CN112488455A - 边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端 - Google Patents

边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端 Download PDF

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CN112488455A CN202011245638.3A CN202011245638A CN112488455A CN 112488455 A CN112488455 A CN 112488455A CN 202011245638 A CN202011245638 A CN 202011245638A CN 112488455 A CN112488455 A CN 112488455A
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汪亮
孙国权
赵福刚
房定旺
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Abstract

本发明属于采矿安全分析技术领域，公开了一种边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端，包括：结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；进行边坡稳定性综合分析。本发明采用数值分析方法分析边坡开挖后的稳定性及边坡动态开挖稳定性演化进程，同时结合剖面计算，分析得边坡在现有开采技术条件下向下延伸开采处于不稳定状态。

Description

边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端
技术领域
本发明属于采矿安全分析技术领域，尤其涉及一种边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端。
背景技术
目前，随着磷矿资源的持续、高强度开采，我国众多大型国有磷矿山陆续转入深凹露天开采或者地下开采阶段。随着采矿活动强度的持续增大，与采矿生产相关的安全问题越来越突出，也越来越成为制约企业安全、持续发展瓶颈。
然而，现有的边坡稳定性分析方法分析结果不准确，且不确定因素较多。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的边坡稳定性分析方法分析结果不准确，且不确定因素较多。
解决以上问题及缺陷的难度为：露天磷矿资源赋存条件与其它矿种区别较大，涉及此矿种复杂边坡稳定性分析较少，特别是高陡边坡。传统的现场工程测试耗费大量的人力、物力资源，且历时长久。实验室模拟试验受限于试验条件、场地、试验材料的限制，不能放映现场复杂工况情况。综上所述，在岩石力学参数获取准确的情况下，数值模拟计算成为复杂边坡稳定性分析一种可行的途径。
解决以上问题及缺陷的意义为：丰富化学矿山复杂边坡稳定性分析相关研究成果，为现场实际工程边坡安全管控提供技术支撑。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端。
本发明是这样实现的，一种边坡稳定性分析与评价方法，所述边坡稳定性分析方法包括：
步骤一，结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
步骤二，将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
步骤三，进行边坡稳定性综合分析。
进一步，步骤一中，所述模型的边界条件为：将模型边坡临空面设置为自由边界，将模型底部z＝1600m设置为固定约束边界，模型四周设置为单向约束边界。
进一步，步骤一中，所述材料本构模型采用Mohr-Coulomb准则，即弹塑性模型。
进一步，步骤二中，所述将确定的模型在原始模型初始平衡工况下进行稳定性分析包括：
利用确定的模型计算在初始平衡下的应力状态与位移状态，分析模型是否处于初始平衡状态。
进一步，步骤二中，所述将确定的模型在开挖第一步模拟工况进行稳定性分析包括：
将模型各方向的位移至零，塑性区至零，即将初始应力产生的变形和塑性区完全去除，数值分析计算结果从变形位移情况、应力情况和速度场及其塑性区分布四个方面分析开挖第一步边坡岩土体的力学响应特性；
所述开挖第一步为对采场边坡在原始模型初始平衡后对其开挖至2035m水平；
所述变形位移情况分析包括：基于边坡开采至2035m水平过程中X方向、Z方向的位移云图、边坡断面矢量位移场图确定岩体位移量以及滑动破坏特征；
所述应力情况分析包括：基于边坡开采至2035水平时的最大主应力与最小主应力云图，进行边坡应力场规律以及特征分析，确定边坡岩体的受力状态；
所述速度场及其塑性区分布分析包括：基于开挖第一步后的整体塑性区云图进行塑性区破坏规律特征分析。
进一步，步骤二中，所述将确定的模型在开挖第二步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第二步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第二步模拟工况为边坡分台阶卸载至2070m，并开采至现状；
所述开挖第二步模拟工况应力场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第二步模拟工况位移场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第二步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡卸载后开采至现状的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
进一步，步骤二中，所述将确定的模型在开挖第三步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第三步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第三步模拟工况为对高陡边坡开采至1910m高程时；
所述开挖第三步模拟工况应力场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第三步模拟工况位移场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第三步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
