１边坡力学模型与数值建模 １００万ｔ，油母页岩年产量１ １００万ｔ，项目总投资３．８ 根据抚顺矿务局地测处提供的地质剖面图，通 亿元。经过近５ａ的努力，目前，前期恢复工程基本 过研究平面应力应变来解决其稳定性。分别以 就绪，年产煤炭可达８０万ｔ，达到中型矿生产水平。 Ｅ９２００、Ｅ９４００、Ｅ９６００三个剖面建立数值模型：左侧 在Ｅ９２００～Ｅ９６００的南帮边坡有６～７层居民楼２０ 以坡上公路为界垂直向下，下部以设计开挖－２０ｍ 余幢，企业一家，居民平房若干，边坡后部还有由市 为界，右侧５０ｍ内为坑底至原地面三面约束，并确 区通向龙凤地区的公路一条。南帮上部，居民楼下 定各剖面设计开挖线，为模拟开挖做准备ｕ Ｊ，见图 方有近２０ｍ厚黄粉质粘土，坡下有ｌＯｍ宽混凝土水 １～图３。 沟一条，工程地质条件不良。东露天矿恢复工程拟 ２．２边坡材料参数与荷载分析 在其下方不远处，台阶式开挖煤层。煤层的开挖，极 边坡的物理力学参数主要来自土工试验，见表 有可能进一步诱发滑坡的发生，势必对居民和附近 １。荷载主要考虑岩土自重、水以及地表楼房荷载。 岩土自重按土工试验给出，地下水位线以下土体容 贾金刚（１９７８一），男，博士研究生，２１０００７江苏省南京市。 重按含水量或孔隙率折算为饱和土体容重，楼房层 １９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第４６４期 矿业快报 ２００７年１２月第１２期 均荷载根据规范折算为１２ｋＮ／ｍ的均布荷载。 图１ ＥＯ２００剖面数值模型图 图２ Ｅ９４００剖面数值模型图 图３ Ｅ９６００剖面数值模型图 剖面产状模型分为三种材料：饱和粉质粘土、页 岩和玄武岩。采用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ材料模型㈨，考 虑几何非线性即大变形计算。 表１模型力学参数 断面 质 ） ／ ／ ） ２．３边坡模型网格划分 采用自由划分方式将所建立的平面应变模型离 散成为三角形有限元网格，并对局部进行网格加密， 以便于数值分析，见图４一图６。 图４ Ｅ９２００剖面原始网格图 ３滑动圆弧的确定 据统计，粘土边坡的滑坡一般为剪切破坏，滑动 面即为剪切破坏面。土体破坏是一个弹塑性过程， 假定边坡处于不稳定状态或正处在发展期，则在相 同的受力条件下，先前的塑性区应先期进入破坏状 态，进而向其它相关部位发展，最后导致滑坡面的联 通，产生滑坡。从滑坡面形状的角度出发，均质粘土 土坡滑动面的形状按塑性理论分析为对数螺旋线曲 面，接近于圆弧面，故在计算中通常以圆弧面代替。 该方法也被实际情况所验证，绝大多数粘土边坡滑 移面为圆弧状 Ｊ。粘土边坡滑移面的确定兼顾了 边坡体剪应力和等效塑性应变二者的情况，最终确 定滑移圆弧作为分析的危险滑移面。 图５ Ｅ９４００剖面原始网格图 图６ Ｅ９６００剖面原始网格图 具体分析过程中，利用ＡＮＳＹＳ生死单元功能来 实现煤的开挖，提取剪应力和等效塑性应变分布图， 并根据这两个结果来确定边坡的滑移面，见图７一 见１２。 ＳＴＥＰ＝３ ＳＵＢ＝２４ ０ ｒ ０．００２４４８ ０．００４８９５ ０．６２１Ｅ一０３ ０．００３０６ ０．００５５６３ 图７ Ｅ９２００剖面开挖后的ｆ 和等效塑性应变图 ４稳定性分析 ４．１有限元稳定性分析原理 （１）图１３表示破坏面上一个点的应力情况，其 中应力ｄｒ ｄｒ 丁 用有限元法计算。如果破坏面与 水平面的倾角为 ，则破坏面上的正应力和剪应力 可由下列两个公式计算［８ ］。 １ １ ｒｄａ＝寺（ ＋ｄｒｙ）一寺（（ｒｘ—Ｏ＇ｙ）ＣＯＳ２０＋％ｓｉｎ２０．（１） － 在计算中，将破坏面划分为若干个等长部分，每 维普资讯 http://www.cqvip.com 贾金刚 李 珩等：抚顺东露天煤矿南帮边坡稳定性数值分析 ２００７年ｌ２月第ｌ２期 个部分有两个端点。每个部分中的水平应力、垂直 应力和剪应力由其周围单元的应力内插求得。然 后，由各个部分的中点应力、倾角计算其正应力和剪 应力。 １滑移线Ａ 一 水沟 —、—— ：：： 、、 ＼ ＇、、 回．固 一水沟 一—．．—、＝＝＝：： 、、 圈８ Ｅ９２００剖面开挖后上部假定滑弧Ａ和Ｂ圈 ｅ ０ ．００９３２８．０１８６５７．０２７９８５．０３７３１４ ．００４６６４ 。０１３９９３ ．０２３３２１ ．０３２６６ ．０４２４０２ 图９ Ｅ９４００剖面开挖后ｒ 和等效塑性应变图 ￥４００ —— ＼水沟 玄 石＼ ＼ ＼Ｌ ．、 ＼ ＼ Ｌ ＼ 图１０ Ｅ９４００剖面开挖后上部假定滑弧图 巡Ｚｋ． —— ～ ＼ ＼水沟 ＼ ＼ ＼ 圈ｌ１ Ｅ９６００剖面开挖后上部假定滑弧圈 ．ｒ＝一．ｒＩｙｃ。ｓ２ 一 １（ 一 ｙ）ｓｉｎ２０ （２） ＳＴＥＰ＝３ ＳＵＢ＝４ ｖＧ） ９２５５ ２２９ ０ ．００４５６９ ．００９１３７ ．０１３７０６ ．００２２８４ ．００６８５３ ．０１ １４２２ ．０１５２２９ 图１２ Ｅ９６００剖面开挖后ｒ 和等效塑性应变图 图１３破坏面上一点的应力 由于破坏面上所有应力可以从有限元分析中求 得，因此从以上两个方程可以算出破坏面上各个点 的正应力和剪应力。根据算得的正应力和剪应力， 按莫尔．库仑理论算出所有点的抗剪强度．ｓ： Ｓ＝ｃ＋ ｔａｎ０． （３） 对破坏面上所有点的抗剪强度和剪应力分别求 和，得到总抗剪强度和总剪切力，得出安全系数为： Ｆ＝ ， （４） 式中，△￡为长度增量。 ４．２有限元法稳定性计算 按前述的原理和假定滑弧，计算出安全系数结 果见表２。 表２运用有限元法计算所得安全系数 ２１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第４６４期 ５结论 矿业快报 ２００７年ｌ２月第ｌ２期 集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．７． 露天矿边坡稳定系数高于１．３是稳定的。东露 天煤矿南帮Ｅ９２００剖面和Ｅ９４００剖面上部边坡的 ［２］ 中华人民共和国建设部．岩土工程勘察规范［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社，１９９５．２． ［３］哈秋舱，李建林．三峡工程永久船闸高边坡岩体有限元分析及 其结构优化方案研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９４．６（第１３ 卷），（２）：９５～ｌＯ８． 安全系数Ｆｓ＜１．３，不稳定；而Ｅ９６００剖面上部边坡 的安全系数Ｆｓ＞１．３，稳定。煤矿南帮边坡整体安 全系数Ｆｓ＞１．３，稳定。为了确保当地居民和矿山 企业的生命财产安全，尤其在雨季来临之前，应及时 ［４］郑颖人，沈珠江，龚晚南．岩土塑性力学原理［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社，２００２．１１． ［５］Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｈ．Ｈｕｅｂｎｅｒ，Ｅａｒｌ Ａ．Ｔｈｏｒｎｔｎ．