不同開采位置對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

李 武,徐 萍

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

1 斜坡特征

邊坡下伏的煤層開采對邊坡的穩(wěn)定性具有很大的影響,甚至是邊坡失穩(wěn)的決定因素[1-3]。文中為了研究不同開采條件對邊坡穩(wěn)定性的影響,選取山西省某礦區(qū)失穩(wěn)坡體作為研究對象,某礦斜坡坡體特征見圖1,坡體地質(zhì)剖面圖,見圖2。

該坡體為復(fù)合型斜坡,上部由第四系中、上更新統(tǒng)黃土組成,下部由二疊系和石炭系地層組成。坡體坡向105°,長約180 m,寬約380 m,坡度30°～45°,上部較陡,坡高100 m出頭,整個(gè)坡體在平面分布上呈舌形。

坡體頂部后緣裂縫極度發(fā)育,垂直于坡向,幾乎貫穿整個(gè)坡體，呈一定規(guī)模,裂縫發(fā)展最寬處可達(dá)0.25 m。坡體上部順坡向出現(xiàn)不同程度的呈階梯式下錯(cuò),整個(gè)坡體破壞嚴(yán)重。

圖1 斜坡坡體特征Fig.1 Characteristics of the slope

圖2 坡體地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profilemap of the slope

2 不同開采位置邊坡數(shù)值模擬分析

本文在分析過程中運(yùn)用的模擬計(jì)算軟件主要為Midas-GTS[4-6]。分析了采空區(qū)位于邊坡坡腳、中下部、中部及坡頂部不同部位時(shí)的矢量場、應(yīng)力、塑性應(yīng)變、穩(wěn)定性的變化情況。通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)獲得巖體物理力學(xué)參數(shù),然后用類比法進(jìn)行了檢查校正,巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of rock-soil mass

2.1 整體位移矢量場分析

采空區(qū)相對于坡體位置發(fā)生改變,坡體整體位移矢量變化也會不同,坡體整體位移矢量變化見圖3。

坡腳開挖后,采空區(qū)正上方巖層破壞變形明顯,主要表現(xiàn)為巖層向采空區(qū)中心的下陷。采空區(qū)右側(cè)巖土體由于坡面形態(tài)影響,較左側(cè)巖土體變形略大一些。

坡體中下部進(jìn)行開挖后,邊坡整體位移變形明顯強(qiáng)于采空區(qū)位于坡腳時(shí)的變形。由于地形影響,右側(cè)巖土體變形范圍是左側(cè)巖土體變形范圍的2倍,其位移主要表現(xiàn)為沿坡面的下滑。

坡體中部進(jìn)行開挖后,邊坡位移、變形部位主要集中于采空區(qū)正上方巖層,其變形強(qiáng)度較采空區(qū)位于坡腳、中下部時(shí)減弱,右側(cè)巖土體變形范圍略強(qiáng)于左側(cè)巖土體。

坡體頂部開挖后,采空區(qū)正上方巖層破壞變形明顯,主要表現(xiàn)為巖層向采空區(qū)中心的下陷。需特別指出的是坡體幾乎沒有沿坡面的下滑位移現(xiàn)象。

綜上4種坡體變形位移情況得知,當(dāng)采空區(qū)位于坡體坡腳及中下部時(shí),對坡體造成的X方向上的下滑位移較為明顯,其中,后者尤甚。

圖3 坡體整體位移矢量變化圖Fig.3 Vector variation of the integral displacement of the slope

2.2 應(yīng)力特征變化分析

2.2.1最大主應(yīng)力變化分析

對坡體不同部位進(jìn)行開挖,邊坡的最大主應(yīng)力分布特征也會表現(xiàn)不同,具體見圖4所示。

由模擬結(jié)果可知,雖然坡體開挖位置不同,但最大主應(yīng)力的分布位置基本不變,主要集中于采空區(qū)上方及采空區(qū)左右邊界處。當(dāng)對坡體坡腳、坡體中下部、坡體中部及坡體頂部等不同部位進(jìn)行開挖時(shí),最大應(yīng)力均為作用于采空區(qū)右邊界巖層的壓應(yīng)力,分別為6.62 MPa、10.87 MPa、10.68 MPa、10.36 MPa。

圖4 最大主應(yīng)力變化對比圖Fig.4 Contrast diagram of the maximum principal stress variation

2.2.2最小主應(yīng)力變化分析

對邊坡不同部位進(jìn)行開挖后,邊坡最小主應(yīng)力分布特征也會發(fā)生變化,具體分析結(jié)果見圖5所示。

模擬計(jì)算結(jié)果表明,雖然開采部位不同,坡體的最小主應(yīng)力均集中分布于采空區(qū)左右邊界及頂板中心上覆巖層。當(dāng)對坡體坡腳、坡體中下部、坡體中部及坡體頂部等不同部位進(jìn)行開挖后,該應(yīng)力值分別為17.38 MPa、71.20 MPa、50.20 MPa、40.55 MPa。