进一步，步骤二中，所述将确定的模型在开挖第四步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第四步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第四步模拟工况为高陡边坡开采至1840m高程时；
所述开挖第四步模拟工况应力场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第四步模拟工况位移场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第四步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
进一步，步骤三中，所述进行边坡稳定性综合分析包括：
采用FLAC3D数值计算方法对边坡不同开采阶段从边坡开挖应力场、位移场及塑性区分布特征进行边坡稳定性综合分析；
所述边坡不同开采阶段包括天然边坡以及开挖边坡；所述开挖边坡包括开挖第一步、开挖第二步、开挖第三步以及开挖第四步。
本发明的另一目的在于提供一种评价所述边坡稳定性分析方法的边坡稳定性分析评价方法，所述边坡稳定性分析评价方法包括：
采用FLAC/SLOPE对边坡进行稳定性分析评价，确定边坡在不同开采阶段的安全系数。
进一步，所述边坡稳定性分析评价方法包括以下步骤：
(1)确定边坡安全系数以及边坡稳定性判别标准；
(2)沿边坡走向间隔50米确定一个剖面，进行边坡的剖面划分；
(3)基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数，精确分析边坡稳定性特征。
进一步，步骤(1)中，所述边坡稳定性判别标准为：
边坡安全系数Fs＞1.10以上，则边坡安全；
边坡安全系数Fs在1～1.10之间，则边坡处于极限平衡状态；
边坡安全系数Fs＜1.0时，则不安全。
进一步，步骤(3)中，所述基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数包括：
在有开采技术条件下以及现有开采技术条件下边坡延伸开采至1840m工况下计算边坡安全系数。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
进行边坡稳定性综合分析。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
进行边坡稳定性综合分析。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述边坡稳定性分析方法。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述边坡稳定性分析方法的边坡稳定性分析系统，其特征在于，所述边坡稳定性分析系统包括：
参数确定模块，用于结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
稳定性分析模块，用于将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
综合分析模块，用于进行边坡稳定性综合分析。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用数值分析方法分析边坡开挖后的稳定性及边坡动态开挖稳定性演化进程，同时结合剖面计算，分析得边坡在现有开采技术条件下向下延伸开采处于不稳定状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的边坡稳定性分析方法流程图。
图2是本发明实施例提供的边坡稳定性分析评价方法流程图。
图3是本发明实施例提供的FLAC3D求解流程图。
图4是本发明实施例提供的尖山露天矿采区平面地形图。
图5是本发明实施例提供的尖山露天矿边坡地质剖面图。
图6是本发明实施例提供的原始计算模型示意图。
图7是本发明实施例提供的最终开挖边坡示意图。
图8是本发明实施例提供的天然状态边坡最大主应力等值线图。
图9是本发明实施例提供的天然状态边坡最小主应力等值线图。
图10是本发明实施例提供的X方向位移等值线图。
图11是本发明实施例提供的Z方向位移等值线图。
图12是本发明实施例提供的边坡开挖第一步最大主应力云图。
图13是本发明实施例提供的边坡开挖第一步最小主应力云图。
图14是本发明实施例提供的边坡开挖第一步X方向位移云图。
图15是本发明实施例提供的边坡开挖第一步Z方向位移云图。
图16是本发明实施例提供的6#断面矢量位移场图。
图17是本发明实施例提供的11#断面矢量位移场图。
图18是本发明实施例提供的边坡开挖第一步塑性区分布图。
图19是本发明实施例提供的1#断面剪应变速率云图。
图20是本发明实施例提供的边坡开挖第二步最大主应力云图。
图21是本发明实施例提供的边坡开挖第二步最小主应力云图。
图22是本发明实施例提供的边坡开挖第二步X方向位移云图。
图23是本发明实施例提供的边坡开挖第二步Z方向位移云图。
图24是本发明实施例提供的6#断面矢量位移场图。
图25是本发明实施例提供的11#断面矢量位移场图。
图26是本发明实施例提供的边坡开挖第二步塑性区分布图。
图27是本发明实施例提供的11#断面剪应变速率云图。
图28是本发明实施例提供的边坡开挖第三步最大主应力云图。
图29是本发明实施例提供的边坡开挖第三步最小主应力云图。
图30是本发明实施例提供的边坡开挖第三步X方向位移云图。
图31是本发明实施例提供的边坡开挖第三步Z方向位移云图。
图32是本发明实施例提供的6#断面矢量位移场图。
图33是本发明实施例提供的11#断面矢量位移场图。
图34是本发明实施例提供的边坡开挖第二步塑性区分布图。
图35是本发明实施例提供的6#断面剪应变速率云图。
图36是本发明实施例提供的11#断面剪应变速率云图。
图37是本发明实施例提供的边坡开挖第三步最大主应力云图。
图38是本发明实施例提供的边坡开挖第三步最小主应力云图。
图39是本发明实施例提供的边坡开挖第四步X方向位移云图。
图40是本发明实施例提供的边坡开挖第四步Z方向位移云图。
图41是本发明实施例提供的6#断面矢量位移场图。
图42是本发明实施例提供的11#断面矢量位移场图。
图43是本发明实施例提供的边坡开挖第四步塑性区分布图。
图44是本发明实施例提供的#断面剪应变速率云图。
图45是本发明实施例提供的11#断面剪应变速率云图。
图46是本发明实施例提供的尖山露天矿边坡开采现状平面地形图与剖面划分示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种边坡稳定性分析与评价方法、系统、介质、设备、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的边坡稳定性分析方法包括以下步骤：
