基于露天边坡力学参数的位移反分析研究

常 鑫 刘树新

(内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古自治区包头市，014010 )

露天边坡是露天采矿中最重要的研究对象，几乎所有的露天采矿问题都是围绕边坡产生的，在对边坡的性质及变化规律展开深入探讨时，边坡力学参数是最具代表性且不可规避的重要元素，在工程实践中，能否获取准确的边坡力学参数，直接影响着现场工程能否安全顺利地进行下去，受到复杂地质条件的影响以及实验室分析的局限性，计算分析出的力学参数总是趋于理想化，与实际情况相差较大，以至于在大部分情况下，实验室分析得出的数据难以真正地应用于现场并预测指导工程实践。

究其根源，传统的实验室测定与专家经验分析法过多地依赖于现场取样，但在通常情形下，现场采集的样本并不能很好地代表实际岩土的物理力学特性，自然状态下的岩体赋存在极其复杂的地质环境中，是一个巨大的连续体，而实验室的研究样本脱离了岩体实际赋存环境成为了独立的个体，且在实验室研究的过程中，为了简化研究手段，往往过度地将样本做理想化处理，忽略了岩体的内部裂隙节理对试验准确性的影响。毋庸置疑，传统意义下的方法，不仅费时费力、消耗大量的试验成本，而且在很多时候难以高效精准地确定出边坡参数，不利于工程的发展。基于边坡位移提出的参数反分析，通过数值模拟软件FLAC3D建立模型，利用有限差分算法，能将岩体的物理力学特性有效地反馈于计算机处理系统，通过多次迭代，求解出最接近于实际工程的参数组合，真正做到由定性化分析转化为定量化分析的过程。

1 工程概况

黑岱沟露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，整个煤田被广厚的黄土所掩盖，部分为风积沙覆盖。由于风蚀、水流向源侵蚀造成黄土高原的复杂地形地貌，沟谷纵横交错，树枝状的冲沟十分发育，地质条件极为复杂。地形西北高东南低，最高处海拔标高1365.5 m，最低处海拔标高870 m，相对高差为495.5 m。煤田地表水系属于黄河支流，多数是季节性河流。属于大陆性半干燥气候，冬季寒冷，夏季炎热，春秋两季气温变化剧烈，全年降水量较小，蒸发量较大，常有春旱现象。

区内可采及局部可采煤层有5#煤层、6#煤层、9#煤层，其中6#、9#煤层为复煤层。本区软弱岩层为煤层顶板粘土岩及煤层上部风化煤。由于水流作用及重力影响，区内黄土往往在地形低洼处形成滑坡，因黄土垂直节理发育，常沿节理面有崩落现象。落体一般5～30 m3。

总体上来说，该露天煤矿节理、裂隙、断层发育程度较大，加之风力、水力常年的侵蚀作用，全区岩体完整性、稳定性较差，利用传统的实验室测定法难以对边坡参数做出有效的确定，因此以位移反分析法，通过FLAC3D建立地质模型，迭代优化确定出最接近于实际情况的有效参数组合。

2 位移反分析法原理

位移反分析就是以施工现场监测到的位移及相关参数为基础，建立原始数据样本，根据现场地质条件用FLAC3D等模拟软件模拟生成相应的几何模型，结合物理分析与数学计算构建出若干组待反演参数的实验样本，通过FLAC3D等模拟软件的多次运算、迭代，得到与真实地质条件下岩体力学参数值最为接近的数据，包括弹性模量、初始地应力、强度指标及相关变形参数等，然后将这些反演得出的参数反馈于本构模型中，预测巷道围岩可能产生的应力和变形情况，做出及时的支护与预防措施。其最终目的是建立一个输出位移无限接近于现场实测位移的理论本构模型，精确地反映岩体结构的力学行为，作为工程施工的指导依据。

3 模型构造与监测点选取

3.1 模型建立

选用FLAC3D作为构建该矿山边坡模型数值模拟软件，具体方法如下：

(1)选取黑岱沟露天煤矿作为边坡算例，边坡高度为358 m，坡角为47.6°，对于边坡这样纵向长度较大的实体，计算模型可简化为平面应变问题，故可通过有限差分软件FLAC3D沿坡面线的垂直方向建立该矿的边坡简化模型，如图1所示。

