露天矿含斜交断层顺倾层状边坡稳定性三维数值模拟

为揭示露天矿含斜交断层顺倾层状边坡的变形破坏规律及其力学成因机制、明确断层对边坡变形与稳定性的影响,以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程背景,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,对含斜交断层顺倾层状边坡稳定性进行了三维数值模拟。结果表明:元宝山露天矿东帮边坡的滑坡模式为以4#弱层为底界面、以断层面与椭球面相交形成的不规则曲面为侧界面的切层-顺层滑动;边坡整体稳定性较好,其滑坡的力学成因机制类型为推动式;多个顺倾弱层对边坡变形具有叠加效应,而斜交断层的切割会一定程度上削弱弱层对边坡变形的控制作用。     

基于CDEM露天煤矿顺倾软岩边坡三维稳定性分析

为解决露天煤矿顺倾层状软岩边坡稳定性这一技术难题,基于连续介质离散元数值模拟方法,从理论上探讨了降深与清帮至不同位置对顺倾软岩边坡稳定性的影响。结合白音华一号矿南帮工程实例,针对各煤层降深及清帮方案,基于CDEM数值算法对边坡稳定性进行计算,对比分析了坡体位移、应力分布及演化特征,进而阐明多个弱层对复合边坡产生的叠加效应,以及清帮减载对边坡稳定性的影响。结果表明,白音华一号矿首采区南帮边坡变形不会对南排土场稳定性造成影响,揭露多个弱层对边坡变形与稳定性下降有一定的叠加效应,清帮不能显著提高边坡稳定性,但可减小作用在弱层上的法向应力和剪切应力,进而减缓滑坡发生的过程,提高边坡动态发展过程中的安全性。     

露天矿含弱层边坡三维危险滑面构建及稳定性计算

露天矿含弱层边坡稳定性分析是露天开采领域中的一个重要研究内容,实际工程问题复杂多样,基于二维计算会导致结果偏于保守,有时无法满足复杂工程的需要,因此,开展含弱层边坡三维稳定性分析的研究是很有必要的。基于标准椭球,对其进行空间几何变换,与边坡插值生成一种由x_a等6个参数控制的椭球危险滑面,将椭球滑面与弱层结构面进行组合插值,构建含弱层边坡三维危险滑面;使用三维剩余推力法和遗传算法计算边坡稳定性系数并进行最危险滑面搜索,使用经典算例对方法进行验证,发现含弱层边坡随着滑体宽度增加稳定性系数逐渐降低。以锡林浩特某露天矿为应用实例,对东北帮含弱层边坡进行三维稳定性计算,验证了方法在实际工程中的适应性。     

含多弱层复合边坡滑坡治理三维数值分析

白音华二号矿滑坡区边坡治理工程是针对稳定性差的南帮非工作帮和南排土场构成的复合边坡进行的。滑坡体受多层弱层控制,治理过程中易导致边坡失稳,所以治理工程采取分区开采的条采方案,充分利用边坡治理的三维效应来进行边坡的失稳破坏研究和稳定性分析。选取滑坡区的典型剖面作为研究对象,基于强度折减方法(SRM),应用有限差分FLAC3D软件,在两种开挖条件下,对含多弱层的复合边坡的稳定性规律和破坏机制进行了数值模拟分析,揭示了多弱层对复合边坡的失稳破坏及稳定性的影响。研究结果表明,治理工程中,弱层被揭露一定宽度,滑体沿煤底板弱层水平错动、竖直方向拉裂破坏;随弱层暴露宽度的增加,边坡稳定性明显降低,说明治理边坡具有三维效应;开挖至3-3煤层底板,开挖坡角20°,弱层暴露宽度为400m,边坡的稳定系数刚好达到安全储备系数1.1,建议矿方首选此方案,可以最大限度的回收煤炭资源。     

扎哈淖尔露天煤矿南帮压煤回采边坡稳定性分析

针对露天矿边帮普遍存在的压煤问题,基于极限平衡及强度折减理论,从控制边坡稳定性角度出发,结合扎哈淖尔露天煤矿南帮软岩边坡工程实际,通过定量计算与定性分析,提出横采内排压帮开采方式。采用二维刚体极限平衡与三维数值模拟相结合的方法分析了横采深部开挖角度及内排跟踪距离对边坡稳定性的影响及其程度,优化设计了扎哈哈淖尔露天矿横采南帮边坡形态。结果表明:南帮边坡滑坡模式为以IVC煤层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动;横采内排压帮开采方式可借助边坡三维效应提高露天矿边坡角度及其自身稳定性,进而达到安全、高效地回收边帮压煤,提高露天矿煤炭资源回收率;扎哈淖尔露天煤矿横采南帮边坡稳定性随内排跟踪距离增大呈负指数降低;最终确定横采开挖位置为+908水平,内排跟踪距离为100 m,深部开挖角度为42°,可累计为扎哈淖尔露天煤矿多采出IV煤4 701.39万t,经济效益显著。     