S101，结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
S102，将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
S103，进行边坡稳定性综合分析。
步骤S101中，本发明实施例提供的模型的边界条件为：将模型边坡临空面设置为自由边界，将模型底部z＝1600m设置为固定约束边界，模型四周设置为单向约束边界。
步骤S101中，本发明实施例提供的材料本构模型采用Mohr-Coulomb准则，即弹塑性模型。
步骤S102中，本发明实施例提供的将确定的模型在原始模型初始平衡工况下进行稳定性分析包括：
利用确定的模型计算在初始平衡下的应力状态与位移状态，分析模型是否处于初始平衡状态。
步骤S102中，本发明实施例提供的将确定的模型在开挖第一步模拟工况进行稳定性分析包括：
将模型各方向的位移至零，塑性区至零，即将初始应力产生的变形和塑性区完全去除，数值分析计算结果从变形位移情况、应力情况和速度场及其塑性区分布四个方面分析开挖第一步边坡岩土体的力学响应特性；
所述开挖第一步为对采场边坡在原始模型初始平衡后对其开挖至2035m水平；
所述变形位移情况分析包括：基于边坡开采至2035m水平过程中X方向、Z方向的位移云图、边坡断面矢量位移场图确定岩体位移量以及滑动破坏特征；
所述应力情况分析包括：基于边坡开采至2035水平时的最大主应力与最小主应力云图，进行边坡应力场规律以及特征分析，确定边坡岩体的受力状态；
所述速度场及其塑性区分布分析包括：基于开挖第一步后的整体塑性区云图进行塑性区破坏规律特征分析。
步骤S102中，本发明实施例提供的将确定的模型在开挖第二步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第二步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第二步模拟工况为边坡分台阶卸载至2070m，并开采至现状；
所述开挖第二步模拟工况应力场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第二步模拟工况位移场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第二步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡卸载后开采至现状的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
步骤S102中，本发明实施例提供的将确定的模型在开挖第三步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第三步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第三步模拟工况为对高陡边坡开采至1910m高程时；
所述开挖第三步模拟工况应力场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第三步模拟工况位移场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第三步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
步骤S102中，本发明实施例提供的将确定的模型在开挖第四步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第四步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第四步模拟工况为高陡边坡开采至1840m高程时；
所述开挖第四步模拟工况应力场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第四步模拟工况位移场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第四步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
步骤S103中，本发明实施例提供的进行边坡稳定性综合分析包括：
采用FLAC3D数值计算方法对边坡不同开采阶段从边坡开挖应力场、位移场及塑性区分布特征进行边坡稳定性综合分析；
所述边坡不同开采阶段包括天然边坡以及开挖边坡；所述开挖边坡包括开挖第一步、开挖第二步、开挖第三步以及开挖第四步。
本发明实施例提供的边坡稳定性分析评价方法包括：
采用FLAC/SLOPE对边坡进行稳定性分析评价，确定边坡在不同开采阶段的安全系数。
如图2所示，本发明实施例提供的边坡稳定性分析评价方法包括以下步骤：
S201，确定边坡安全系数以及边坡稳定性判别标准；
S202，沿边坡走向间隔50米确定一个剖面，进行边坡的剖面划分；
S203，基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数，精确分析边坡稳定性特征。
步骤S201中，本发明实施例提供的边坡稳定性判别标准为：
边坡安全系数Fs＞1.10以上，则边坡安全；
边坡安全系数Fs在1～1.10之间，则边坡处于极限平衡状态；
边坡安全系数Fs＜1.0时，则不安全。
步骤S203中，本发明实施例提供的基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数包括：
在有开采技术条件下以及现有开采技术条件下边坡延伸开采至1840m工况下计算边坡安全系数。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
露天矿边坡开挖稳定性分析
采用FLAC3D对尖山磷矿层状高陡边坡在采矿活动中的演化规律进行分析与研究。FLAC3D是Fast LagrangianAnalysis ofContinua in 3Dimension的简称，是由Itasca公司研发的大型岩土工程分析软件，它是二维程序FLAC的拓展，可以模拟土质、岩石或其它材料的三维力学行为，可以精确的模拟屈服、塑性流动、软化直至破坏的整个过程。
采用FLAC3D进行计算机数值模拟时，首先建立有限差分网格、确定材料物理力学参数和材料本构模型，以及指定计算模型边界条件与初始条件。有限差分网格用来定义分析模型的结果形状；材料的特性和与之对应的本构模型用来表征模型在外力作用下的力学响应；边界和初始条件用来定义模型的初始状态。完成上述模拟的准备工作后，即可求解模型的初始状态，执行开挖或变更附属环境条件，求解模型开挖或环境条件改变后的力学响应。最后，输出计算结果，完成分析。
1、计算模型与方案
(1)边坡计算模型的建立
