基于GeoStudio的矸石山边坡稳定性数值模拟研究

马俊生

(山西焦煤集团公司 安监局，山西 太原 030024)

·试验研究·

基于GeoStudio的矸石山边坡稳定性数值模拟研究

马俊生

(山西焦煤集团公司 安监局，山西 太原 030024)

以屯兰矿矸石山基地为工程背景，采用GeoStudio数值模拟软件对该矿矸石山稳定性进行了模拟，分析了降雨影响下矸石山的稳定性与位移变化。研究结果表明，表面覆土对矸石山稳定性影响不大；在连续降雨条件下，矸石山边坡安全系数随降雨时间的增加而降低，且在前10 d降低幅度很大，之后趋于平稳；降雨给矸石山带来的位移变化主要发生在表面土体，且垂直位移要显著大于水平位移。

矸石山；边坡稳定性；安全系数；GeoStudio数值模拟

我国是一个煤炭生产与消费大国，将煤炭资源从地下开采出来的同时，伴随着大量的矸石产出，资料显示，我国矸石产出量占煤炭总产量的15%～20%[1]. 迄今我国煤矿产出废弃矸石总量已高达7 000 Mt，堆积面积大约70 km2，并以150 Mt/a的速度增加[2]. 堆放的矸石占用大量的土地，导致环境污染等问题，而且一旦矸石山发生失稳滑坡，会给周边企业与居民带来生命财产损失。因此有必要对矸石山的稳定性进行研究。

对于岩土体边坡的稳定性，国内学者做了大量的研究。高谦等基于正交实验得到了边坡稳定安全系数与岩体参数的函数关系[3]；唐东旗等对边坡坡体各部分受力情况进行了分析，并运用FLAC3D对边坡稳定性进行了模拟，对边坡的节理进行了分区[4]；陈国庆等使用动态强度折减法对岩土体边坡稳定性进行了研究，实现了对边坡失稳全过程的分析与调控[5]；唐栋等采用非饱和渗流分析方法研究了前期降雨对不同土体边坡稳定性影响[6]；宋玉才等研究了连通节理岩岩质边坡的稳定性，使用极限平衡法对一系列滑面进行分析，从而对边坡的稳定性进行评判[7].

但是以上研究结果不适用于矸石散体且加盖黄土边坡的稳定性分析，因此，本文使用GeoStudio数值模拟软件，对屯兰矿矸石山覆土后稳定性进行了研究。

1 工程概况

屯兰矿矸石排放场地位于山西省古交市南梁村。南梁村山中山谷众多，为尽可能减少占用耕地资源，充分利用地形条件，将屯兰矿产出矸石以卡车运输填充到这些山谷中，再使用推土机等工具推平。最终形成东面紧靠山体，西面边坡垂高8 m，坡角60°，顶部平整，平均厚度26 m，南北长平均790 m，东西宽平均226 m的不规则狭长形矸石山。

矸石填充完毕之后分别于2011—2013年和2013—2014年在矸石山表面进行了两次覆土工作，两次覆盖黄土的厚度都在1 m左右。覆土面积约157 666.7 m2.

2 矸石山边坡稳定性数值模拟

2.1 数值模型的建立

一般认为，剪应力的作用是岩土体边坡发生失稳滑坡的关键因素，要研究岩土体边坡的稳定性，主要就是看其抗剪强度与剪应力之间的相对大小。根据屯兰矿矸石山实际情况，构建如图1所示数值分析模型。模拟主要分析目标为覆土前后无降水和有降水两种条件下的屯兰矿矸石山边坡稳定性及安全系数。覆土前模型共计节点472个，单元体430个，覆土后共计节点523个，单元体480个，每个网格单元的边缘长度为2.5 m. 模型左右边界约束其x方向位移，底部边界x、y方向位移全约束。

矸石散体属于摩擦型散体材料[8]，其力学参数影响因素很多，综合原位测试、实验室实验与工程类比，最终确定模型中岩土体力学参数，见表1.

图1 数值分析模型图

表1 各岩土体的物理力学参表

2.2 无降雨条件下的稳定性分析

为分析屯兰矿矸石山表面覆土对其稳定性的影响，分别对覆土前后两种情况进行模拟，模拟结果见图2. 比较覆土前后模拟结果，覆土前FS=1.742，覆土后FS=1.718，表明在矸石散体表面覆土会轻微降低矸石山边坡的稳定性，可能的原因是覆盖黄土后，使得表土层与矸石散体表层之间产生了不连续面，相当于人为引入了一个结构面，从而降低了其稳定性。但是在这两种情况下安全系数都比较高，这表明无论屯兰矿矸石山表面是否覆盖2 m黄土，其边坡都是稳定的，不会发生滑坡等灾害现象。

图2 无降雨影响下的稳定性模拟结果图

为尽可能详细了解边坡受力状态及其变化规律，将潜在滑动面划分为如图2中所示的30个竖直土条块，模拟结果见图3. 由图3表明，屯兰矿矸石山边坡潜在滑动面上土条间剪力随边坡延伸方向先增大后减小，增大和减小速度有明显的阶段性，尤其是剪切力的变化。以增加段为例：前期增加速度逐渐变大，之后呈现线性增长，然后增加速度逐渐变慢，最终剪切力在x=85 m位置达到峰值。法向力的变化趋势与之类似，并同样在x=85 m位置达到峰值。受力峰值位置出现在边坡的中部靠上部位，表明此处是失稳的危险区域。