横采内排追踪压帮高度对端帮稳定性影响研究

为揭示横采内排追踪条件下压帮至不同高度时端帮稳定性变化规律及力学成因机制,明确端帮的滑坡模式与滑坡机理,以平庄西露天煤矿端帮边坡为工程背景,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,对压帮不同高度时的端帮稳定性进行了三维数值模拟。结果表明:平庄西露天煤矿端帮滑坡模式为以椭球面为侧界面、以弱层为底界面的切层-顺层滑动;滑坡的力学成因机制类型为牵引式;横采内排追踪压帮高度至少为81 m端帮才能满足安全储备系数的要求;端帮稳定性系数Fs随压帮高度增大呈线性增大。     

露天矿含断层逆倾软岩边坡滑移模式及稳定性研究

作为一种典型的露天矿边坡,含断层逆倾软岩边坡变形破坏机理及稳定性问题尤为复杂。以胜利西二露天矿西帮边坡为工程背景,基于强度折减原理,应用有限差分软件FLAC3D模拟分析了Fx1断层位置、倾角及弱层逆倾角度不断变化时西帮软岩边坡的滑移模式及稳定性变化规律,阐明了边坡变形破坏机理。结果表明:逆倾软岩边坡滑坡力学机理受断层位置影响较大,当断层逐渐向边坡外侧偏移时其滑坡的力学成因由推动式滑坡逐渐过渡为牵引式滑坡,边坡稳定性逐渐提高;当断层倾角增大到某一值时,断层对逆倾软岩边坡滑移模式及稳定性影响消失;弱层倾角对滑面位置影响较大,边坡稳定性随弱层倾角减小逐渐降低;该矿西帮边坡稳定性主要受弱层控制,Fx1断层次之;当Fx1断层露头距边坡坡脚水平距离大于221 m时,边坡稳定性及滑坡模式不再受Fx1断层的控制;当Fx1断层露头距边坡坡脚水平距离小于201 m时,边坡稳定性逐渐提高,潜在滑坡模式由剪切圆弧-弱层相结合的组合滑动过渡为剪切圆弧-断层-剪切圆弧-弱层相结合的组合滑动。     

凹边坡稳定性三维极限平衡法研究与应用

为揭示拱形约束条件下凹边坡稳定性的三维效应,基于极限平衡理论,从定量认识土体环向侧压力角度出发,提出新的凹边坡稳定性三维计算方法。通过将该方法与经典三维极限平衡法进行对比,验证该方法的准确度。选取典型工程实例,采用该方法与数值模拟相结合,研究平面曲率对凹边坡空间滑坡模式与三维稳定性的影响。结果表明:该方法的精度较高;平面曲率对凹边坡的滑体空间形态、尺寸与稳定性有一定影响,即随平面曲率的减小,滑体走向长度与滑面深度均近线性增大,稳定系数呈指数型规律降低,工程中可通过增大凹边坡的平面曲率改善边坡稳定性和减小滑坡规模。     

露天煤矿边坡相对稳定性判据研究与应用

针对软岩露天矿边坡滑坡数量多、规模大、难于防治的问题,以白音华1号露天矿东南帮顺倾软岩边坡为工程背景,基于极限平衡理论,确定边坡滑体几何形态,通过滑坡变形反分析获取弱层指标参数;采用FLAC3D数值模拟,揭示边坡岩土体应力-应变演化规律及破坏机制,提出边坡相对稳定性判据,进而确定合理的横采内排追踪距离与降深位置。结果表明:该矿东南帮边坡稳定性随留煤柱宽度的增加逐渐增大,随追踪距离的增加逐渐降低;当留煤柱宽度大于或等于180 m,追踪距离在50~300 m范围内时,东南帮可以安全降深;留煤柱宽度取180 m,追踪距离取50 m,可实现资源采出最大化。     