数值分析的可靠性在一定程度上取决于所建立的计算模型。大型三维仿真计算模型均是对实体研究对象进行了必要的假设和处理，使得模型的建立具有可操作性，以及建立的模型能够反映实际工程的特点。
本发明结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合等，建立了边坡三维计算模型。图4为尖山磷矿采区边坡平面地形图。图5为边坡典型地质剖面图。模型X方向为边坡倾向方向(自南向北)，长度1700m；模型Y方向为边坡走向方向(自东向西)，长度1300m；模型Z方向为竖直方向，模型底部标高1600m。模型共有341220个节点、325680个单元。图7为原始计算模型，图8至图11为最终开挖边坡。
(2)边坡计算模型的概化
建模过程中对边坡地质原型进行了一定的简化。从地质剖面图上可知，原始边坡开挖前，浅表层有第四系粘土层，层厚较薄，该地层对开挖最终边坡稳定性影响小，数值建模不予考虑。矿体中间赋存水云母粘土层，厚度0.58～2m，将矿体分为上下两个矿层；在矿体回采过程中被开挖。因此，它的存在对最终边坡稳定性影响较小，数值模拟计算时不予考虑。区内地质构造发育程度一般，仅有一走向逆断层组(F1-1、F1-2),总体走向近东西，倾向330°～20°，断层破碎带宽度0.13～2.86m，两断层主要切割矿体赋存的地层，随着矿体回采而逐渐消失，因此，断层组对最终边坡稳定性影响较小，建模时不考虑。
计算模型除边坡临空面设为自由边界外，模型底部z＝1600m设为固定约束边界，模型四周设为单向约束边界。由于边坡坡面构造应力基本释放，所以在初始条件中，不考虑构造应力，仅考虑自重应力产生的初始应力场。
本构模型；数值模拟中，采用Mohr-Coulomb准则，即弹塑性模型。
(3)宏观岩体力学参数
(4)模拟计算方案
依据文中第三章陈述的尖山露天矿开采历史条件及设计开采方案，本次模型计算共分为如下五个工况进行分析：
①原始模型初始平衡；
②开挖第一步，露天矿边坡开采至2035m；
③开挖第二步，边坡分台阶卸载至2070m，并开采至现状；
④开挖第三步，一期采矿工程采至1910m结束；
⑤开挖第四步，二期采矿工程采至1840m结束，形成最终开挖边坡。
2、自然边坡稳定性分析
对天然状态下的边坡进行模拟分析，不仅是验算天然状态下边坡的变形破坏特征，更重要的是检验所建模型及岩土体参数取值的合理性，以便正确地评价和预测开挖条件下边坡的变形破坏现象及规律。
给定边界条件与初始应力条件，边坡在自然条件下应处于初始平衡状态。原始模型计算6000步后，系统趋于近似平衡状态。模型计算平衡后坡体内的应力状态与位移状态见图8至图11。
通过分析图8～图9，天然状态下边坡应力场的分布均匀，且随着深度变化符合一般应力场分布的规律。自然边坡的初始应力场主要由岩体自重应力引起，从地表向边坡深部最大主应力逐步增大，最大压应力值为11.8MPa，坡体浅层最大主应力0.016～1.5MPa，为压应力(FLAC3D中以拉应力为正、压应力为负)。最小主应力的分布规律与最大主应力分布相似，其大小范围在0.27～5.1MPa，也随之深度增加而增大；边坡地形地貌突变的位置出现拉应力，其最大值约0.27MPa。图10-图11，为自然边坡X方向与Z方向位移，其中坡顶处两个方向的位移数值较其它部位大，分别为10cm和80cm；由于模型计算时假定边坡最初的状态为刚生成的状态，因此计算得到的位移情况为边坡从形成到目前状态总的变形位移值，但在自然状态下边坡已经达到平衡，位移变形也已经完成，因此，对模型初始阶段产生的位移可作忽略。通过原始模型应力场、位移场分析，模型系统处于初始平衡状态，无异常响应，可进行开挖计算。
3、开挖边坡稳定性分析
3.1边坡稳定性模拟
在原始模型初始平衡分析后，对模型系统各方向的位移至零，塑性区至零，即将初始应力产生的变形和塑性区完全去除，视边坡变形破坏是由开挖活动引起的。数值分析计算结果从变形(位移)情况、应力情况和速度场及其塑性区分布等四个方面来分析边坡岩土体的力学响应特性，以及可能的内在变形破坏机理。
(1)开挖第一步
矿山投产初期，采矿作业主要集中在图4所示的9～14#线范围(尖山采场)进行，1～9#线范围(海丰采场)剥采量小。采场高边坡开采至2035m水平，边坡最大开挖高度达178m，边坡角42～50°，在重力、卸荷及风化等作用下，边坡顶部出现一弧形裂缝，近东西走向，裂缝长度约200m，裂缝宽度15mm～500mm，边坡下部局部地段出底鼓。因此，第一步开挖模拟是对采场边坡在原始模型初始平衡后对其开挖至2035m水平，分析边坡变形破坏规律及特征。
①应力场规律与特征分析
图12-图13为露天采场边坡开采至2035m水平时的最大主应力与最小主应力云图，结果表明：边坡经开挖卸荷，原岩应力场产生了重新分布，岩体大部分区域依旧处于受压状态，最大压应力14MPa，模型最大主应力自上而下依次增大，在斜坡坡面附近，最大主应力(压应力)基本顺着坡面方向，并一直延伸至坡脚，构成了不利于边坡稳定的因素。在边坡坡顶坡面附近，产生了局部拉应力区，最大拉应力0.35MPa，最小主应力(拉应力)也近似顺着坡面方向延伸至坡脚，并在坡脚处有增大的趋势，坡脚处拉应力集中也不利于边坡稳定。边坡内部，深部岩体主要受铅垂方向的压应力作用，体现为受压屈服。同时，最小主应力云图显示，边坡开挖卸荷后坡顶出现了大范围的拉应力区，岩体处于受拉状态，由于岩体的抗拉强度一般较小，常发生张拉破坏，形成张拉裂隙(缝)。因此，从边坡岩体的受力状态分析，整体边坡处于受压状态，随开采边坡高度的增大，易发生“压-剪”破坏，边坡局部岩体处于受拉状态，易在不同部位(坡顶、坡肩)形成裂隙。
②位移场分析
图14-图15为露天采场边坡开采至2035m水平过程中X方向(水平)、Z方向(铅垂)的位移云图。图中计算结果表明：随着边坡的开挖，岩体由于卸荷作用，导致X、Z方向的位移明显朝向开挖坡面。坡顶部位，X方向最大位移量-2.5cm，方向倾向背坡面；Z方向最大位移量-1.03cm，方向垂直向下；因此，坡顶X与Z两个方向上产生的位移形变会引起边坡上部岩体拉裂与下沉，易形成近似走向方向的裂缝。斜坡面上，由于开挖卸荷扰动，岩体位移量较大，X方向位移0～7.1cm，Z方向位移3～14.3cm，位移多以向开挖坡面方向的回弹变形为主，局部伴随有向坡内的变形，向坡内的位移约0～3cm。坡脚位置，水平向坡外的位移变形量大，最大的位置处于尖山采场10#线2080m高程附近。边坡水平、垂直方向位移云图分析显示，露天采场边坡开采至2035m高程，边坡坡高185米，坡顶会出现由于张拉作用及不均匀下沉引起的裂缝；边坡整体在受压屈服过程中，随着边坡开挖卸荷作用的强烈，斜坡岩体发生倾向坡外的移动，在2080m高程段附近，岩体水平位移量最大，边坡出现有“压-剪”式破坏的迹象。