图3 覆土后矸石山土条间应力曲线图

2.3 考虑降雨影响下的稳定性分析

雨水入渗是造成非饱和土体滑坡及失稳的至关重要的原因之一，随着雨水大量渗入到边坡土体，得边坡土体的力学性质发生了改变而引起了边坡的失稳[9].屯兰矿地处干旱的内陆地区，常年干旱少雨，屯兰矿设置降雨条件24 mm/d. 因为该矿矸石山周边布置有专用排水道，汇水面积仅考虑矸石山占地即可。

设置降雨时间为90 d，每隔10 d记录一次安全系数模拟结果，最终获得安全系数受降雨影响变化曲线图，见图4. 由图4可知，矸石山边坡安全系数会随着降雨时间的持续而降低，且在降雨开始后的10 d内降低速度比较快，之后则逐渐趋于稳定；对于屯兰矿矸石山边坡而言，在降雨持续到第10 d时，其安全系数分别为1.288，并最终稳定在1.23左右。降雨影响下矸石山水平位移云图见图5.

图4 安全系数随降雨持续时间变化曲线图

图5 降雨影响下矸石山水平位移云图

由图5模拟结果可知，在24 mm/d的降雨条件下，随着降雨的持续，屯兰矿矸石山的水平位移也在逐渐增大，位移主要发生在边坡处的表面土体，矸石山内部与上表面位移量则很小，几乎无变化。降雨持续1 d后，水平位移最大值是0.38 cm，基本上可以认为没有发生变形；降雨持续20 d后，水平位移最大值是7.70 cm，位移量比较显著；降雨持续50 d后，水平位移最大值是19.26 cm；降雨持续90 d后，水平位移最大值是34.66 cm. 随降雨时间的增加，水平位移增长速度逐渐降低，这与安全系数随降雨时间的变化关系一致。降雨影响下矸石山垂直位移云图见图6.

由图6模拟结果可知，与降雨影响下水平位移变化情况相似，矸石山的垂直位移也是随降雨时间的持续而逐渐增加，位移等值线在表土层中较密，矸石山内部则十分稀疏，表明降雨对表土层位移的影响要强于对矸石散体的影响，且表土层的位移显著大于矸石山内部位移。降雨持续1 d后，垂直位移最大值为0.59 cm，基本上可以认为没有发生变形；降雨持续20 d后，垂直位移最大值为11.89 cm，位移量开始显著；降雨持续50 d后，垂直位移最大值为29.73 cm；降雨持续90 d后，垂直位移最大值为53.51 cm. 垂直位移增长速度也和安全系数随降雨时间的变化关系一致。对比图5与图6结果可知，在降雨影响下，矸石山垂直位移同比显著大于水平位移。

图6 降雨影响下矸石山垂直位移云图

3 结 论

1) 屯兰矿矸石山边坡安全系数随降雨时间的增加而降低，且在降雨开始后10 d里下降幅度很大，此后降低，安全系数最终稳定在1.23左右。

2) 屯兰矿矸石山表面覆土会降低其稳定性，但是降低不明显，其仍可保持稳定。

3) 降雨对屯兰矿矸石山位移的影响主要体现在表土层，且降雨对垂直变形的影响要显著强于水平变形。

[1] 张锦生,龚 莉.煤矸石在矿区公路路面基层的应用[J].森林工程,2007,23(2)：43-45.

[2] 邓丁海,岑文龙.煤矸石堆放区的环境效应研究[J].中国矿业,1999,8(6):90-94.

[3] 高 谦，薛改利，杨志强，等.等效岩体力学参数识别及边坡稳定性数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2015,44(3):423-429.

[4] 唐东旗,姚秀芳,彭建兵,等.黄土坡体节理发育特征和空间分区与边坡稳定性[J].煤田地质与勘探，2015,43(3):86-90.

[5] 陈国庆,黄润秋,石豫川,等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2014,33(2):243-256.

[6] 唐 栋,李典庆,周创兵,等.考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析[J].岩土力学,2013,34(11):3239-3248.

[7] 宋玉才,孙旭曙.连通节理岩岩质边坡稳定性分析[J].岩土力学,2014,35(增1):365-372.

[8] 李东升,刘东燕,彭文轩.矸石散体物理力学参数分析[A].中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会议论文集[C].北京：万国学术出版社，2007.

[9] 汪益敏,陈页开,韩大建,等.降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(6):920-924.

NumericalSimulationStudyonSlopeStabilityinGangueDumpBasedonGeoStudio

MAJunsheng

Based on the engineering background of a gangue dump base in Tunlan coal mine, GeoStudio numerical simulation software is used to analyze the stability and displacement of the dump under rainfall conditions. The results show that Surface soil coating has little effect on the stability of Gangue dump. Under continuous rainfall conditions, the slope stability decreases as the continuous rainfall days increasing in the first 10 days., and subsequently the safety factor turns to gentle gradually. The displacement change caused by rainfall occurs mainly in the soil covering on the gangue dump and the displacement along vertical is significantly bigger than that of the horizontal one.

Gangue dump; Slope stability; Safety factor; GeoStudio numerical simulation

2017-08-16

马俊生(1968—)，男，山西祁县人，1990年毕业于大同煤校，工程师，主要从事煤矿安全监察及应急救援工作

(E-mail)13994237918@163.com

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