曙光煤業(yè)矸石山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析與綜合評價技術(shù)應(yīng)用研究

李如仙

(山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，局部區(qū)域位于晉中介休市和靈石縣境內(nèi)，井田構(gòu)造較為簡單。井田內(nèi)主要可采煤層有2號、3號、9號、10+11號煤層，曙光礦矸石山基地沿東西方向為寬，沿南北方向為長，長×寬=53 km×50 km，矸石山邊坡的垂直高度為8 m，邊坡走向為東西方向，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計和調(diào)研，該地區(qū)的“U”型山谷已經(jīng)被大量的矸石覆蓋，矸石的充填推平基本完成，具體矸石山排矸作業(yè)如圖1所示，填充的矸石散體平均厚度為26 m，現(xiàn)為保障矸石山的穩(wěn)定，需對矸石山邊坡的穩(wěn)定性進行有效評價。

圖1 曙光煤礦矸石山排矸作業(yè)

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

曙光礦矸石山主要由碎石、砂泥土和夾矸層碎石組成，其中開采煤層中的夾矸及煤層頂板垮落巖層為矸石山中巖石的主要部分，碎石顆粒直徑為4～20 mm，碎石與碎石之間表現(xiàn)為松散排列，且孔隙較大，基于矸石山內(nèi)碎石的特征，選用適合松軟顆粒體的數(shù)值模擬軟件GeoStudio進行模擬作業(yè)，對于矸石的物理力學(xué)性質(zhì)，該研究通過現(xiàn)場取樣，實驗室內(nèi)測試獲得；由于基巖已被多年堆積的矸石所覆蓋，這給現(xiàn)場取樣帶來了極大的困難，因此，通過參考曙光礦地質(zhì)資料與國內(nèi)其他工程的方法確定其參數(shù)；矸石山表面所覆黃土物理性質(zhì)相對來說比較穩(wěn)定，參考其他文獻[1-3]確定其物理性質(zhì)；最終將表土、矸石、基巖的力學(xué)參數(shù)匯總，見表1。

表1 各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)曙光煤業(yè)矸石山的具體特征，建立數(shù)值模擬模型長度為120 m，基巖高度為18 m，矸石散體高度為26 m，矸石表面覆土厚度為2 m。模擬主要對矸石山進行覆土前后邊坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行分析，為滿足實際矸石山的特征，建立數(shù)值模擬模型時，使用三角形和四邊形相結(jié)合的網(wǎng)格，具體數(shù)值模擬模型及網(wǎng)格劃分示意如圖2所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 覆土前自然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

圖3中線條區(qū)域為邊坡潛在滑動面，其余部分條塊為土條塊，分析圖3可知，在矸石山未進行覆土前，其邊坡安全系數(shù)FS=1.742，邊坡的整體安全系數(shù)>1，這即說明自然狀態(tài)下的矸石山不會出現(xiàn)坍塌與滑坡現(xiàn)象，矸石山在整體上表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 數(shù)值模型有限元網(wǎng)格劃分

圖3 覆土前自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

覆土前矸石山土條應(yīng)力曲線和土條塊16的受力狀態(tài)，見圖4。

圖4 覆土前矸石山土條應(yīng)力曲線和

由圖4(a)可知，覆土前矸石山土條間的法應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著X軸向距離的增大，均表現(xiàn)為先逐漸增大，后達到峰值后減小的現(xiàn)象，土條間法向力與剪切力的最大值均在X=85 m的位置處出現(xiàn)，基于圖4(b)中土條塊的受力分析得出最大剪切力和法向力分別為62.991 kN和119.63 kN。

2.2.2 覆土后自然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

覆土后自然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析如圖5所示。

圖5 覆土后自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

通過具體分析圖5可知，矸石山覆土后的安全系數(shù)FS為1.718，與覆土前相比減小1.742，這即表明在矸石山進行覆土后整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會出現(xiàn)坍塌與滑坡現(xiàn)象，但相較于覆土前的矸石山，其穩(wěn)定性出現(xiàn)下降。

覆土前矸石山土條應(yīng)力曲線和土條塊16的受力狀態(tài)，見圖6。

圖6 覆土后矸石山土條應(yīng)力曲線和

通過具體分析圖6(a)可知，覆土后矸石山土條間法向力和剪切力隨X軸距離的增大表現(xiàn)為與覆土前土條間應(yīng)力相同的變化規(guī)律，土條間剪切力與法向力的最大值同樣在X=85 m的位置處出現(xiàn)，最大值分別為65.76 kN和121.94 kN，最大剪切力與法向力與覆土前相比均增大，這便是導(dǎo)致覆土后矸石山整體穩(wěn)定性減小的主要原因。

3 邊坡穩(wěn)定性評價

評價邊坡的穩(wěn)定性僅采用數(shù)值模擬，結(jié)果是存在一定局限性的，該次曙光煤業(yè)矸石山穩(wěn)定性評價不僅采用數(shù)值模擬進行評價的方法，同時還采用理論分析、現(xiàn)場實測與模糊評價分析進行邊坡穩(wěn)定性的分析，其中現(xiàn)場實測采用全站儀與RTK對矸石山整體變形進行實測。