图16-图17为边坡断面矢量位移场图。6#断面位于东部海丰采场，开采初期海丰采场边坡开挖扰动小，整体边坡不高，卸荷岩体发生回弹，边坡位移矢量主要指向开挖坡面，坡脚处位移量较大。11#断面位于西部尖山采场，边坡受开采扰动影响大，形成高185米的一面坡，边坡上部位移矢量沿坡面平行向下，坡脚处位移呈近似水平方向剪出，边坡整体呈现出上部顺层面滑移、下部沿水平剪出的“平面复合型”滑动破坏特征。
③塑性区破坏规律特征分析
图18为边坡开挖第一步后，整体塑性区云图，结果表明：尖山采场边坡开挖变高变陡，边坡岩体出现了明显的塑性破坏区域，并且区域主要集中在岩体的表面和边坡开挖面附近，坡顶与坡脚塑性区成片连接；海丰采场边坡开采扰动小，整体边坡不高，仅在岩体表明及开挖坡面零星分布塑性区域。图19为尖山采场11#断面边坡剪应变云图，图中显示边坡潜在两个剪切滑动面，滑面与开挖坡面近似平行，自坡顶贯穿至坡脚，深部滑面坡顶与坡脚处剪应变增量较大，边坡内部剪应变相对较小，浅部滑面中间部位剪切应变增量大，顶部与坡脚处小。
(2)开挖第二步
矿山露天边坡以“一面坡”开采形式回采至2035m水平，边坡顶部出现近东西走向的弧形裂缝，坡脚岩层有溃屈破坏的迹象，通过边坡稳定性分析，高边坡处于极限平衡状态。因此，在即有开采技术条件下，露天矿边坡不能开采至矿山一期工程设计的最低开采水平1910m。为确保矿山持续、高效、安全的生产，尖山磷矿在高边坡开采稳定性充分论证的基础上，实施了削坡减重处置：将边坡上部进行局部卸载，使其形成台阶式回采方式，即“2070标高以上卸载形成5个台阶，下部采取高台阶方式回采到设计标高1910水平”。卸载后形成：2190平台、2160平台、2130平台、2100平台和2070平台，台阶高度为30m，其中，2190平台台阶宽度4m，2070平台台阶宽度12m，其余平台宽度为8m。高陡边坡卸载完工后，矿山继续向下开采，与此同时，边坡东部海丰采场的剥采规模也随之扩大，逐渐形成走向1200米、高290米的采场边坡。开挖第二步，即在前述矿山开采背景下，对边坡卸载后开采至现状进行变形破坏规律及特征分析。
①应力场分析
图20-图21为高边坡卸载后开采至现状的最大主应力与最小主应力云图。结果显示，与卸载开挖前相比，边坡顶部拉应力区域明显减小，数值减小至0.22MPa。边坡开挖区域，最大主应力为压应力；深部岩体应力状态变化不大，主要为受压屈服。坡脚、平台与坡肩上出现了拉应力集中区域，尤其以尖山采场边坡坡肩拉应力区域范围大。高边坡卸载后，释放了部分拉应力，但是由于边坡延伸开采了100米，边坡高度与坡面角随之增大，边坡西部岩体仍处于受拉状态，易形成拉裂缝。
②位移场分析
图22-图23为高边坡卸载后开采至现状X方向(水平)、Z方向(铅垂)的位移云图。结果表明：高边坡卸载、延伸开采后，边坡整体位移变化较大。坡顶及边坡东部X方向位移倾向坡内，变化范围在0～37.1cm；边坡西部X方向位移朝向开挖坡面，上部位移20～80cm，下部位移100～120cm。边坡东部Z方向的位移0～12.3cm，以朝向开挖坡面的回弹变形为主；边坡西部Z方向位移20～107cm，方向垂直向下。计算结果与开采至2035m边坡位移变形相比，虽然整体边坡的位移变形量增大，但是在延伸开采过程中有效地抑制了原有变形破坏趋势的发展，使矿山安全、高效的向下回采了100米，经济效益显著。
高陡边坡在削坡减载治理中，由于现场施工的误差，导致2070m平台宽度部分地段(9#～11#)仅为2～3米，不满足设计要求12米；矿体向下开采过程中，揭露出2070m～1950m矿体倾角变陡(变化范围在4～9°)，边坡坡面角增大。上述生产建设中出现的问题，使得高陡边坡经历着新一轮的“稳定→不稳定”的变化过程。基于开采现状位移场分析，高边坡10#～11#线2090m～2130m高程段边坡岩体水平位移变化大，结合图25的11#断面矢量位移场图，位移矢量沿坡面平行向下，并在2070m平台下部位移矢量角呈近水平向，表征出边坡有滑移-剪出的迹象，数值模拟结果与2012年1月初发生的边坡中部2070m平台滑坡实际情况较为吻合。高边坡1#～9#海丰采场，边坡开挖历时较短，整体边坡不高，岩体主要以卸荷回弹变形为主。选取6#断面矢量位移场分析(图24)，位移矢量主要指向临空面，边坡未出现向下移动或水平剪出的矢量位移。
③塑性区破坏规律特征分析
图26为高陡边坡卸载后开采至现状的塑性区分布图。结果表明：高陡边坡卸载、延伸开采后，海丰采场坑底有塑性区集中分布，但边坡坡面上无大面积成片的塑性区分布，仅个别台阶处有零星分布，边坡岩体整体上仍处于稳定状态。尖山采场边坡出现了成片的塑性区，自坡顶延伸至坡脚，边坡岩体进入塑性状态，有发生变形破坏的可能。边坡现场调查中发现边坡2070平台、2010平台、2130平台西段出现的近似边坡走向的长、大裂隙，裂隙最大发育宽度约80cm～100cm，裂缝长度几米～几十米不等，大多数裂缝两侧岩土体发生不均匀沉降；平台外侧局部岩体已沿层面脱落、发生滑移。图27为尖山采场11#断面边坡剪应变云图，边坡发育有一自坡顶向下延伸至坡脚的潜在滑移面，滑面深度30～40米，距坡脚1/3处和坡顶滑带上，剪应变速率最大。从边坡岩体所处的应力状态分析，开挖区域岩体最大主应力为压应力，边坡岩体处于受压屈服状态，随着岩体形变位移的增加，易发生“压-剪”式破坏；滑面形态呈现出一组合特征，即边坡中上部近似平行开挖临空面，下部呈水平剪出，整体仍符合“平面复合型”滑动。
(3)开挖第三步
依据矿山开采设计规划，一期工程设计开采至1910m。现阶段，高陡边坡尖山段(西部)已开采至1935m，海丰段(东部)已开采至2000m，即高边坡东西两端分别要向下开挖25米和90米。开挖第三步，即在前一步开挖基础上，对高陡边坡开采至1910m高程进行变形破坏规律及特征分析。
①应力场分析
图28-图29为高边坡开采至1910m高程的最大主应力与最小主应力云图。结果表明：高陡边坡向下开采，最大主应力比现状边坡明显减小，开挖区域最大主应力仍是压应力，其大小在0～2MPa，但在扩帮边坡坡顶最大主应力为拉应力，且有明显的拉应力集中区域，拉应力大小0～0.98MPa。开挖坡面最小主应力比现状边坡明显增大，由原来的0～0.22MPa增大为0～0.41MPa，且表现为拉应力；其中拉应力在边坡东部各平台上出现了应力集中区域，同时，边坡西部原有的拉应力集中区域进一步扩大。高陡边坡开挖坡面上出现的大范围拉应力集中，使得边坡岩体处于受拉状态，由于岩体的抗拉强度远小于抗压强度，因此，边坡岩体长期经历张拉作用会诱发边坡产生“滑移-拉裂”破坏，当滑面贯通边坡体，整体边坡处于失稳状态，边坡滑移诱发的滑坡灾害不可估量。
②位移场分析
