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先锋露天煤矿北帮边坡监测与变形破坏机理研究

2025-06-09 54 上传者：管理员

摘要：为研究先锋露天煤矿北帮边坡变形破坏机理，根据现场勘察结果、GNSS地表位移监测、深部位移监测、降雨量监测数据，结合FLAC3D数值模拟，对北帮边坡的变形演化过程和破坏模式开展研究。结果表明：北帮边坡受降雨影响，灾变演化过程为缓慢变形、加速变形、失稳破坏；边坡土体沿泥岩互层发生剪切滑移破坏，在边坡中部和底部形成2个剪切滑移面；数值模拟结果与边坡监测结果具有一致性。

关键词：
FLAC3D
GNSS监测
数值模拟
深部位移监测
边坡变形
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近年来,边坡信息化监测技术广泛应用于露天矿生产｡通过对监测数据的分析,辨识边坡变形程度和破坏模式,为边坡变形破坏机理研究和滑坡治理提供了依据｡

露天矿常用监测手段有GNSS地表监测､边坡雷达监测､高分遥感监测､三维激光扫描､TDR监测､传感器监测等[1-3]｡有关学者针对边坡稳定控制问题,采用信息化监测技术开展了一系列研究｡于玲等[4]利用地表位移监测数据,分析边坡变形规律并预测变形趋势,验证了该区域边坡变形与采矿活动及当地季节气候有关;陶志刚等[5]通过深部滑动力监测和有限元计算,分析了楔形滑坡发生机理和滑坡体安全系数,得到了楔形滑坡的成因与破坏模式;张玉芳等[6]通过大量位移监测数据研究了青海湟水河巨型滑坡的灾变机理,总结了大型滑坡的长期灾变机制;常剑等[7]基于“表-深”联合监测,研究了内蒙古某露天煤矿软岩边坡的变形破坏机理,并对有限元分析结果进行了验证;WHITELEY等[8]通过电阻率断层扫描技术评估边坡水分含量的时空演化,并借此研究边坡稳定性;LI等[9]通过地表边坡雷达和地下测斜仪的监测数据识别露天矿潜在滑动面和变形模式,并通过三维数值模拟探究了开采方案的可行性;ZHANG等[10]通过高速相机､应力应变传感器等现场监测设备研究了顺倾岩石边坡倾倒破坏的演变规律,通过对比滑坡现场和边坡物理模型的变形特征,验证了物理模型试验的可靠性｡

综上,在先锋露天煤矿北帮边坡变形现状调查基础上,结合GNSS监测､深部位移监测､雨量监测等数据分析成果,通过FLAC3D软件分析变形区域总位移､剪应力､剪应变增量､弹塑性区域分布,对北帮边坡变形演化过程和破坏模式进行研究;将数值模拟结果与现场监测数据对比分析,验证计算结果的准确性,为边坡稳定性评价和灾后治理提供理论支撑｡

1、矿山边坡变形概况与监测成果

先锋露天煤矿位于云南省昆明市寻甸回族､彝族自治县先锋乡｡矿区为近东西向的狭长山间盆地,其中东､北､西三面由中高山环绕,南面为高山｡矿区南部分水岭草白龟山高程2833.3m,相对高差300~700m,地貌景观差异明显;矿区东部为松树地井田,呈低山丘陵地形,地势东北高,西南低,高程为2055~2210m,相对高差30~150m｡矿山生产深挖､高填,松树地井田现已形成北高南低的椭圆形凹陷露天采场,该采场东西长1.7km,南北宽1.0km,开采面积2.01km2,最低开采标高为2057m,最高开采标高2230m,采深约73~210m｡

1.1变形概况

北帮边坡位于先锋向斜北翼,为台阶状顺倾边坡｡自建矿以来,该区域多次出现变形或滑坡,局部台阶因长期暴露和水的浸润软化出现垮塌现象｡2023年6月至9月,矿区处于雨季,因降雨频繁,北帮边坡浅层发生了较大的变形,且变形在降雨停歇后短时间内骤增,共触发了2次三级预警,6次四级预警｡变形区域平面图如图1所示｡

