冯志楼，李 岩，杨 曦

近北庄铁矿采空区影响下露天边坡稳定性分析

冯志楼1，李 岩2，杨 曦1

(1.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山市 063210；2.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山市 063000)

针对近北庄铁矿露天采场边坡不同程度的变形开裂破坏、地表沉降等失稳现象，在实地勘察基础上，考虑到地下采空区等相关因素影响，应用不平衡推力法计算及有限元法对露天边坡进行数值模拟，通过分析应力场与变形场的分布对边坡变形特征展开研究，结果显示，主要由地下采空区顶板塌陷变形导致坡体不断沉降、滑塌，引发坡体整体失稳。坡体安全系数低于其安全储备系数1.10，有滑坡可能性。

采空区;不平衡推力法;有限元法;边坡稳定性

随着我国矿产资源的开发和利用，在地下开采过程中产生的地下空区对露天边坡稳定性产生了严重影响。由地下采空区引发的边坡变形塌陷、失稳已经严重影响到露天采场的生产安全。为探究影响含空区坡体稳定性的有关因素，已有许多学者运用不同的方法对其开展了研究[1-7]。

本文采用不平衡推力法计算与有限元法数值模拟，结合近北庄铁矿露天边坡的实际地质情況，选取了一个最可能失稳的典型含空区边坡剖面A-A'进行稳定性分析，为该矿的边坡稳定性评价与治理提供参考。

1 参数选取

依据国家相关规范及近北庄矿实际情况，此次边坡稳定性分析考虑了采空区塌陷产生的水平推力的影响，安全系数s取1.10。基于现场调查和物探，确定对潜在最可能滑面A−A′进行坡体稳定性验算。

有滑坡危险的边坡的岩层主要由片麻岩、角闪岩与磁铁矿构成，在坡顶有一定厚度的第四系表土。根据对边坡的地质调查及室内外物理力学取样试验，经相关工程经验研究判断，取滑面物理力学参数见表1，地质力学模型中各岩层物理力学参数见表2。

2 稳定性验算

坡体稳定性验算采用表2抗剪强度参数。

依据现场地质调查和物探报告确定滑面的几何特征，稳定性验算选用折线型滑动法，验算方法选用不平衡推力法。最终各剖面的验算结果见表3。

表1 滑面物理力学参数

表2 各岩层物理力学参数

表3 剖面的验算结果

由表3可知，稳定性验算结果表明：A−A′剖面在考虑采空下陷作用时安全系数均降低了0.03～0.04，说明采空下陷对坡体的稳定影响是显著的；从各剖面的安全系数看，在采空区未塌陷时，A−A′剖面处于临界稳定状态，而随着采空区的塌陷，逐步进入失稳状态。根据验算结果，在考虑采空区上部下陷作用后，A−A′剖面的滑面2为1.11，高于滑面1的1.00，处于临界状态。考虑到外界环境变化及不可预见因素对坡体稳定性的影响，需依上述安全系数的限定值1.10进行治理设计。

3 采空区影响下边坡数值模拟分析

3.1 数值计算模型的建立

本次有限元法数值分析采用岩土工程数值计算分析系统Midas/GTS，通过对A−A′剖面在地下采空作用下，覆岩变形过程中诱发的边坡体内的应力及位移场的分析，分析地下采空区塌陷对坡体变形的作用机理及影响。

综合分析，建立A−A′剖面的地质模型（见图1），A−A′剖面模型范围212 m×283 m，剖面岩质边坡由第四系表土、片麻岩、角闪岩和近坡脚处的磁铁矿带构成。剖面采空区范围为5 m×10 m，埋深约40 m。该数值模型边界固定水平向及垂直向位移，对岩体的强度采用折减法来考虑结构面的岩体结构及地下水对岩体强度的弱化，各岩体选取摩尔-库伦模型。