图30-图31为高陡边坡开采至1910m高程X方向(水平)、Z方向(铅垂)的位移云图。计算结果表明：随着边坡向下开挖，X方向与Z方向的位移增大。与现状边坡位移云图相比，边坡开采至1910m，最大水平位移由120～126cm增大为175～200cm，开挖面附近边坡位移方向均朝向临空面；其中，高边坡10#～11#线2070～2190m高程段最大位移变化范围扩大；2#～3#线1940～1950m高程段内边坡岩体水平向坡外位移量最大，结合陡倾顺层岩质边坡溃屈破坏的特征，上述两个位置均有可能发生鼓出、弯曲变形破坏。边坡开挖区域Z方向位移均垂直向下，坡顶位移量最大140～182cm，自坡顶向下，位移量逐渐有减小趋势，但其位移变形范围仍然有20～100cm，整体边坡下沉迹象明显。
图32-图33为边坡断面矢量位移场图。结果表明：前两步开挖，海丰采场边坡6#断面矢量位移场揭示边坡岩体位移主要以卸荷回弹变形为主，方向指向开挖坡面；第三步开挖后，6#断面矢量位移方向平行临空面指向下，且在1950m高程位移矢量发生偏转，方向近似水平，整个过程位移变化量较大，边坡有滑移、剪切的迹象。11#断面矢量位移增大，表征边坡向下滑动的趋势越加强烈，边坡岩体水平剪出的位置由现状边坡的2040m高程下降为1960m，边坡变形破坏的范围进一步扩大。
③塑性区破坏规律特征分析
图34为高陡边坡开采至1910m高程的塑性区分布图。结果表明：一期开采过程结束，在现有开采技术条件上，边坡开挖区域处于塑性状态；潜在变形破坏的边坡岩体范围扩大。图35和图36为边坡6#与11#断面剪应变速率云图，当边坡开采至1910m，海丰采场边坡也出现潜在的滑动面，但滑面自上而下未贯通；尖山采场边坡潜在滑移面较现状边坡向下扩展，滑面形态为上部滑移、下部水平剪出的“平面复合型”。
(4)开挖第四步
在一期工程设计开采至1910m基础上，向下延伸再开采70m，即二期工程设计开采至1840m。开挖第四步，即在前一步开挖基础上，对高陡边坡开采至1840m高程进行变形破坏规律及特征分析。
①应力场分析
图37-图38为高边坡开采至1840m高程的最大主应力与最小主应力云图。结果表明：高陡边坡继续向下延伸开采，坡顶出现了拉应力区域，拉应力数值0～0.98MPa；开挖区域最大主应力仍是压应力，其大小在0～2MPa。开挖坡面最小主应力比开采至1910m时增大，由原来的0～0.36MPa增大为0～0.41MPa，且表现为拉应力；其中拉应力集中区域仍是在边坡东部各平台及边坡西部坡肩上；数值分析边坡开采至1840m，最小主应力为拉应力，且数值有所增大，表明边坡岩体在延伸开采过程中一直处于受拉状态，且张拉破坏作用愈加强烈，其破坏范围愈加增大，边坡发生“滑移-拉裂”的变形破坏越加明显，整体边坡稳定性更差。
②位移场分析
图39-图40为高陡边坡开采至1840m高程X方向(水平)、Z方向(铅垂)的位移云图。计算结果表明：随着边坡继续向下延伸开采，X方向与Z方向的位移继续增大。其中，高陡边坡东部海丰采场2#～3#线1940～1950m高程段内边坡岩体水平向坡外位移量增大显著，由开挖第三步的175～200cm增大为700cm，即边坡东部在延伸开采过程中，变形破坏加剧，整体边坡处于失稳状态。尖山采场深部矿体逐渐变缓，倾角约在12～16°，边坡下部坡面角也随之变缓，但是由于边坡继续在开挖第三步的基础上向下延伸开采了90米，整体边坡增高，下滑力增大，边坡水平倾向坡外的位移也随之增大，但相对东部边坡位移变化幅度，西部整体的位移形变增量较小。边坡开挖区域Z方向位移仍表征为垂直向下，同样比第三步开挖时位移量有显著增大。坡顶位移量最大600～717cm，从坡顶向下，位移量逐渐减小，但其位移变形范围仍然有100cm左右，边坡整体Z方向位移变化表示坡体下沉的幅度较第三步开挖增大，边坡整体破坏愈加显著。
图41-图42为边坡断面矢量位移场图。结果表明：与第三步开挖类似，边坡岩体经开挖卸荷，岩体位移没有出现指向开挖坡面的回弹变形，位移方向顺坡朝下。6#断面矢量位移方向平行临空面指向下，且在1950m高程位移矢量发生偏转，方向近似水平，整个过程位移变化量大，边坡滑移、剪切迹象显著。11#断面矢量位移也增大，边坡变形破坏的范围与开挖第三步相同，边坡沿1960m水平有剪出趋势。
③塑性区破坏规律特征分析
图43为高陡边坡开采至1840m高程的塑性区分布图。结果表明：二期开采结束，与一期开采结束后类似，边坡开挖区域整体处于塑性状态，潜在变形破坏的边坡岩体范围进一步扩大。图44和图45为边坡6#与11#断面剪应变速率云图，边坡潜在滑移面的范围与边坡开采至1910m时相同，但是剪应变速率发生明显变化，即边坡东部剪应变速率增大，边坡西部剪应变速率减小。高边坡东部随采深增加，边坡增高变陡，边坡“滑移-拉裂”破坏增加，边坡岩体剪切应变增大。高边坡西部，由于下部矿体变缓，边坡应力状态较上一步开挖有所减小，边坡“滑移-拉裂”破坏作用有所减弱，边坡岩体剪切应变略有减小。边坡滑移破话面仍为“平面复合型”，即开挖上部发生滑移、下部出现水平剪切。
3.2边坡稳定性综合分析
应用FLAC3D数值计算方法对尖山磷矿高陡边坡不同开采阶段进行边坡变形破坏规律及特征的分析与研究，从边坡开挖应力场、位移场及塑性区分布等特征综合分析：
天然山坡，在开挖边坡前，由于长期地质历史的内外力等作用的影响，形成了具有一定外貌形态，并处于一定应力场的动态平衡状态。
开挖边坡，产生新的临空区域，出现了新的“应力平衡区域”，激活了原有被控制的对边坡稳定不利的因素。因此，边坡岩体开挖卸荷，破坏了斜坡岩体所处的原有平衡状态，导致开挖面岩体应力的松弛和岩体中应力场的变化致使岩体发生变形。当边坡岩体应力变化和变形处在其允许范围内，边坡岩体将不发生破坏，即边坡岩体仍然处于一个动态平衡状态，开挖边坡是稳定的；如果边坡应力重新分布、变形超过了边坡岩体的允许范围，边坡岩体将发生大规模的整体破坏，即开挖边坡将由于开挖卸荷作用出现失稳。
开挖边坡引起边坡岩体应力重新分布，坡面岩体产生新的“应力平衡区域”，其主要体现在：①开挖卸荷引起边坡坡体局部应力增高。从已有的理论研究和数值模拟分析表明，随着开挖坡度的增加，边坡坡顶、变坡点附近及坡脚附近的应力增加明显，在变坡点附近出现最大张应力区，坡脚出现最大剪应力区，这可导致边坡出现张拉和剪切破坏。由此可见，开挖边坡，由于边坡岩体的卸荷、将引起边坡中局部应力的增高，即有可能进一步引起边坡岩体的拉张开裂破坏和坡脚的剪切破坏，导致边坡的稳定性降低。
②开挖卸荷、爆破震动等导致边坡岩体完整性降低。由于开挖卸荷、施工爆破作业的影响，边坡开挖区域岩体由于应力调整而导致结构面张开松弛、产生新的裂隙，一定范围内的岩体完整性降低，并伴随出现体积增大的现象，从而使岩体的力学强度降低。已有研究表明[]，边坡岩体中节理裂隙愈发育，岩体的抗剪强度将愈低；如果岩体由于开挖应力释放变形使体积增大、节理张开，其强度就会有很大降低，岩体体积增加3％，岩体强度将下降90％。
尖山磷矿自然边坡最大主应力表现为压应力，随着开采掘进，边坡开挖区域，最大主应力由压应力逐渐变换为拉应力，并出现拉应力集中；与此同时，边坡最小主应力在开挖区域均表征为拉应力，且拉应力数值随开采深度增加，越加变大。由于边坡岩体抗拉强度最小，开挖卸荷岩体长期在受拉状态下，易产生张拉裂隙，裂隙的扩展与贯通导致岩体发生张拉破坏。从数值分析结果来看，开挖边坡拉应力最先出现在坡顶、坡肩及坡脚处，当边坡增高变陡时，拉应力沿开挖区域连接成片，并在边坡不同台阶上出现，边坡岩体破坏范围扩大，整体稳定性越拉越低。