圖5 最小主應(yīng)力變化對比圖Fig.5 Contrast diagram of the minimum principal stress variation

2.2.3最大剪應(yīng)力

對邊坡不同部位進(jìn)行開挖后,邊坡最大剪應(yīng)力分布特征也會發(fā)生變化,具體分析結(jié)果見圖6所示。

從圖6看出,在斜坡的4種不同部位開采時(shí),坡體最大剪應(yīng)力的分布范圍主要為采空區(qū)左右邊界頂板及頂板中心上覆巖層位置,其中,左側(cè)邊界頂板巖層所受應(yīng)力最大。當(dāng)對坡體坡腳、坡體中下部、坡體中部及坡體頂部等不同部位進(jìn)行開挖后,該應(yīng)力值分別為6.36 MPa、31.50 MPa、22.68 MPa、17.55 MPa。比較所受應(yīng)力值大小,結(jié)果表明對坡體中下部開挖極易引起采空區(qū)左側(cè)邊界頂板巖層發(fā)生變形破壞。

圖6 最大剪應(yīng)力變化對比圖Fig.6 Contrast diagram of the maximum shear force variation

2.3 塑性應(yīng)變模擬分析

對邊坡不同部位進(jìn)行開挖后,邊坡塑性應(yīng)變分布特征也會發(fā)生變化,具體分析結(jié)果見圖7。

由模擬計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)對坡體坡腳位置進(jìn)行開挖后,邊坡塑型應(yīng)變情況相較其它工況條件并不算大,此時(shí)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)對坡體中下部和坡體中部進(jìn)行開挖后,邊坡塑性變形明顯,變形區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了從坡頂?shù)狡麦w中下部的貫通。兩者相比較,前者塑性變形形成貫通區(qū)范圍面積更大,且貫通部位位置向坡腳發(fā)生前移,變形量在數(shù)值上也有明顯增大。在這種情況下,邊坡貫通區(qū)范圍內(nèi)巖體極易發(fā)生下滑、崩塌。當(dāng)對坡體頂部進(jìn)行開挖后,邊坡沒有發(fā)現(xiàn)有下滑趨勢的塑性變形貫通區(qū),發(fā)生塑性變形的區(qū)域主要位于坡體后緣部分,對坡體的穩(wěn)定性并不會形成較大的影響。

圖7 塑性變形對比圖Fig.7 Contrast diagram of plastic deformation

2.4 穩(wěn)定性分析

當(dāng)對邊坡不同部位進(jìn)行開挖后,坡體出現(xiàn)的可能滑面表現(xiàn)不同,具體見圖8所示。

結(jié)果顯示,對坡體坡腳部位進(jìn)行開挖后,模擬計(jì)算所得的可能滑面與開采前由強(qiáng)度折減法計(jì)算推測的可能滑面一致,說明下伏煤層的開采對坡體穩(wěn)定性的影響輕微,該工況下坡體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.309,與開采前邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果相同,此時(shí)坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對邊坡中下部進(jìn)行開挖后,模擬計(jì)算坡體出現(xiàn)的可能滑面位置見圖8-b,其滑面從坡頂后緣到坡體中下部出現(xiàn)貫通,滑面所包范圍較大,在受到震動、降雨、凍融的情況下,坡體極易失穩(wěn)。此時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.143,坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)對坡體中部進(jìn)行開挖后,模擬計(jì)算所得的可能滑面見圖8-c。同樣形成了從上到下的貫通區(qū),相比較開挖坡體中下部時(shí)的情況,滑移所包面積較小,但是位置明顯發(fā)生坡向方向前移。此時(shí)坡體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.193，邊坡仍處于欠穩(wěn)狀態(tài)。

當(dāng)對坡體頂部進(jìn)行開挖后,模擬計(jì)算滑面形態(tài)與對坡腳開挖后大致相同,同樣與開采前由強(qiáng)度折減法計(jì)算推測的可能滑面一致,說明該種工況條件下,邊坡穩(wěn)定性情況變化不大,此時(shí)計(jì)算所得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.281,坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 最危險(xiǎn)滑面對比圖Fig.8 Contrast diagram of the most dangerous sliding surface

3 結(jié)束語

綜上所述,采空區(qū)位于坡體不同部位時(shí),對邊坡穩(wěn)定性的影響也不同。1)當(dāng)對坡體中下部進(jìn)行開挖后,對邊坡穩(wěn)定性的影響最大,該工況條件下,邊坡出現(xiàn)了從坡體后緣到坡體中下部的塑性變形貫通區(qū),邊坡原應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,坡體處于不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定狀態(tài)。2)當(dāng)對坡體中部進(jìn)行開挖后,坡體的塑性變形出現(xiàn)了從上部到中部的局部貫通,在凍融、降雨等外界條件的影響下,該處極易發(fā)生或者引起一定規(guī)模的局部滑塌。3)對坡體坡腳或坡體頂部進(jìn)行開挖后,相比較前面二者的工況條件,對邊坡的穩(wěn)定性影響不大或基本沒有影響。