海州礦南幫邊坡三維數值分析

喬云航

（1.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室東北中心，遼寧 沈陽 110013）

通過對海州礦南幫邊坡呈現的變形破壞機制分析，這里的巖體質量在空間上呈現出非常明顯的不均一性。基于材料均一性角度進行分析，通過三維地質力學模型來完成對南幫邊坡所具有的應力場分布特征進行模擬，從而更貼近實際情況。

本文研究中主要是基于有限元軟件ANSYS來實現南幫邊坡的模型仿真，進行三維數值模擬分析，從而可以對應力變形分布進行剖析[1，2]。基于強度折減法實現對安全系數的計算。

當前基于有限元分析方法對邊坡安全系數進行計算主要有滑面搜索法和強度折減法這兩種計算方法[3,4]。強度折減法的主要思路是：確定初始折減系數，然后對巖土體初始強度參數折減，公式為：

在邊坡模型中輸入折減后的參數，從而進行有限元計算，如果程序呈現收斂狀態，那么說明巖土體處于穩定狀態；接著增大折減系數F，當程序開始不收斂的時候，就可以確定折減次數F即為巖土體的安全系數。

1 建模思路

在進行三維數值模型構建過程中，由于需要模擬的區域條件比較復雜，我們基于分區簡化思路進行建模。把需要模擬的邊坡劃分為E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四個區域，具體劃分見下圖2所示，接下來我們分別對4個區域模擬分析。

2 巖土參數

其他學者已經針對海州礦北幫邊坡展開比較多的巖體力學性質研究，在研究過程中也針對一些主要層位展開了原位測試；在進行建模分析前，對南幫邊坡進行了實地勘察及測試，通過參閱相關的勘察報告以及相關文獻資料中記載的巖體物理力學參數，最終確定了模型穩定性分析的輸入數值，這些數值如表1所示。

表1 海州露天礦南幫三維分析巖土參數取值表

3 邊坡三維數值模擬分析

圖1 E5-EW0-W5有限元模型及網格劃分圖

構建三維模型，模型所具有的尺寸信息為，長度為S500-SN0為500m，寬度為剖面E5-E10為500m，模型高度350m，標高-150m～+200m；下面圖3是E5-E10區域平面圖，接著對模型進行網格劃分，最終確定了有限元網格，具體信息如圖2所示。

對有限元模型進行計算分析，下面圖就是對E5-E10區域計算得到位移云圖：

圖2 E5-E10 x位移云圖

圖3 E5-E10 y位移云圖

通過模型分析計算得到的云圖可以得知，研究的區域邊坡變形發生在標高+50m～-50m，通過進一步分析可知，主要是因為煤層自然或者是中間層開采導致的這一結果，需要針對這一區域加強監測并制定有效防護措施。

4 總結

對海州礦南幫邊坡呈現的變形破壞機制分析，這里的巖體質量在空間上呈現出非常明顯的不均一性。把海州礦南幫研究區劃分為E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四個區域，本文研究中主要是基于有限元軟件ANSYS來實現南幫邊坡的模型仿真，由于需要模擬的區域條件比較復雜，我們基于分區簡化思路進行建模，進行三維數值模擬分析，從而可以對應力變形分布進行剖析，得到研究區域的應力分布特征。