从边坡开挖位移变化综合分析，开挖第一步，采场西边边坡高185米，整体边坡在受压屈服过程中，伴随边坡岩体开挖卸荷作用的加强，斜坡岩体产生平行于临空面方向向下的位移，且在水平2080m高程段内位移矢量夹角发生偏转，呈近水平向；同一时期，由于采场东边边坡开挖扰动小，边坡整体不高，边坡岩体产生的位移以回弹变形为主，方向指向临空面。开挖第二步，即在第一步开挖基础上，对边坡进行削坡减重处治，并向下延伸开采100米，由于边坡卸载施工中产生的误差导致西边边坡在向下开采中逐渐又出现了“稳定→不稳定”的变化，整体边坡水平方向、垂直方向位移变化大，其中东边边坡仍以回弹变形为主，方向指向临空面，西边边坡上部岩体产生平行于临空面向下的位移，位移矢量夹角发生偏转的位置由2080m降至2050m。开挖第三步、开挖第四步，即在现有开采基础上，向下分别延伸开采至1910m、1840m，整体边坡位移形变均由平行临空面向下与水平剪出两种组成；东边边坡岩体向下移动与水平剪出的位移增量不断增大，并在2#-3#线1960m高程段内边坡岩体位移矢量呈水平向；西边边坡变形规律与东边边坡基本相似，但前后两次位移变化增量较小。因此，从边坡位移变化特征及计算结果分析，高陡边坡在延伸开采过程中位移量逐渐增大，上部坡体向下滑移、下部坡体发生水平剪出，边坡整体位移运动迹线表征为“平面复合型”滑动，且整体边坡处于失稳状态。
层状边坡在随着开挖卸荷范围的逐渐增大，层间阻滑力减小，层间相对运动增大，上部坡体呈现向下移动的趋势，而边坡下部岩体有水平剪出的趋势；层状岩质边坡开挖扰动后，坡体岩层会沿一定范围发生弯曲，表征为该范围岩体位移运动水平指向坡外，边坡岩体发生弯曲变形是由上部岩体受压，而下部岩体无自由临空方向，即位移受限所致，当弯曲变形逐渐扩大，弯曲变形量增加时，边坡即发生大规模的失稳，其属于陡倾层状岩质边坡的溃屈破坏失稳。
上述的分析表明，由于开挖卸荷作用，引起边坡岩体局部应力增高，以及开挖卸荷引起岩体裂隙增多、完整性降低等，使得开挖后边坡岩体强度降低，稳定性减小。
4、高边坡开挖稳定性评价
分析和求解边坡的稳定性状态是边坡研究中的核心内容，也是指导人们进行相关工程活动的重要依据。课题组在前一章中采用数值计算方法并结合FLAC3D数值软件有效模拟了高陡边坡随时间演化(不同开采阶段)的非线性系统的大变形力学过程，分析结果表征出高陡边坡在向下延伸开采过程中边坡处于不稳定状态，边坡坡面出现大面积塑性区，且从位移矢量图和剪切速率图分析，边坡出现明显的滑移面，呈直线与圆弧组合形态(平面复合型滑动模式)；随着开采深度的不断增加，位移、应力和塑性区面积增大，滑移面形成贯通。
虽然采用数值计算软件可以形象逼真的表征高陡边坡在实际开采过程中的一些特点与规律，但是人们还是习惯用安全系数的表示方法对边坡进行定量评价与分析。安全系数定义为边坡抗滑力(矩)与下滑力(矩)的比值，其值反应出边坡安全储备的大小。本研究中结合前述数值模拟试验的结果和高陡边坡破坏模式特征，拟采用FLAC/SLOPE对东采区海丰采场与尖山采场边坡进行稳定性研究，给出高陡边坡在不同开采阶段的安全系数。
4.1边坡稳定性判别标准
在边坡工程上，一般安全系数取1.1～1.5。对于临时边坡，在工程中一般要求安全系数≥1.1，对于永久边坡或重要边坡，一般要求安全系数≥1.2以上。加拿大的《边坡工程手册》第六章中指出，当边坡处在极恶劣的条件下，安全系数取1.05～1.1可能是合理的。在此情况下，地下水和地震均包括在内。孙玉科等(1988)根据国内外露天矿采场边坡设计的经验总结发现，矿山边坡稳定性安全系数取值一般都是在1.05～1.6之间，而大部分设计采用值一般都在1.1～1.5之间，超过1.5的设计是比较少的。他还指出，国外有人根据边坡服务年限选取安全系数，服务年限为10年以下时取1.1～1.2，服务年限达20年的取1.2～1.5，服务年限在20年以上的取值>1.5。在矿业工程生产中所形成的边坡，一般为非公共边坡，为了保证矿山开采效益，允许边坡出现局部和可预见或可忍受的跨塌，安全系数一般可以适当降低。基于上述原因，尖山磷矿东采区采场边坡安全评价准则为：边坡安全系数Fs＞1.10以上，即认为是安全的，Fs在1～1.10之间，认为是处于极限平衡状态，Fs＜1.0时则不安全。
4.2边坡稳定性计算分析
为精确分析露天采场边坡稳定性特征，沿边坡走向间隔50米确定一个剖面，露天采场研究范围内共选取23个剖面，其中1#-15#剖面为海丰采场，16#-23剖面为尖山采场，剖面位置见图46所示。
对上述确定的边坡计算剖面采用FLAC/SLOPE进行边坡安全系数求解，边坡岩体力学参数选取同表6-一致。计算分别依据工况：①现有开采技术条件下的边坡稳定性；②现有开采技术条件下边坡延伸开采至1840m。计算结果见表6-16所示。
表6-16高陡边坡稳定性计算结果
剖面 开采现状 采至1840m 剖面 开采现状 采至1840m
1# 1.94 0.95 13# 1.22 0.99
2# 1.73 0.86 14# 1.20 1.03
3# 1.52 0.88 15# 1.23 1.08
4# 1.42 0.88 16# 1.05 0.92
5# 1.42 0.95 17# 1.01 0.96
6# 1.35 0.92 18# 1.00 0.99
7# 1.33 0.94 19# 1.00 0.95
8# 1.29 0.91 20# 1.01 1.04
9# 1.18 0.90 21# 1.04 1.06
10# 1.16 0.85 22# 1.04 1.12
11# 1.15 0.86 23# 1.10 1.14
12# 1.22 0.87
从上述边坡剖面计算结果来看，现有开采技术条件下尖山采场边坡处于极限平衡状态，海丰采场边坡处于稳定状态，这与现场实际调查的特征相符。就目前高边坡出现的变形与开裂也主要是集中在尖山采场。但是在现有开采技术条件下，高陡边坡延伸开采至1840m水平，高陡边坡整体处于不稳定状态，其中海丰采场边坡稳定性问题更为突出；尖山采场由于下部矿体倾角变缓，使得靠近西端帮的21#-23#剖面边坡安全系数大于1.05，该范围内的边坡潜在失稳风险降低。
高陡边坡不同工况条件下的计算分析结果表明：现有开采技术条件不能确保高边坡安全、高效地延伸开采至1840m水平，且现状边坡已发生了较大的位移变化及坡体裂缝扩展，其潜在的滑动趋势已经对下部采场构成了严重的生产安全威胁，应当立即予以消除和治理。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种边坡稳定性分析方法，其特征在于，所述边坡稳定性分析方法包括：