改进的三维边坡最小势能稳定性分析方法

最小势能法是边坡稳定性分析的一种新方法,其关键在于确定滑体的总体势能函数。针对任意形状滑裂面的三维边坡,选取滑体中的某一单元体为研究对象,通过单元体上的静力平衡关系得到滑面上任一点的剪应力大小,提出了一种更加简便且合理的剪切势能计算方法,改进了边坡三维最小势能稳定性分析方法。相比于以往的研究,该方法在推求剪切势能函数时无需假定剪应力的方向,同时避免了剪应力方向向量繁琐的计算过程。为验证该方法的合理性,运用该方法计算了两个边坡的安全系数,得到了与其余分析方法较为一致的结果,表明该方法可以用于对称以及非对称滑面边坡的稳定性分析。     

井工开采影响下的露天矿边坡沉陷规律研究

许多露天煤矿通过井工开采回收了边坡下的煤炭资源,但也不同程度地加剧了露天矿边坡的失稳和沉陷问题。其引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的物理、力学变化过程,本文以安家岭露天煤矿及其一号井工矿作为研究背景,首先分析了该矿山采空区的塌陷现状、特点、成因机制以及对露天煤矿生产带来的影响;并应用概率积分法与FLAC数值模拟方法对采空区塌陷进行模拟和预测分析,研究了露井共采作用下边坡变形及破坏机理,揭示了井工采动影响下,露天矿台阶式边坡特有的变形形态、应力分布特征、形成机理与采动沉陷规律。本文研究结论对于同类露井共采的矿山有着重要的借鉴意义。     

地震作用下三维边坡最小势能稳定性分析

为分析地震作用下三维边坡的稳定性,基于最小势能原理,考虑滑裂面处的剪切势能和三向地震力对滑体的作用,建立地震作用下的三维边坡最小势能稳定性分析方法。将该方法与传统拟静力法相对比。分析三向地震力作用对边坡安全系数的影响。结果表明:该方法是合理可行的;水平向地震力对安全系数影响最大,横向与竖向地震力的影响相对较小,但不可忽略横向与竖向地震力对边坡稳定性的影响;滑体横向半长轴变化对安全系数的影响大于水平向和竖向的影响。     

边坡岩体抗剪强度参数多重反演方法研究与应用

为了解决分析推动式滑坡时多个边坡岩体抗剪强度参数难以同时测定的难题,基于剩余推力法理论,提出了边坡岩体抗剪强度参数多重反演方法,确定了参数多重反演方法的基本原理和计算流程,将该方法应用于白音华一号矿北帮滑坡的工程实例中,并采用实验室试验方法进行验证.结果表明:通过岩体抗剪强度参数多重反演方法计算得出白音华一号矿北帮的泥岩和弱层的内摩擦角分别为25.5°、7.9°,岩体抗剪强度参数多重反演方法计算结果与实验室试验结果具有显著的一致性;运用该方法可有效解决多个抗剪强度参数同时反演问题,减少计算工作量,具有广泛的适用性.     

露天矿土-岩复合边坡形态优化设计

合理设计采场及排土场边坡角是优化露天开采境界、保证露天矿安全生产、提高露天矿经济效益的重要前提。针对土-岩复合边坡这一类复杂特殊的边坡,以宝日希勒露天煤矿二采区西帮边坡为工程背景,应用刚体极限平衡软件定量分析了二采区西帮采场边坡及内排土场边坡的潜在滑坡模式;优化设计了二采区西帮1-2煤底板以上内排边坡形态及1-2煤至3煤之间采场边坡形态;确定了二采区西帮采场与排土场之间的安全距离。采用有限差分数值模拟软件FLAC~(3D),基于强度折减理论,对土-岩复合边坡稳定性进行了数值模拟,揭示了二采区西帮土-岩复合边坡的变形破坏机理及其稳定性。结果表明:宝日希勒露天煤矿二采区西帮土-岩复合边坡滑移模式及稳定性主要受采场与排土场之间的安全距离和3煤顶底板弱层控制;边坡形态优化后1-2煤底板以上内排边坡角为12°,1-2煤至3煤之间采场边坡角为22°,采场与排土场之间的安全距离为120 m,土-岩复合边坡整体边坡角为13°。     

