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受采動(dòng)影響的山體邊坡安全論證

文檔作者：王文旭李示波文檔來(lái)源： 1．中國(guó)冶金礦業(yè)總公司 2．河北聯(lián)合大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月29日
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第21卷第1期
2012年1月
中 國(guó) 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．21。No．1
Jan． 2012
受采動(dòng)影響的山體邊坡安全論證
王文旭 ，
(1．中國(guó)冶金礦業(yè)總公司，北京100011；
李示波
2．河北聯(lián)合大學(xué)， 河北唐山063009)
摘要：準(zhǔn)確分析地下采礦對(duì)地表山體邊坡的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以冀東某地下鐵礦
開(kāi)采為實(shí)例，通過(guò)數(shù)值模擬和數(shù)值微分方法，分析計(jì)算了受采動(dòng)影響的山體邊坡傾斜變形大小，為評(píng)價(jià)
邊坡上的構(gòu)筑物安全提供了定量的分析依據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，其分析方法較為準(zhǔn)確、方便。
關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；數(shù)值微分；巖石移動(dòng)；山體邊坡
中圖分類號(hào)：TD824．7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-4051 (2012)01-0075～03
Safety assessm ent of m ountain slope influenced by m ining
WANG W en—xu ．LI Shi—bo
(1·China Metallurgical Mining Corporation，Beijing 100011，China；2． Hebei United University，Tangshan 063009，China)
Abstract：The importance of analyzing the influence of mining on mountain s1ope accuratelv is great
．
1 ak ng an ron mlne In Jidong area for example，curvature of mountain slope influenced by mining was fig—
ured out by use of numerical simulation and numerical differential theory
． The quantitative analysis method
can be eterred tO safety assessment of construction on slope．Finally the paper validated this method bv the
eilect of corresponding example；the results indicated its veracity and advantage
．
Key words：numerical simulation；numerical differential；rock movement；sloDe
河北省的冀東地區(qū)，地表地形多為山脈、丘陵，
屬于中低山區(qū)，中等切割，地形復(fù)雜，山巒起伏。
山區(qū)內(nèi)鐵礦資源較為豐富，其礦床類型為鞍山式沉
積變質(zhì)鐵礦。地下鐵礦體埋藏深度不～ ，埋藏較淺
的礦體上部先露天開(kāi)采，隨著開(kāi)采深度增加目前多
數(shù)轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采。有用礦體被采出以后，開(kāi)采區(qū)域
周圍的巖體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新
分布，采空區(qū)圍巖崩落，巖層將移動(dòng)變形。此影響
如果發(fā)展到地表，將產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)的地表變形，
引起一系列環(huán)境巖土工程問(wèn)題，給礦區(qū)人民生產(chǎn)生
活帶來(lái)巨大的影響和損失，同時(shí)給礦區(qū)未來(lái)工程建
設(shè)留下巨大隱患。由于地下開(kāi)采對(duì)巖體造成擾動(dòng)，
其對(duì)上覆巖體穩(wěn)定性的影響可誘發(fā)上部邊坡體的滑
移，會(huì)引起山體受采動(dòng)影響穩(wěn)定性降低，對(duì)山體邊
坡安全構(gòu)成危害；或引起山體變形，對(duì)山體上的構(gòu)
筑物產(chǎn)生破壞 。即使是地下較深的采空區(qū)，地表
