基于FLAC3D的边坡稳定分析研究及治理措施

[摘 要]边坡的稳定性对于露天矿的生产有着至关重要的作用，是保证露天矿安全生产的先决条件，如果边坡失稳，发生滑坡或崩塌现象，将造成重大经济损失，不仅对职工生命存在威胁，同时也威胁现场作业设备、设施的安全。本文根据水泉矿地质条件特征，采用FLAC3D软件，分析南帮边坡稳定性，为该矿安全生产提供指导意见。

[关键词]FLAC3D；边坡稳定；数值模拟；治理措施

中图分类号：TD 804 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）31-0239-03

一、 引 言

随着我国经济的不断发展，采矿技术的不断提高，越来越多的煤矿采用露天开采，为经济发展和整体安全提供了一定的保障，同时也带来了相关问题，尤其是边坡的稳定性，如果不重视，很容易造成各种灾难。露天矿开采过程中，形成各种工作帮与非工作帮，剥离物剥出后，由剥离区域运至规划的排土场区域，形成排土场边坡，为了节省生产成本，降低消耗，排土场规划大多与工作面距离较近，如果发生滑坡，很可能埋压正在现场作业的设备与人员，导致事故的发生。因此，越来越多的学者研究边坡稳定的问题，提出了很多实用的方法，目前对边坡进行监测分析普遍采用FLAC3D软件。FLAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，是解决工程问题最有效的软件之一。

二、地质、水文及岩性特征

（一）地形、地貌

本区位于阴山山脉之大青山西段，受造山运动的影响，呈中高山区地貌。最高点为露天区外南部天林背，海拔2331m，最低点为露天区外北部大东沟、大西沟一带，海拔为1500m左右，相对高差831m。露天区外南为古老地层，山势峻峭；北部为石炭系、二叠系、三叠系地层，受风化侵蚀，属中低山区。露天区内总的地貌为南高北低，最高点位于勘探区东南部边界，标高为1912m，最低点位于后黑土坝村北部沟中北边界线，标高为1520m，高差392m。由于大气降水排泄的冲刷作用形成大致南北向的沟谷数条，地形地貌极为复杂。

（二）水文

大青山煤田属阴山山脉的一部分，地表山峦叠嶂，连绵起伏，植被稀少，覆盖率很低。年降水量少且集中，蒸发量大，地下水主要补给来源以大气降水为主。由于区内沟谷纵横，大气降水快速排泄于较大的沟谷流出区外，补给岩层甚少。几条大的沟谷常年有水，雨季大雨时可形成山洪，蜿蜒曲折向山前平原排出。

（三）气 象

本区属大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，春季多风，秋季多雨。昼夜温差大，年最高气温达37℃，最低气温为-33℃。最高气温在7、8、9三个月，最低在12月至翌年1月。年均降水量约为366.60mm，年均蒸发量为2099.6mm。最大风速为24m/s。每年10月至翌年4月为冻结期，最大冻土层厚度为1.5m，无霜期近208天。

（四） 露天区地质构造

露天区构造为一近东西走向的向斜构造，东部转为倾向东的单斜构造。向斜西起枣沟、东到黑土坝，长度4km，东部转变为走向南北倾向东的单斜，向南东即160°延伸1.5km出区外。向斜地表煤层露头出露宽度为30m～200m，向斜南翼完整，向斜北翼东西两端被断层切割，为不对称向斜。

（五）煤层特征

煤层的厚度一般为1.03m～34.38m，局部急剧提高到57.84m，可采煤层厚度由1.03m提高到34.32m，夹矸从0m增加到30m，煤层虽然较厚，但夹矸也厚，很不稳定，难以进行分层对比。煤层的不稳定和地质条件的复杂给安全生产带来相当的难度。鉴于煤层结构较为复杂，又为向斜构造，且不平稳，设计对其上覆岩层选择了单斗-卡车间断开采工艺。

（六）边坡岩性特征

露天区出露地层由老至新有：寒武～奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。

1. 寒武奥陶系（-O）

为本区煤系地层之基底，岩性以灰色、深灰色白云质石灰岩、石灰岩为主，夹有薄层白云岩。厚度大于360m。出露于露天区南部，形成陡立的高山。

2. 石炭系上统拴马桩（C2m）：

由下到上分四个岩段

一岩段：砂砾岩段（Cu1）主体以灰白、灰黄色粗砂岩、砾岩、巨砾岩其间有砂质泥岩、泥岩，出露于露天区南部。

二岩段：含煤段（Cu2）：主要以煤层为主，相间有粗砂岩、泥岩。煤层厚度变化大，煤层厚度1.03～51.84m，平均17.25m，夹矸层数多且变化大，为复煤层。在露天范围内全区分布，出露于南北煤层露头一带。

三岩段砂砾岩段（Cu3）：灰白、灰黄色粗砂岩、细砂岩及砾岩，与砂质泥岩、泥岩交替出现，粗碎屑岩占60%以上。砾石为花岗岩、石英岩、片麻岩，砾径1.00cm～20.00cm，本段平均厚度35.00m，出露于露天区内。