Ｔｈｅｏ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ 对Ｅ９２００－Ｅ９４００上部边坡进行加固处理，并要加强 ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ，１９８２，ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ． 对边坡的观测，以防不测。 ［６］ 张振营．岩土力学［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２ＯＯＯ．８． ２００７年８月由于连日阴雨，Ｅ９２００西侧３０ｍ处 ［７］ 赵经文，王宏钰编著．结构有限元分析［Ｍ］．科学出版社， 发生东西１７０ｍ、南北１１０ｍ的滑坡，以每天０．５ｍ的 ２００１．５． 速度连续下沉达２ｍ左右，造成６户居民的房屋受 ［８］Ｙｕｎｍｅｉ Ｌｉｎ，Ｃｈｕｎ，蚰Ｔａｎｇ，Ｘｉａｉｆｎｇ Ｆｅｎｇ，Ｎｅｗ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｉｎ 到了严重损坏，其滑动面上部拉裂缝与Ｅ９２００剖面 Ｒｏｃｋ ＭｅｃｈａｎｉｃｓＡｎｄＲｏｃｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧ［Ｍ］．ＰｒｉｎｃｔｅｏｎＮＪＵＳＡ， Ｒｉｎｔｎｏ Ｐ１￣８８，２００２．１０． 的第二排楼房基本一致，滑坡前缘为水沟侧墙，与笔 ［９］ 王庚荪．边坡的渐进破坏及稳定性分析［Ｊ］．岩石力学与工程 者对Ｅ９２００假定滑动面的顶、底点基本一致。目 学报，２０００，１９（１）：２９～３３． 前，东露天矿已采取了局部削坡和排水措施。该事 （收稿日期２００７－０９－２５） 故的发生，证明了该地段确有滑坡的可能性，同时也 证明了滑移线确定的正确性。 参考文献： ［１］ 中国建筑学会工程勘察分会．全国岩土与工程学术大会论文 ｛＇・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・・争・ ・・争・・｝ ・信息平台・ 我国“十一五”期间停批３Ｏ万ｔ／ａ以下煤矿项目 “十一五”期间一律停止核准（审批）３Ｏ万ｔ／ａ 井规模不低于ｌ５万ｔ／ａ；福建、江西、湖北、湖南、广 以下的新建煤矿项目。国家发展和改革委员会日前 西等省（区）新建、改扩建矿井规模不低于９万ｔ／ａ。 正式公布了《煤炭产业政策》，进一步明确了煤炭产 其他地区新建、改扩建矿井规模不低于３Ｏ万ｔ／ａ。 业准入门槛。 国家发改委有关领导人特别强调说，鉴于当前 针对不同地区煤藏的实际情况，煤炭产业政策 小煤矿数量多、布局不合理、破坏资源和环境的状况 做出了不同的最低规模要求。其中，山西、内蒙古、 尚未根本改善，煤矿安全生产形势依然严峻，“十一 陕西等省（区）新建、改扩建矿井规模不低于１２０万 五”期间一律停止核准（审批）３Ｏ万ｔ／ａ以下的新建 ｔ／ａ；重庆、四川、贵州、云南等省（市）新建、改扩建矿 煤矿项目。 贵州与广东省企业签署铝土矿资源合作勘查协议 贵州省国土资源厅日前与广东广铝集团有限公 源、清镇市麦区矿区铝土矿资源初步达成了共识。 司、贵州省矿权储备交易局及中国光大国际经济技 据悉，这两个项目勘查工作完成获得预期资源 术合作有限公司在广州分别签署有关合作协议。双 量后，将为黔中地区２００万ｔ氧化铝项目提供资源 方就风险勘查该省清镇猫场矿区远景区铝土矿资 补充，并进一步提高了该省铝工业的资源保障程度。