1变形区域平面图

据勘察,北帮边坡东､北部已形成明显的贯通裂缝,2050m水平出现了明显的底鼓变形,滑体后缘位于2150m水平,滑体受到2040m水平及2030m水平煤层台阶的阻挡,在2050m水平煤层台阶产生大范围底鼓,有剪出迹象,初步推断滑动面位于煤层底板炭质泥岩层｡

1.2边坡监测数据

为了监测边坡变形情况,在北帮边坡变形区域建立了1条监测线,布置了地表位移监测､深部位移监测､雨量监测点｡二采区PM-6剖面2070m水平至2150m水平上共设有5个地表位移监测点(GNSS-3､GNSS-1､GNSS-14､GNSS-4位于边坡中上部,GNSS-10位于边坡底部)和1个深部位移监测点(BB-DX-4)｡

1)地表位移监测｡根据现场监测结果,GNSS-3､GNSS-1､GNSS-14､GNSS-4测点自监测以来(4月13日—9月18日)向西南方向发生了大小不等的水平位移,同时分别产生了514､301､296､283mm的沉降,其中GNSS-3测点靠近滑体后缘,沉降量最大｡位于边坡底部的GNSS-10测点抬升了245mm,向西发生水平位移203mm｡综上,变形区上部2080m水平至2150m水平主要表现为明显的沉降,2040m水平发生底鼓变形;主滑段位于2080m水平至2150m水平,与现场踏勘结果相吻合｡4月13日至6月21日,边坡处于缓慢变形状态｡从6月22日开始,变形速度有所增加,边坡变形进入缓慢加速阶段,8月14日—15日发生变形加速现象,位移显著增加｡综上所述,边坡主滑段从4月份开始经历了2次变形加速,大致可以划分为缓慢变形､加速变形､失稳破坏3个变形阶段｡

2)深部位移监测｡深部位移测点BB-DX-4自6月1日以来,在地下31m泥岩层处,发生了较为明显的移动｡截至9月1日,发生了指向临空面44.11mm的位移,平均速度3.6mm/d｡其中7月份位移最大,6月和8月较小,表明北帮边坡地下位移在7月份出现了大幅加速｡结合地表位移和深部位移监测结果可以判断,先锋露天矿北帮边坡发生了滑移破坏,主滑岩体厚度约为31m,滑动面位于泥岩层,初步推测破坏模式为滑移式,其演化过程可分为“缓慢变形-加速变形-失稳破坏”3个阶段;深部位移加速与地表位移加速并不同步,在时间上,深部位移先于地表位移发生,深部变形诱发地面变形｡

3)矿区降雨量监测｡降雨分布并不稳定,主要分布在5—9月份,其中6—8月份降雨量较大,最大降雨量为7月的504.7mm｡结合GNSS和深部位移监测结果,推测6—8月份高强降雨诱发了边坡失稳｡

2、边坡变形演化机理分析

为开展先锋露天矿北帮边坡稳定性分析､验算与评价工作,选取区域内多个典型工程地质剖面,其中PM-6剖面与北帮边坡的走向垂直,布置了多个监测点,该剖面位置已经形成明显的潜在滑体且台阶数量最多,因此选取PM-6剖面作为本次边坡变形演化机理分析的计算剖面｡

计算模型及网格划分如图2所示,模型长度为990.00m,底部标高为1900.00m,上部标高为2215.00m,垂直高度为315.00m,包含已挖岩体､煤层顶板､主采煤层､泥岩与粉砂质泥岩互层､炭质泥岩､不整合面弱层､基岩层和第四系｡岩层物理力学参数见表1｡