四岩段含煤段（Cu4）：分布于露天区西南角1～2线之间，不稳定。

3 第四系更新统（Q3）、全新统（Q4）：

Q3黄土，微含砂，在本普查区广泛分布于山脊山坡，厚度1m～10m。Q4冲积层，坡积物以砾石、角砾、砂土等分布于沟谷、山脚及低洼处，厚度不均。

综上所述，采剥场边坡以砂岩类（砂砾岩、粗、中、细、粉砂岩）为主，占65%；泥岩类（泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩）占21%；煤占12%，黄土占2%。松散层干燥状态安息角35°；水下状态安息角33°。本区基岩大部分地表，岩性组合较简单，岩石强度较高，未发现明显的软弱夹层，北部煤层底板发育有逆掩断层。

非工作帮边坡主要由煤层和岩层构成，由于地质报告未发现明显的软弱夹层和断层破碎带，可能的滑坡模式为圆弧滑坡和沿煤层底板自然层或沿断层带的圆弧平面滑坡模式。

排土场的排弃物料为煤层顶板以上的粗砂岩、细砂岩、砂质泥岩及第四系黄土等混合物料，其抗剪强度指标为各物均值。内摩擦角29.36°，凝聚力67kpa，松散系数1.15，天然密度2.20t/m3。

水泉露天煤矿分三个采区，目前首采区全部开采完毕，正在进行Ⅰ采区剥离工程，为缓解排土压力，降低排土成本，首采区部分地段已开始进行内排。一、二采区平均开采高度为1570-1750m，上下高差相差180m，特别是南帮地势陡峭，底板破碎且不稳定，而且主运输道路就位于南帮排土场中段，大型运输车辆频繁出入，存在一定安全隐患。为保证全矿生产运输等安全，应采用先进的技术手段，采取有效措施进行预防与治理。

下面采用FLAC3D软件分析边坡稳定性，判断边坡是否处于稳定状态，并采取合理的安全控制措施。

三、边坡稳定性分析

1、强度折减法的基本原理

强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为：使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度，即定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。强度折减法的要点是利用公式（1）和（2）：

（1）

（2）

来调整岩土体的强度指标和（式中，为折减后的粘接力，为折减后的摩擦角，为折减系数），然后对边坡稳定性进行数值分析，通过不断地增加折减系数，反复计算，直至其达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。此外，在FLAC3D中采用强度折减法时，除折减抗剪强度参数外，也可以选择是否对界面单元（interface）强度参数和抗拉强度进行折减。

2、建立模型及稳定性计算

（1）典型模型选取

根据相关地质资料与现场勘查，选取模型为80m×25m×40m的范围作为研究对象，建立的FLAC3D模型如图1所示，上部soil区域为排弃物料，下部clay区域为内排土场基底。

（2）岩石力学参数的选取。

参数选取以地质队提供的原始数据为准，参照其它矿数据，整理如表1所示：

选取基本网格为六面块体网格（brick），选取模型为摩尔-库伦本构模型。

（3）求解安全系数

建立边坡模型之后，通过软件功能，采用关联流动法则求解安全系数，即求解安全系数时，摩擦角等于剪胀角。

安全系数为fost1=1.138671875000e+000

由安全系数可知，边坡处于稳定状态。

3、结果分析

由模拟结果，可得到最大不平衡力曲线，弹塑性区域，边坡水平方向、竖直方向的位移分布特征与应力分布特征，通过模拟得到的结果，分析边坡现在是否处于稳定状态，是否需要采取措施保持边坡的稳定。

（1）最大不平衡力曲线。如图2所示，体系最大不平衡力，是指每一个计算循环（或称计算时步）中，外力通过网格节点传递分配到体系各节点时，所有节点的外力与内力之差中的最大值；所谓典型内力，则是指计算模型所有网格点力的平均值。从上图可以看出，南帮边坡体系最大不平衡力逐渐趋近于0，说明边坡最终达到了力平衡状态。但是，力平衡状态并不能说明边坡处于真实的物理平衡状态，边坡内部很有可能正在发生塑性流动，因此不能简单的认为边坡是稳定的，无需采取其他措施，应继续观察其他方面的情况，确保边坡的稳定性。

（2）FLAC3D的弹塑性模型中对每个屈服函数均赋予了两种状态：now和past。其中now表示该单元在本次计算时步中正处于屈服面上，而past表示该单元过去曾经处于屈服面上，而现在已经离开屈服面，处于弹性的范围[1]。从下图3可以看出，边坡内部即存在处于弹性范围的部分，也存在正在处于屈服范围的状态，处于屈服面上的部位，随着时间的推移即可能逐渐趋于弹性状态而处于稳定，也有可能达到极限应力，处于破坏状态，应加强对塑性单元的监控力度。

（3）水平应力分布特征，如图4所示。从图中可以看出，水平应力与深度在一定范围内基本呈线性上升趋势，正压力即拉应力在坡顶部自由边界位置数值最大，负压力即压应力在模型底部数值最大，同时可以看出，水平应力在坡脚处出现局部应力集中现象，此处最容易发生挤压破坏作用，很可能出现鼓角，由于坡脚岩石被挤压出，进而引起边坡整体稳定性失稳，因此，应在坡角处修筑挡墙，增强对挤压作用的抵抗能力，保持边坡始终处于稳定状态。

