不同開采位置對邊坡穩定性影響的數值模擬分析

李 武,徐 萍

(山西省地質環境監測中心,太原 030024)

1 斜坡特征

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

該坡體為復合型斜坡,上部由第四系中、上更新統黃土組成,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,整個坡體在平面分布上呈舌形。

坡體頂部后緣裂縫極度發育,垂直于坡向,幾乎貫穿整個坡體，呈一定規模,裂縫發展最寬處可達0.25 m。坡體上部順坡向出現不同程度的呈階梯式下錯,整個坡體破壞嚴重。

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

圖2 坡體地質剖面圖Fig.2 Geological profilemap of the slope

2 不同開采位置邊坡數值模擬分析

本文在分析過程中運用的模擬計算軟件主要為Midas-GTS[4-6]。分析了采空區位于邊坡坡腳、中下部、中部及坡頂部不同部位時的矢量場、應力、塑性應變、穩定性的變化情況。通過室內力學試驗獲得巖體物理力學參數,然后用類比法進行了檢查校正,巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanics parameters of rock-soil mass

2.1 整體位移矢量場分析

采空區相對于坡體位置發生改變,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,采空區正上方巖層破壞變形明顯,主要表現為巖層向采空區中心的下陷。采空區右側巖土體由于坡面形態影響,較左側巖土體變形略大一些。

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

坡體中部進行開挖后,邊坡位移、變形部位主要集中于采空區正上方巖層,其變形強度較采空區位于坡腳、中下部時減弱,右側巖土體變形范圍略強于左側巖土體。

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

綜上4種坡體變形位移情況得知,當采空區位于坡體坡腳及中下部時,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 應力特征變化分析

2.2.1最大主應力變化分析

對坡體不同部位進行開挖,邊坡的最大主應力分布特征也會表現不同,具體見圖4所示。

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

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

2.2.2最小主應力變化分析

對邊坡不同部位進行開挖后,邊坡最小主應力分布特征也會發生變化,具體分析結果見圖5所示。

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

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

2.2.3最大剪應力

對邊坡不同部位進行開挖后,邊坡最大剪應力分布特征也會發生變化,具體分析結果見圖6所示。

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

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

2.3 塑性應變模擬分析

對邊坡不同部位進行開挖后,邊坡塑性應變分布特征也會發生變化,具體分析結果見圖7。

由模擬計算結果可知,當對坡體坡腳位置進行開挖后,邊坡塑型應變情況相較其它工況條件并不算大,此時邊坡整體處于穩定狀態。當對坡體中下部和坡體中部進行開挖后,邊坡塑性變形明顯,變形區域實現了從坡頂到坡體中下部的貫通。兩者相比較,前者塑性變形形成貫通區范圍面積更大,且貫通部位位置向坡腳發生前移,變形量在數值上也有明顯增大。在這種情況下,邊坡貫通區范圍內巖體極易發生下滑、崩塌。當對坡體頂部進行開挖后,邊坡沒有發現有下滑趨勢的塑性變形貫通區,發生塑性變形的區域主要位于坡體后緣部分,對坡體的穩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 穩定性分析

當對邊坡不同部位進行開挖后,坡體出現的可能滑面表現不同,具體見圖8所示。

結果顯示,對坡體坡腳部位進行開挖后,模擬計算所得的可能滑面與開采前由強度折減法計算推測的可能滑面一致,說明下伏煤層的開采對坡體穩定性的影響輕微,該工況下坡體穩定性系數計算結果為1.309,與開采前邊坡穩定性系數計算結果相同,此時坡體處于穩定狀態。

對邊坡中下部進行開挖后,模擬計算坡體出現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。此時,邊坡穩定性系數計算結果為1.143,坡體處于欠穩定狀態。

當對坡體中部進行開挖后,模擬計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,相比較開挖坡體中下部時的情況,滑移所包面積較小,但是位置明顯發生坡向方向前移。此時坡體穩定性系數計算結果為1.193，邊坡仍處于欠穩狀態。

當對坡體頂部進行開挖后,模擬計算滑面形態與對坡腳開挖后大致相同,同樣與開采前由強度折減法計算推測的可能滑面一致,說明該種工況條件下,邊坡穩定性情況變化不大,此時計算所得邊坡穩定性系數為1.281,坡體處于穩定狀態。

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

3 結束語

綜上所述,采空區位于坡體不同部位時,對邊坡穩定性的影響也不同。1)當對坡體中下部進行開挖后,對邊坡穩定性的影響最大,該工況條件下,邊坡出現了從坡體后緣到坡體中下部的塑性變形貫通區,邊坡原應力平衡狀態受到破壞,坡體處于不穩定或欠穩定狀態。2)當對坡體中部進行開挖后,坡體的塑性變形出現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,該處極易發生或者引起一定規模的局部滑塌。3)對坡體坡腳或坡體頂部進行開挖后,相比較前面二者的工況條件,對邊坡的穩定性影響不大或基本沒有影響。