结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
进行边坡稳定性综合分析。
2.如权利要求1所述边坡稳定性分析方法，其特征在于，所述模型的边界条件为：将模型边坡临空面设置为自由边界，将模型底部z＝1600m设置为固定约束边界，模型四周设置为单向约束边界；
所述材料本构模型采用Mohr-Coulomb准则，即弹塑性模型；
所述将确定的模型在原始模型初始平衡工况下进行稳定性分析包括：利用确定的模型计算在初始平衡下的应力状态与位移状态，分析模型是否处于初始平衡状态；
所述将确定的模型在开挖第一步模拟工况进行稳定性分析包括：
将模型各方向的位移至零，塑性区至零，即将初始应力产生的变形和塑性区完全去除，数值分析计算结果从变形位移情况、应力情况和速度场及其塑性区分布四个方面分析开挖第一步边坡岩土体的力学响应特性；
所述开挖第一步为对采场边坡在原始模型初始平衡后对其开挖至2035m水平；
所述变形位移情况分析包括：基于边坡开采至2035m水平过程中X方向、Z方向的位移云图、边坡断面矢量位移场图确定岩体位移量以及滑动破坏特征；
所述应力情况分析包括：基于边坡开采至2035水平时的最大主应力与最小主应力云图，进行边坡应力场规律以及特征分析，确定边坡岩体的受力状态；
所述速度场及其塑性区分布分析包括：基于开挖第一步后的整体塑性区云图进行塑性区破坏规律特征分析。
3.如权利要求1所述边坡稳定性分析方法，其特征在于，所述将确定的模型在开挖第二步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第二步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第二步模拟工况为边坡分台阶卸载至2070m，并开采至现状；
所述开挖第二步模拟工况应力场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第二步模拟工况位移场分析包括：基于高边坡卸载后开采至现状X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第二步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡卸载后开采至现状的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征；
所述将确定的模型在开挖第三步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第三步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第三步模拟工况为对高陡边坡开采至1910m高程时；
所述开挖第三步模拟工况应力场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第三步模拟工况位移场分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第三步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于对高陡边坡开采至1910m高程时的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征。
4.如权利要求1所述边坡稳定性分析方法，其特征在于，所述将确定的模型在开挖第四步模拟工况进行稳定性分析包括：
从应力场分析、位移场分析以及塑性区破坏规律特征分析三个层面进行开挖第四步模拟工况的变形破坏规律及特征分析；
所述开挖第四步模拟工况为高陡边坡开采至1840m高程时；
所述开挖第四步模拟工况应力场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的最大主应力与最小主应力云图进行边坡应力场分析；
所述开挖第四步模拟工况位移场分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程X方向、Z方向的位移云图以及边坡断面矢量位移场图进行边坡位移场分析；
所述开挖第四步模拟工况塑性区破坏规律特征分析包括：基于高陡边坡开采至1840m高程的塑性区分布图确定塑性区破坏规律特征；
所述进行边坡稳定性综合分析包括：
采用FLAC3D数值计算方法对边坡不同开采阶段从边坡开挖应力场、位移场及塑性区分布特征进行边坡稳定性综合分析；
所述边坡不同开采阶段包括天然边坡以及开挖边坡；所述开挖边坡包括开挖第一步、开挖第二步、开挖第三步以及开挖第四步。
5.一种评价如权利要求1-4任意一项所述边坡稳定性分析方法的边坡稳定性分析评价方法，其特征在于，所述边坡稳定性分析评价方法包括：采用FLAC/SLOPE对边坡进行稳定性分析评价，确定边坡在不同开采阶段的安全系数。
6.如权利要求5所述边坡稳定性分析评价方法，其特征在于，所述边坡稳定性分析评价方法包括以下步骤：
(1)确定边坡安全系数以及边坡稳定性判别标准；所述边坡稳定性判别标准为：
边坡安全系数Fs＞1.10以上，则边坡安全；
边坡安全系数Fs在1～1.10之间，则边坡处于极限平衡状态；
边坡安全系数Fs＜1.0时，则不安全；
(2)沿边坡走向间隔50米确定一个剖面，进行边坡的剖面划分；
(3)基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数，精确分析边坡稳定性特征；
所述基于确定的边坡坡面采用FLAC/SLOPE计算边坡安全系数包括：在有开采技术条件下以及现有开采技术条件下边坡延伸开采至1840m工况下计算边坡安全系数。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
进行边坡稳定性综合分析。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
进行边坡稳定性综合分析。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1-4任意一项所述边坡稳定性分析方法。
10.一种实施权利要求1-4任意一项所述边坡稳定性分析方法的边坡稳定性分析系统，其特征在于，所述边坡稳定性分析系统包括：
参数确定模块，用于结合尖山露天矿边坡赋存的地质环境条件、地形地貌特征以及地层岩性组合相关数据，建立边坡三维计算模型；确定模型的边界条件、初始条件、材料本构模型以及宏观岩体力学参数；
稳定性分析模块，用于将确定的模型在原始模型初始平衡工况下、开挖第一步工况下、开挖第二步工况下、开挖第三步工况下以及开挖第四步工况下共计五个模拟工况下进行稳定性分析；
综合分析模块，用于进行边坡稳定性综合分析。
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