灵泉露天矿残煤回采边坡稳定性分析与评价

为了保证灵泉露天煤矿残煤回采时边坡安全,对其边坡稳定性进行了分析与评价.根据灵泉露天煤矿东帮边坡各剖面实际揭露分层物料各自物理力学性质,应用边坡数值计算软件计算模拟灵泉露天煤矿东帮边坡的稳定性.结果表明,东帮最终帮坡边坡角为32°～35°,能够保证残煤回采时边坡的安全性.同时,对影响灵泉露天煤矿东帮边坡稳定性的主要因素进行了分析评价.结果表明,粉砂岩容易吸水,但含水率的增加对C、φ值的影响幅度小于泥岩,泥岩不易吸水,亦不易排水,但含水率对泥岩的影响幅度大.因此,在采矿过程中应加强露天矿疏干排水工作,以使边坡岩体保持较高强度,从而保证边坡安全.     

顺层或逆层岩质急倾斜边坡坡角的确定

为了解当岩体具有急倾斜构造和水平裂隙发育时,由该岩体形成顺层和逆层边坡情况下,不同坡角对该边坡稳定性的影响,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续性和连续性的岩体构造形式。构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡,并对边坡稳定性进行了模拟。模拟结果表明,岩层的重力作用在逆层时有利于岩体外倾,顺层时抑制外倾。相同坡角时顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出现位置与岩体构造有很大关系。提出的修建边坡坡角建议为顺层时坡角不应大于60°,逆层时坡角不应大于50°。     

露天矿最终边坡角的数值模拟研究

为了合理确定露天矿最终边坡角,在岩石力学试验和工程地质调查研究的基础上,分别应用三维弹性有限元程序ANSYS、三维弹塑性有限元程序PHASE2和三维黏弹塑性有限无程序EVP模拟最终边坡角为42°、50°、53°的开挖模式.建立计算模型时,最终台阶坡面角取65°;按照《矿山安全规程》,台阶高度12m时,安全平台宽度取4m,清扫平台宽度取6m;台阶高度14 m时,安全平台宽度取5 m,清扫平台宽度取8 m.结果表明,上帮最终边坡角不超过48°,下帮最终边坡角不超过50°,端帮最终边坡角不超过49°.较原有设计上帮可增大6°,下帮可增大8°～ 10°.     

根据滑体反算边坡岩体弱面的C、φ、σ_P

一、实用意义在露天采矿和交通、水电、土建等岩土工程中,都存在着边坡问题。反映边坡稳定程度的主要力学参数是该边坡岩土自身在特定条件下的粘着力C、内摩擦角φ以及最小断裂面的抗拉强度σ_p。这些参数可通过现埸岩体弱面强度试验取得,在有滑体存在的情况下,也可通过滑体反算求得。根据滑体反算的C、φ、σ_p,在某种意义上说更具有代表性和实用价值。这是因为: 1.内因(岩土的物理力学性质、边坡角和工程地质情况)是滑坡的根据,外因(水、采矿、震动、外荷、时间等)是造     

降雨诱发含后缘裂缝岩质边坡失稳机制研究

为探讨降雨诱发边坡失稳机制,以突变理论为基础,综合考虑边坡滑体后缘裂缝静水压力、滑动面水压力和水致弱化的影响,推导了坡体突变失稳的力学判据。研究结果表明:降雨作用下岩质边坡失稳与后缘裂缝充水高度、水致弱化函数、滑体几何-力学参数有关;裂缝与滑动面导通后,坡体发生突变失稳的必要条件为水致弱化段长度远大于弹性段长度;裂缝充水高度d越大,水致弱化函数f(ω)越小,发生失稳可能性越大。     

青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温预测模型研究

为预测青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温变化,揭示多年冻土分布规律,指导寒区露天矿安全生产,以木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡2011—2014年地温监测数据为基础,通过数据的统计与拟合,依据传热学理论建立研究区多年冻土地温预测模型,并利用邻区露天矿冻土地温监测结果与数值模拟对预测模型精度进行验证。研究结果表明：木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡季节活动层厚度普遍在5.75～6.59 m,多年冻土下限在63.85～64.35 m,地温年变化深度在11.65～12.25 m;采矿揭露后,边坡表层原生多年冻土演化为3.85～5.65 m季节活动层;坡面季节活动层厚度较原生季节活动层厚度略薄,随着冻融循环周期的递增,其厚度逐渐接近原生厚度;冻土地温变化曲线与简谐波波形线接近。本文所提出的冻土地温预测模型可用于预测青藏高原多年冻土区边坡地温变化,研究结果可为寒区露天矿边坡稳定性研究提供技术支撑。