图2PM-6边坡模型及网格划分

表1岩层物理力学参数表

PM-6剖面总位移等值线云图､剪应变增量等值线云图､剪应变增量等值线云图､剪应力等值线云图､弹塑性区域分布图如图3所示｡

图3PM-6剖面计算结果

由图3可以看出:土体总位移和剪应变主要发生在边坡中下部,位于主采煤层和泥岩层,且沿边坡向下越来越大;边坡浅层发生了“顺层剪切”破坏,且形成了2个剪切面;边坡上部出现了明显的塑性破坏,2050m水平台阶出现了明显的底鼓,北帮边坡整体处于欠稳定状态｡

根据计算结果可知:该区域发生的变形破坏为多层浅层破坏;边坡上部2080~2150m水平区域岩土体沿着不整合面弱层发生剪切滑移,在边坡中部2070m水平平盘处形成一剪出口;下部土体则沿着炭质泥岩层发生剪切滑移,最终在2050m水平台阶形成底鼓｡结合监测数据中地下变形与地表变形不同步的特征,破坏发生时主滑面产生了较大的剪应力与剪切位移,之后边坡整体下滑出现了地表位移和地面沉降,符合“顺层剪切”破坏的特点｡

选取GNSS-3､GNSS-1､GNSS-14､GNSS-4､GNSS-10监测点,对比分析有限元模拟结果与现场监测数据｡竖向位移和水平位移如图4､图5所示｡

图4监测点竖向位移

图5监测点水平位移

根据图4竖向位移监测结果,边坡滑体后缘土体沉降最大,中部依次减小,底部土体出现底鼓(GNSS-10)｡结合图3(a)总位移云图､图5监测点水平位移可以判断:边坡中上部土体发生了沉降,坡顶处GNSS-3点沉降量最大,同时发生较大的顺坡向水平位移;中上部土体沉降量和水平位移依次减小;底部受上方土体的挤压出现底鼓,水平位移较小,符合“顺层剪切”破坏的特点｡计算结果与监测结果一致｡

3、结语

监测数据分析结果表明:先锋露天矿北帮边坡受6—8月份强降雨的影响发生了滑移破坏,主要滑动面位于泥岩层,且经历了缓慢变形-加速变形-失稳破坏的演化阶段,深部位移与地表位移的加速不完全同步｡计算结果表明:边坡上部土体沿不整合面弱层发生剪切滑移,从边坡中部剪出;下部土体沿炭质泥岩层破坏,从边坡底部剪出;主滑面错动导致地表发生变形｡模拟计算结果与监测数据､现场变形情况相吻合,边坡变形破坏模式为“顺层剪切”破坏｡

参考文献:

[1]张亦海,牛西安,马海涛,等.露天采场高陡边坡监测技术研究现状与发展趋势分析[J].矿产勘查,2024,15(S1):154-158.

[2]古鹏.基于S-SAR边坡雷达的超高海拔露天矿山边坡监测技术研究[J].矿产勘查,2024,15(S1):149-153.

[3]张慧慧,王茹.基于高分遥感影像匹配的露天矿滑坡形变场监测方法[J].金属矿山,2018(11):120-125.

[4]于玲,韩猛,鲁宁,等.基于GPS技术的露天煤矿边坡变形规律及趋势分析[J].煤矿安全,2019,50(8):232-235.

5]陶志刚,孟祥臻,马成荣,等.南芬露天采场楔形滑坡机理及滑动力监测预警分析[J].煤炭学报,2017,42(12):3149-3158.

[6]张玉芳,范家玮,袁坤.重大滑坡灾变机制与防治新技术研究[J].岩石力学与工程学报,2023,42(8):1910-1927.

[7]常剑,侯成恒,苏强.基于表深联合监测的边坡破坏演化机理分析[J].露天采矿技术,2023,38(2):72-74.

基金资助:国家重点研发计划资助项目(2024YFC3013904);

文章来源:马明红,常华敏,邢克兵,等.先锋露天煤矿北帮边坡监测与变形破坏机理研究[J].露天采矿技术,2025,40(03):22-25.