也會(huì)引起顯著移動(dòng)變形 捫。在山區(qū)，地下開(kāi)采次生
應(yīng)力場(chǎng)對(duì)山體邊坡巖體力學(xué)場(chǎng)的影響機(jī)理的研究還
很少。因此，開(kāi)展山體下采空區(qū)地表沉陷變形的研
收稿日期：2011—05～14
究，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)開(kāi)采沉陷基本規(guī)律，為礦層的
合理開(kāi)采及上部邊坡的安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)，有著
重要意義。本文以唐山北部山區(qū)某鐵礦地下開(kāi)采的
實(shí)際情況為實(shí)例，分析了地下開(kāi)采對(duì)山體邊坡的
影響。
1 地質(zhì)概況
礦區(qū)位于華北地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)式背
斜遷西穹褶皺西部。礦區(qū)出露地層主要為下太古
界遷西群馬蘭峪組片麻巖系， 主要為中細(xì)粒紫蘇
黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云角
閃斜長(zhǎng)片麻巖等。其次為南北兩側(cè)出露的長(zhǎng)城系
常州溝組地層，其巖性為底礫巖、礫巖、石英砂
巖、石英巖。第四系地層分布于山間溝谷地帶，
主要為沖積洪積層，次為殘坡積層及范圍不大的
坡積層。礦體埋藏于山坡下，為一隱伏礦體，傾
角60。～65。，礦體較厚。礦石自然類型為石英巖型
磁鐵礦石，礦石呈粒狀變晶結(jié)構(gòu)或粒狀花崗變晶
結(jié)構(gòu)，條帶狀、片麻狀構(gòu)造。
礦體上盤(pán)山坡上有一條供電線路，采用混凝
~0a線桿架設(shè)。地下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形，
會(huì)引起供電線路傾斜，傾斜變形嚴(yán)重時(shí)，可引起
中國(guó)礦業(yè) 第21卷
供電事故。因此，有必要對(duì)地下礦體開(kāi)采引起的
山體變形進(jìn)行計(jì)算分析，確定其影響的程度，論
證其變形是否在可接受的范圍，以便能夠及時(shí)采
取必要的對(duì)策措施，合理開(kāi)采。
2 變形分析
地表變形的具體情況，可通過(guò)FLAC軟件進(jìn)
行數(shù)值模擬。FLAC主要適用于模擬計(jì)算巖土體的
力學(xué)變形情況和巖土體達(dá)到屈服極限以后所產(chǎn)生
的塑性流動(dòng)情況。其所采用的顯式拉格朗日快速
算法，特別適合模擬大變形和扭曲，能使計(jì)算結(jié)
果更趨于準(zhǔn)確。FLAC為解決工程地質(zhì)問(wèn)題提供了
強(qiáng)有力的理想工具[3]。本文中的地下鐵礦，礦體和
山脈走向近乎平行，是較為典型的平面應(yīng)變問(wèn)題。
因此，采用二維數(shù)值模擬，能夠模擬出地下開(kāi)采
對(duì)上部山體的采動(dòng)影響效果，對(duì)地下開(kāi)采引起的
山體邊坡巖體和采場(chǎng)圍巖力學(xué)變化規(guī)律以及穩(wěn)定
性進(jìn)行分析研究，以便給工程施工提供理論依據(jù)，
減少次生災(zāi)害發(fā)生。首先利用FLAC建立開(kāi)采模
型，垂直礦體走向取一個(gè)剖面，對(duì)模型施加邊界
條件并進(jìn)行求解后，獲取各個(gè)單元的彈塑性變化
圖和位移等值線圖。
礦體上盤(pán)存在供電線路，地表架設(shè)有電線桿，
地表變形對(duì)它的影響主要是地表傾斜變形的影響，
這就需要計(jì)算地表下沉引起的傾斜大小，也就是
需要求出這一點(diǎn)下沉變形的一階導(dǎo)數(shù)。
由于有限差分是按照一定網(wǎng)度劃分出網(wǎng)格，
即FLAC得出的數(shù)值解是一些離散的點(diǎn)的數(shù)值。
對(duì)離散點(diǎn)求導(dǎo)數(shù)，顯然不能用連續(xù)函數(shù)的求導(dǎo)公
式進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)，使用數(shù)值微分方法比較方便、
準(zhǔn)確 。
由數(shù)值計(jì)算方法可知，若函數(shù)f(x) 由表格
給出，求f(x)在結(jié)點(diǎn)上的微商，通常稱為數(shù)值
微分。最簡(jiǎn)單的數(shù)值微分公式是用差商代替
微商。
(z。)一 立 +0( z)(1)
凡
顯然，從理論上看，h越小，微分近似越精
確。但從計(jì)算誤差上看，步長(zhǎng)h越小，， ( 。)與
廠(z。+ )越接近，根據(jù)誤差理論，兩個(gè)相近的
數(shù)相減，將會(huì)大量丟失有效數(shù)字。為了克服上述
弊病，一個(gè)很自然的想法是求式(1)誤差漸進(jìn)展
開(kāi)式，再利用外推法提高精度。根據(jù)Taylor公式：
，( + )一廠(z)+hf (z)+譬 ( )
+等 )+．．·
和
(2)
f(x-h)一f( )一 (z)+等 (z)
一 廠∞ (z) +? (3)
兩式相減，除以2 ，移項(xiàng)得：
廠(z)一 一一
!(i一1～ 。。)
i= 1
h (4)