图1 A−A′剖面模型

3.2 A−A′剖面有限元数值模拟

（1）坡体应力场及变形场数值模拟计算，得到如下结果，见图2～图5。

图2 A−A′剖面边坡受地下采空影响X方向应力云图

图2、图3分别为A−A′剖面边坡受地下采空区影响X、Y方向的应力云图。在片麻岩与角闪岩之间，X、Y方向的应力均有不同程度的弯曲，说明片麻岩产状对采空后应力重分布有着一定影响，且此区域空区埋深较浅，对坡体稳定性影响也更加明显。采空区顶板及其上方一定区域内，X方向应力等值线向左上呈上凸状，而其右侧及下方一定区域内X方向应力等值线向右下呈下凹状。这是由于：采空后覆岩下沉楔形体由于临空所受压力向采空区两侧支撑体转移，顶板部位水平压应力大幅减小，受片麻岩产状影响，产生的应力松弛效应对其前缘围岩所受水平应力影响较明显；同时在采空区周围还产生Y方向应力集中区，其应力值大于采空区顶板所受压应力值。说明采空区形成后，由于应力调整，其应力重分布效应使采区顶板所受压应力减小，而两侧支撑处所受压力增加，且此区域内的片麻岩产状对这种应力的变化是不利的，对坡体稳定有不容忽视的影响。

图3 A−A′剖面边坡受地下采空影响Y方向应力云图

图4 A−A′剖面边坡受地下采空影响X方向位移云图

图5 A−A′剖面边坡受地下采空影响Y方向位移云图

图4、图5分别为A−A′剖面边坡受地下采空影响X、Y方向位移云图。由图4、图5可知，采空区上方岩体沉降且地表已形成沉降坑，沉降带倾角临坡面约为62°，临空面约为80°，这与实地勘查的沉降带分布基本一致。依据上述坡体位移云图，此坡体变形有如下特征：一是沉降带内部，坡体向临空侧水平方向位移小于其沉降位移；二是沉降带与其前部坡体间发生水平方向位移突变，而沉降带向临空侧水平方向位移小于其前部坡体向临空侧水平方向位移；三是其1107平台出现向临空侧水平方向位移集中。

综合分析上述坡体变形特征可知：该坡体的变形由采空区塌陷引起，这主要是因为采空区上部塌陷形成楔形沉降体，在其自身下沉同时挤压沉降带前部坡体使其向临空侧水平位移，造成沉降带与之前部坡体向临空侧水平方向位移发生显著突变。后者大于前者，前者以沉降为主，后者以向临空侧水平向位移为主；该坡体产生形变的边界较为明确，变形后部边界以沉降带后侧为限，剪切破坏大概出现在1107平台周边。上述结论与前述坡体稳定性验算完全吻合，相互验证。

（2）经过对前述结果分析，并对边坡的稳定性进行数值模拟。

由图6可知，其滑体剪出口约在1107平台处。由于此处地下采空区埋深较浅，下沉楔形体体积较小，由此产生的对坡体的推力也相对较小，故其剪出口在边坡偏上部，滑体体积也相对较小。经过模拟计算，此区域安全系数约为1.0125，处于临界状态，这与现场勘查情况也一致。

图6 A−A′剖面边坡稳定性模拟总位移云图

4 结 论

（1）地下采空区的存在导致边坡上部覆岩应力发生重分布，受区域内片麻理不利节理的影响，采空区顶板Y方向压应力极小，且采空区周边出现Y方向压应力集中，证明采空区顶板已经塌陷，塌陷区已经影响到地表，现场调查时坡体的不断滑塌即为此种效应产生的直接结果。

（2）坡体变形主要诱因是采空区塌陷，其形成沉降楔形体在下沉过程中，对其前部坡体推挤，使得前部片麻岩发生倾倒、溃屈破坏，继而引发坡体发生整体失稳，这与现场调查情况基本吻合。

（3）A−A′剖面安全系数约为1.0125，剖面区域坡体处于临界状态，现场调查时该坡体后缘已形成沉降带及出现众多地表裂缝，此区域坡体治理已经刻不容缓。

（4）基于以上分析，地表沉降带的形成主要是由地下采空区塌陷变形引起的，故对坡体稳定性评价与治理时，需考虑采空区塌陷的影响。

[1] 柴红保,曹 平,柴国武,等.采空区对边坡稳定性的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(4):1528-1534.

[2] 杨晓杰,耿 强,刘晨康,等.下部采空区对边坡稳定性影响的数值分析[J].矿业研究与开发,2018,38(11):71-74.

[3] 许名标,夏岸雄.采空区对边坡稳定性的数值模拟研究[J].矿业研究与开发,2016,36(9):50-54.

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[5] 潘卓夫,金亮星,陈文胜.边坡稳定性分析改进的径向移动算法研究[J].岩土力学,2016,37(7):2079-2084.

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(2019-08-14)

冯志楼(1992—) ，男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事采矿工艺理论与技术研究。