图1 边坡简化模型

(2)X、Y轴分别代表坡面线的法线方向与岩层方向。

(3)根据该矿山的地质赋存条件，边坡围岩均属同一岩性，且符合摩尔-库仑强度准则，在进行数值模拟时，将该矿边坡模型拟定为摩尔-库仑本构模型。

(4)考虑到模拟的精度与时间效应，为保证运算的可行性，需设定合理的网格模型，由生成的模型可看出，该模型由28021个节点数和23166个单元数构成。

(5)由地质勘探资料显示，该矿区岩体的原始应力主要是由岩体的自重引起的，故将该模型的初始应力场拟定为自重应力场。

(6)该边坡模型的边界设定为底部与左右两侧约束，上部自由，即确定边坡左右边界沿水平方向的位移为零，下边界沿竖直方向的位移为零。

3.2 监测点选取

利用位移反分析反演边坡力学参数时，边坡监测点的选取，直接影响到试验的准确性与适用性。因此，对测点的拟定，不仅要满足随机性，还应考虑到在工程实践中对该测点进行位移实时监测的难度与可行性。鉴于以上各因素，拟选定3个监测点作为试验对象，测点位置分布见图2，其坐标分别为A(195, 43 , 327)，B(162, 34, 169)，C(144, 25 , 48)。在自重应力的作用下，边坡的位移变化量主要以沿X轴方向的水平位移与沿Z轴方向的铅直位移为主，故在现场监测中，将各个测点的X方向上与Z轴方向上的位移变化量作为主要监测目标，经现场实测数据显示，3个测点的位移变化值见表1。

图2 测点位置分布图

测点坐标位移变化值X轴/cmZ轴/cmA(195,43,327)2.01.8B(162,34,169)2.41.3C(144,25,48)2.70.9

4 样本构造与数值模拟

4.1 样本构造

该露天煤矿节理、裂隙、断层发育程度较大，加之风力、水力常年的侵蚀作用，全区岩体完整性、稳定性较差，导致岩体部分力学参数难以通过实验室测定精准给出，在现场实测中，只给出了这类参数的理论范围。根据现场实测数据，得到该边坡岩体力学参数取值：密度ρ=2670 kg/m3，内摩擦角ψ=18°～23°，弹性模量E=4.8 GPa，粘聚力C=9～13 kPa，泊松比v=0.3，体积模量K=4.0 GPa，剪切模量G=1.84 GPa。

根据粘聚力与内摩擦角的取值范围，可通过均匀设计法进行样本的构造，初步设计，选取测点B的实测位移值作为试验目标，将各待反演参数的差值梯度设为1，经参数随机组合，一共可形成30种组合方案，参数方案组合见表2。

表2 参数方案组合表

4.2 数值模拟

针对上述方案组合情况，用有限差分元软件FLAC3D分别进行模拟，监测、绘制目标测点的位移变化过程，并与实测数据进行比对，找出与实测位移值最接近的参数组合，即为边坡力学参数反演的最优参数组合。通过模拟，选取与实测数据相差最小与相差最大的参数组合进行对比。其中，试验中22方案的参数组合最符合实测结果，试验方案1为该边坡在X、Z轴方向位移变化极大值的参数组合，试验方案30为该边坡在X、Z轴方向的位移变化极小值的参数组合，不同试验方案位移云图见图3、4、5，X、Z轴方向上的位移对比曲线如图6所示，参数组合对比如表3所示。

4.3 模拟结果验证

根据以上模拟分析可知，当粘聚力为10 kPa，内摩擦角为22°时，模拟边坡位移与实测位移最为接近，为消除试验偶然性，需对试验结果进行反馈分析，即将拟定最优参数组合反馈于本构模型，通过A、C测点的实测数据验证试验结果的准确性。验证结果如表4所示。

图3 试验22方案位移云图

图4 试验1方案位移云图

图5 试验30方案位移云图

试验方案内摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模拟位移Um/cmX轴Z轴实测位移Us/cmX轴Z轴2222102.441.3511894.602.203023130.530.332.401.30

图6 X、Z轴位移对比曲线

测点内摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模拟位移Um/cmX轴Z轴实测位移Us/cmX轴Z轴A22102.041.732.01.8C22102.840.922.70.9

通过结果对比，测点A、C处的位移模拟结果与实测数据的差值在0.2～1.4 mm之间，误差较小，满足试验要求，故认为模拟结果符合实际情况。将该边坡的待反演参数初步设定为粘聚力C=10 kPa，内摩擦角ψ=22°。

5 结语

(1)通过FLAC3D数值模拟，初步得出黑岱沟露天煤矿边坡的力学参数组合，即粘聚力C为10 kPa，内摩擦角ψ为22°，将反演参数反馈于本构模型，得出的模拟位移与实测位移基本相同，验证了边坡位移分析法的可行性。

(2)分析试验样本的结果数据不难得出，内摩擦角与粘聚力的不同组合对边坡位移形变影响较大，根据试验数据统计，在其他条件不变的情况下，粘聚力与内摩擦角越小，位移形变量越大。