令G ( )為上式等號(hào)左端的第二項(xiàng)，在Rich—
ardson外推法中，取q一1／2，則對(duì)于一階導(dǎo)數(shù)可
建立外推公式：
rG1(矗)一G(h)
{ m)一
(m=：=1，2， ? )
其中：廠(z)一G +1( )一O(h ‘ ”)。
根據(jù)此外推公式，在步長(zhǎng)選擇較為合適時(shí)，
可獲得較高的精度l6]。
計(jì)算時(shí)，步長(zhǎng)可取為測(cè)點(diǎn)間距， 即可按照所
得的Gm+ (h)值計(jì)算出相應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)，其中
m一1，即外推一次即可。忽略高階無(wú)窮小，相應(yīng)
的G +。( )即可取為一階導(dǎo)數(shù)。
FLAC模擬的豎直位移等值線，供電線路附近
取5個(gè)點(diǎn)，記錄各點(diǎn)的豎直位移Y值及水平位移
z。由模擬的歷史記錄點(diǎn)得到各點(diǎn)豎直位移見(jiàn)表1。
用數(shù)值微分計(jì)算由于數(shù)值位移引起的電線桿附近
地表傾斜變形，見(jiàn)表2。
表1 地表豎直位移
點(diǎn)號(hào) 點(diǎn)間距x／m 豎直位移y／ITI
表2 相應(yīng)點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)
h 公式G1 Gl G2
h= 40m 0．OO67
h／2=20m
G 一 )二
2h
。
0 0060
G 一 1
．
～
一4一
第1期 王文旭，等：受采動(dòng)影響的山體邊坡安全論證
同時(shí)，由于山體邊坡傾角較大，各點(diǎn)水平位
移x的差異也會(huì)引起邊坡的傾斜變形，因此水平變
形引起的傾斜值應(yīng)一并計(jì)算在傾斜變形內(nèi)。計(jì)算
方法仍選用上述的數(shù)值微分方法。在FLAC歷史
記錄點(diǎn)上，取各點(diǎn)的計(jì)算后水平位移，計(jì)算后得
水平位移引起的地表傾斜變形值為一0．0016。則
電線桿附近地表傾斜變形值為0．0051。
由上面的模擬和數(shù)值微分計(jì)算結(jié)果可以看
出，地表供電線路位置傾斜變形最大值為
0．51 9／5。根據(jù)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定，
線桿橫線路方向的最大偏斜為1．0 9／6的最大允許
限差，上述的計(jì)算最大傾斜變形相對(duì)于高壓線路
是橫線路方向，其值小于1．0 。供電線路處于
安全狀態(tài)。
該礦山于1999年12月開(kāi)始對(duì)山坡下礦體進(jìn)行
開(kāi)采，經(jīng)過(guò)1年多的開(kāi)采，地表未產(chǎn)生大的變形，
農(nóng)田和樹(shù)木生長(zhǎng)正常，未收到采礦影響；并且地
表變形未能引起供電線路有較大傾斜變形，運(yùn)行
正常。
4 結(jié)語(yǔ)
1)應(yīng)力、應(yīng)變分析求解巖體移動(dòng)變形的方法
是目前較為嚴(yán)格的分析方法之一。對(duì)于FLAC數(shù)
值模擬結(jié)果，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值微分方法進(jìn)行分析
處理。數(shù)值微分方法能夠?qū)⒃擖c(diǎn)附近的許多點(diǎn)的
模擬數(shù)據(jù)一并用于計(jì)算，可獲得更為精確的地表
變形結(jié)果。通過(guò)求解一階導(dǎo)數(shù)可計(jì)算出傾斜變形
大小，還可以采用數(shù)值微分求解二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算出
地表的彎曲變形，為安全評(píng)價(jià)提供定量的分析
依據(jù)。
2)在山坡地形，地下開(kāi)采對(duì)地表傾斜變形的
影響，不僅取決于豎直位移引起的傾斜變形，還
與水平位移引起的傾斜變形有關(guān)，兩個(gè)方向的位
移引起的傾斜變形應(yīng)一并計(jì)算在內(nèi)。 _
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米栗米米米米米米米米米米米米米米米栗米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米{I÷米米米米米米米米米米
(上接第71頁(yè))
又減少了經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)深度還原鐵的生產(chǎn)具有一
定的經(jīng)濟(jì)效益。
2)測(cè)量氧化鐵的還原率及金屬化率，對(duì)其進(jìn)
行動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)深度還原具有一定的指導(dǎo)意義。
3)使得難選鮞狀赤鐵礦的精礦品位達(dá)到9O
以上，對(duì)我國(guó)呆礦的開(kāi)發(fā)及今后的生產(chǎn)有一定的
現(xiàn)實(shí)意義。 ·
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