（4）竖直方向应力分布特征。如图5所示。从图中可以看出，边坡模型竖直方向的受力分布均匀，这与实际计算结果相似，数值方向的应力基本由重力作用引起，由上到下基本呈稳定的变化趋势，最大竖直方向应力发生在边坡右下角，对边坡稳定性影响较小。竖向应力具有明显的层次性，边坡顶部以及坡脚处的竖向应力都较小，不会引起较大变形，但坡脚处出现应力集中，因此，坡脚处的稳定对边坡有一定的影响。

（5）水平方向位移分布特征，如图6所示。从图中可以看出，坡角处的水平位移最大，中间区域呈一圆弧形弱面，此条块就是塑性贯通区域，由于此条块的挤压破坏作用，很有可能导致坡脚处岩层被挤压，受力大，应力集中，容易发生起鼓，进而导致滑坡。如遇特殊情况，比如特大暴雨，很可能造成边坡沿圆弧形弱面的整体滑动。

（6）竖直方向位移分布特征，如图7所示。边坡竖直方向最大沉降发生在边坡左上角即自由面坡顶处，此处最容易出现边坡沉降，由生产经验以及现场实际观测可以确认，与实际情况相同。由于此处的沉降，对坡脚处岩层造成较大压力，再加上相互挤压作用的结果，使坡脚处容易出现起鼓，同时引起坡角处位移较大，沉降容易在坡顶处形成很多裂缝，如果夏季降雨量大，边坡排水能力不强，大量涌入边坡内部，容易贯通边坡裂隙，形成破坏面，进而造成边坡失稳。因此，应经常将边坡沉降处垫平，并压实，同时面向排土场保持一定的反坡，以便于及时排水，减轻水流对排土场稳定性的影响。

4、结论及预防措施

本文通过FLAD3D软件对南帮边坡的稳定性进行了分析研究，从分析的整体情况看，边坡暂时处于稳定状态，发生大规模滑动或崩塌的可能性较小。由于影响露天矿边坡稳定性的因素十分复杂，其中边坡内部诸多随机性和不确定性因素的存在，给日常管理带来一定困难，只有认真加强对边坡的日常观察和治理，边坡稳定就能够得到有效管控。

一是建立边坡监测线网，通过这种方式就能够获取到直观信息，从而有效了解边坡的形态及破坏变形过程，就能够对不同时期崩滑体自稳状态进行分析与判断，对于一些危害区域以及可能出现破坏方式进行预警，提前做好防治工作，并抓住时机进行防治，有效保障边坡的稳定性。

二是在利用边坡监测网发现开采过程中出现的不稳定体时，及时采用相应喷锚网加固与柔性防护加固措施。柔性防护能够有效防止产生岩崩以及降低坡面滚石危害；喷锚网加固在边坡工程中喷锚网属于比较常见但也相对成熟的措施，不但能够喷射出挂钢网、混凝土以及锚杆的单独使用，还能够联合使用。在实际运用中，怎样确定加固形式，必须与不稳定体具体情况相结合，进行研究论证之后才能够确定。

三是依据水泉露天煤矿岩体特征，岩体相对破碎的地段，尤其是靠近南帮地段，进行爆破时一定要采用控制爆破，才能有效防止爆破损伤与破坏边坡。

四是在排土场初期排土时，基底应尽量排弃大块的、坚硬的、遇水不易泥化的物料，不破坏原有的泄水通道，保持基底畅通。对最终边帮坡顶周边设置挡水埂，沟壑处设挡水坝。最终排土场周边设排水沟、平台设反坡，并按照设计部门规划的方案对该区域水土进行工程治理和植被恢复等措施，尽量减少雨水对边帮和排土场的冲刷作用，从而做到最终边帮和排土场边坡的安全稳定。

影响边坡稳定性因素比较多，要加强边坡的稳定性，必须要分析影响稳定性的根源所在，并结合水泉露天煤矿实际情况采取合理的治理措施。

参考文献

[1] 李方全，祁英男.地壳应力随深度的变化规律[J ].岩石力学与工程学报，1988，04.

[2] 张超，杨春和.有限差分强度折减法求解边坡稳定性[J ].土木工程与管理学报，2011，28[9]

[3] 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数 [J].岩土工程学报，2002，24（3）.

[4] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制 [M].中国矿业大学出版社，2003.

[5] 王浩.边坡稳定性影响因素及评价方法 [J].黑龙江交通科技，2011.

[6] 刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南 [M].南京：人民交通出版社，2005.

[7] 张飞，刘德峰，苗风有，等.FLAC3D强度折减法在露天煤矿安全评价中的运用[J].露天采矿技术，2014，（3），21-23..

作者简介：李金（1964―― ），男，内蒙古乌兰察布人，工程师，1987年毕业于内蒙古煤炭工业学校，2012年毕业于中国地质大学，现在神华包头矿业公司水泉露天煤矿工作。