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，矸石山基地的變形值都較小，即矸石山基地整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的評價結(jié)果可知邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)為有效綜合各種分析結(jié)果，通過模糊數(shù)學(xué)方法，針對不同分析結(jié)果得出的結(jié)論進行整和，進而得出一個統(tǒng)一、準確的邊坡穩(wěn)定性的結(jié)論。

1) 建立評價層次模型：將矸石山邊坡穩(wěn)定性劃分為4個等級，分別為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定，對應(yīng)評語集V=(I，II，III，IV)；評價著眼因素分別為運用理論計算、數(shù)值分析、現(xiàn)場觀測和模糊評價這4種方法所得穩(wěn)定性結(jié)論，對應(yīng)著眼因素集合U=(理論計算，數(shù)值分析，現(xiàn)場觀測，模糊評價)。

建立如圖7所示的層次分析模型。

圖7 邊坡穩(wěn)定性多方法綜合評價層次模型

2) 確定評價指標分級標準：對于理論計算和數(shù)值分析所得穩(wěn)定安全系數(shù)，參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)的規(guī)定，當安全系數(shù)FS<1時，穩(wěn)定性級別為IV級；當安全系數(shù)1≤FS≤1.05時，穩(wěn)定性級別為III級；當安全系數(shù)1.05≤FS≤1.35時，穩(wěn)定性級別為II級；當安全系數(shù)FS>1.35時，穩(wěn)定性級別為I級。采用模糊評價方法所得相對穩(wěn)定性級別的隸屬度直接引用前文，在此不再單獨詳細討論其分級標準與隸屬函數(shù)?，F(xiàn)場觀測結(jié)果相對穩(wěn)定性級別的隸屬度采用專家評定法，由專家根據(jù)經(jīng)驗直接給出，在此也不再詳細列出分級標準。

3) 確定參評因素相對級別隸屬度：對于理論計算與數(shù)值分析所得安全系數(shù)相對4個穩(wěn)定性級別的隸屬度，統(tǒng)一采用嶺形隸屬函數(shù)，即：

(1)

以上各式中，a1，a2分別為級別界限值，x為實測值。對于巖土類型、坡體結(jié)構(gòu)和坡面形態(tài)三類離散型著眼因素，其相對級別的隸屬度采用專家評定法確定。權(quán)向量的確定采用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣確定。

對于理論分析所得安全系數(shù)FS1，帶入相關(guān)參數(shù)可得FS1=1.21；GeoStudio數(shù)值模擬軟件所得覆土后矸石山邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)FS2=1.718。計算可得R1=(0,1,0,0)、R2=(1,0,0,0)。

對于現(xiàn)場觀測結(jié)果，采用專家評定法得其相對級別的隸屬度R3=(0.9,0.1,0,0)。引用前文結(jié)論，模糊評價結(jié)果相對級別的隸屬度R4=(0.372 8, 0.371 3, 0.149 7, 0.106 2)。

4) 確定權(quán)向量：在邊坡穩(wěn)定性(W)指標層下，理論計算(W1)，數(shù)值分析(W2)，現(xiàn)場觀測(W3)，模糊評價(W4)之間的兩兩判斷矩陣見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性著眼因子判斷矩陣

(2)

(3)

滿足一致性檢驗。這樣的計算結(jié)果和權(quán)重確定是可以接受的。

5) 綜合評價：由以上結(jié)果可得，參評因素隸屬度矩陣R為：

(4)

則可得出總的(二級)綜合評價結(jié)果，這也是著眼因素U={u1,u2,…,um}的綜合評價結(jié)果為：

(5)

6) 評價結(jié)果分析。根據(jù)最大隸屬度原則，maxbj=b1=0.622，作為相對應(yīng)的評語等級，為I級，說明曙光礦矸石山邊坡屬于穩(wěn)定狀態(tài)。采用改進后的判斷原則：設(shè)評語集V=(I, II, III, IV)中，對各個評語賦值為ai，其中I，II，III，IV分別取值4，3，2，1，定義運算值M，令：

(6)

可得：

M=0.622×4+0.301×3+0.045×2×0.032×1

=3.513

(7)

M值介于3和4之間，表明矸石山邊坡穩(wěn)定性等級介于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定之間。但是M值相對來說更為接近4，說明曙光礦矸石山邊坡穩(wěn)定性更偏向于穩(wěn)定的狀態(tài)，這與最大隸屬度原則是吻合的。

4 結(jié) 語

根據(jù)曙光煤礦矸石山的特征，文中具體介紹了采用數(shù)值模擬方式進行矸石山邊坡穩(wěn)定性評價的過程，基于模擬結(jié)果可知矸石山覆土前后均處于穩(wěn)定狀態(tài)，且覆土后穩(wěn)定性下降。為全面分析矸石山穩(wěn)定性，采用模糊數(shù)學(xué)進行理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測和模糊評價結(jié)論的整和，根據(jù)評價結(jié)果可知，曙光礦矸石山邊坡穩(wěn)定性等級介于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定之間，且更偏向于屬于穩(wěn)定的狀態(tài)。