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摘要：针对露天矿山存在的开采边坡稳定性低的问题，首先对边坡稳定性进行了理论分析，介绍了圆弧法和边坡滑动条件；在此基础上，对边坡稳定性进行了数值模拟研究，制定了边坡稳定性数值模拟研究思路和流程，建立边坡稳定性数值模拟模型，得到剪切应变增量、位移矢量、最大主应力和最小主应力的数值模拟结果；在数值模拟的基础上，对实际矿山进行边坡削坡治理，治理结果表明稳定性系数稳定在1.2以上，符合边坡防范设计规范，保证了矿区正产开采的安全。
关键词：露天矿山；边坡；稳定性；数值模拟
0引言
随着科学技术的进步，矿产资源逐渐也成为社会经济发展不可或缺的物质基础，对我国工业化发展、现代化建设起到至关重要的作用”。目前，露天矿山越有5.47万座，通常为浅凹型露天矿，开采深度在100 m以内，但随着开采需求的增加，开采深度不断加深，达到400~500m，这大大增加了滑坡等边坡灾害的发生12-31。同时，矿山开采规模的不断扩大，露天矿山开采边坡稳定性低、安全隐患风险大、越来越影响开采安全[4]。露天矿山边坡存在安全隐患，主要需要对边坡稳定性进行有效控制，使边坡稳定性满足矿山的开采需求(5-6]。本文针对露天矿山存在的开采边坡稳定性低的问题，对边坡稳定性进行了数值模拟研究，为露天矿山边坡灾害治理提供理论依据。
1边坡稳定性控制与分析
边坡稳定影响因素较多，通常按照大类可以分为内在因素和外在因素两方面。对于露天矿山开采，边坡存在安全隐患，需要对露天矿山的边坡稳定性进行控制。分析时通常采用圆弧法进行分析。对于边坡还未发生断裂时，边坡可以视作二维平面，将边坡的滑动面简化为一个圆弧，在受力情况下分解为切向力和法向力，如式(1)所示:
式中：Ni和Ti分别为圆弧法向力和切向力，N；Wi为滑面重力，N；θi为倾角，(°)。
当圆弧受力时，可以对滑坡模型进行分析，通过计算边坡滑动力矩来判断边坡的抗滑能力，如式（2所示：
式中：ci为滑体的黏聚力，N；φi为滑体的摩擦角，(°);li表示滑体的长度，m。
通过式(2)可以实现对滑体力矩的控制，使得边坡具备稳定受力的条件，进而对边坡的损坏情况进行判断。
边坡稳定情况下，滑体和滑坡受力均匀，处于相对静止状态。当受力发生变化，可能会发生滑坡现象。发生滑坡现象需要同时满足两个条件:坡面角度a大于20°;摩擦力小于下滑力。具备以上两个条件，滑体便具备了下滑条件。为了确保边坡稳定性，需要对不稳定性因素进行抑制，并分析影响因素。
2数值模拟研究
边坡稳定性分析过程中，通常采用FLAC-3D仿真软件对边坡受力进行数值模拟分析，准确掌握其受力情况并可视化，在边坡数值模拟中广泛使用。
2.1边坡稳定性数值模拟思路和流程
为了对露天矿山边坡稳定状态充分了解，需要定量求解出安全系数，利用拉格朗日差分法进行数值模拟计算。为了得到边坡破坏方式、滑动相应的安全系数，利用FLAC-3D仿真软件进行数值模拟求解，其流程图，如图1所示。首先，需要确定边坡稳定性数值分析模拟的材料属性的力学特征和相关参数，在此基础上，建立边坡FLAC-3D四面体模型。根据材料属性的力学特征，编写对应的程序以对其进行模拟求解。对模型进行计算求解，分别找出边坡破坏的安全系数并确定破坏模式。对计算求解结果进行分析，确定两种模型的最佳模拟结果以使模拟结果真实可靠。最后，在模拟结果的技术上，搜索并保存最快有可能滑动面附近的坐标点，确定滑动位置。
2.2边坡稳定性数值模拟
为了验证边坡稳定性数值模拟结果的可靠性，对某实际露天矿山进行稳定性计算分析。某露天矿山边坡典型岩石的物理力学性质，如表1所示。通常在数值模拟时，为了减少模型单元划分，建模师将青灰色白云岩、灰白色白云岩和泥质白云岩合并为白云岩组。考虑到边坡稳定性数值模拟的观测性和计算机实际的计算能力，确定数值模拟的计算范围即模型尺寸参数，如表2所示。
根据以上参数，可以在FLAC-3D软件中建立四面体模型，如图2所示。
数值模拟计算得到的四面体模型边坡剪切应变增量云图,如图3所示。可以看出在边坡产生滑动时出现了滑动趋势，在图中可以看到塑性贯通区域，滑动外侧网格点的速度大于其他区域的网速点速度，这表明滑坡已经出现，稳定性遭到破坏。这时可以计算出安全系数为1.8，坡面中部区域和上部区域具有较大速度，在坡面的中部出现了最大速度。
边坡稳定性另一重要评价指标时位移，由位移矢量图中可以观测处边坡的滑动趋势。四面体边模型坡位移等值云图，如图4所示。可以看出边坡位移等值线从边坡顶部倾斜进入而从边坡坡面切出并相交于坡面，等值线拐点处的切线与坡面平行。此外，数值模拟的四面体模型上部坡面位移矢量与下部的坡面位移矢量平行，而中部坡面位移矢量与下部的坡面位移矢量垂直，分别表现出“剪切”和“剪出”的特征。
如图5所示为四面体模型边坡最大主应力云图和最小主应力云图。可以看出，最大主应力和最小主应力在模拟过程中力场相同，都是从上至下、从坡内到坡外逐渐增大。最大主应力数值模拟结果为8.03×106 Pa和1.73×107 Pa，可以看出最大主应力的最大值小于最小主应力的最大值，这说明在数值模拟过程中出现了拉应力，拉应力对四面体应力模拟的数值结果产生了较大影响。3应用效果
在上节仿真的基础上，并根据露天矿山实际情况制定方案，减轻边坡岩体的载荷以避免压力过大而发生推移变形，保证矿山安全稳定生产。某矿山采用并实施该治理方案18个月后，通过统计累计削坡排土量达到89万m3，治理完成后监测边坡下沉变形量发现大幅下降，保证了矿山安全并正，常开采。根据实际勘探数据并进行稳定性分析，得到露天矿山边坡稳定性系数，如表3所示。
由表3可以看出，对边坡进行削坡治理后，边坡坡角变小，稳定性大大增强，稳定性系数稳定在1.2以上，符合边坡防范设计规范，保证了矿区正产开采的安全。4结论
针对露天矿山开采边坡稳定性低、安全隐患风险大、越来越影响开采安全的问题，首先对边坡稳定性进行了理论分析，介绍了圆弧法和边坡滑动条件；在此基础上，对边坡稳定性进行了数值模拟研究，制定了边坡稳定性数值模拟研究思路和流程，建立边坡稳定性数值模拟模型，得到剪切应变增量、位移矢量、最大主应力和最小主应力的数值模拟结果；在数值模拟的基础上，对实际矿山进行边坡削坡治理，治理结果表明稳定性系数稳定在1.2以上，符合边坡防范设计规范，保证了矿区正产开采的安全。
参考文献
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[6]张丹丹，付俊，石飞.江西某金属矿露天采区边坡稳定性分析[J].世界有色金属，2022（22）：190-194.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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露天矿山开采边坡稳定性数值模拟研究论文
人参与 2025-04-06 10:07:12 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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