CN114969887A - 一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法 - Google Patents

一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，方法首先在未进行内排支挡的情况下和全部内排支挡的情况下分别采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数；然后构建边坡最下岩体的简支梁模型，计算在未进行内排支挡的情况下和在进行部分内排支挡的情况下的简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数；接着计算两稳定性系数的比值，得到倍数m与最下岩体部分内排支挡长度L2之间的关系；最后确定含弱层边坡稳定性随内排支挡长度的变化规律，并绘制变化规律曲线。本发明的方法将空间力学问题转化为平面应变问题，简化了求解过程，并确定了含弱层边坡的稳定性随内排支挡长度的变化规律，为露天煤矿资源回采提供理论基础。

Description

一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法
技术领域
本发明涉及露天开采技术领域，尤其涉及一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法。
背景技术
在某些地区露天煤矿赋存弱层，极易发生以圆弧为侧界面，以弱层为底界面的切层-顺层组合滑坡，治理该滑坡的最佳措施为内排压脚。当排弃物料无法实现全部压帮时，边坡具有显著的三维空间效应。而传统的二维极限平衡法，无法考虑边坡的三维空间效应；现有的三维极限平衡法也无法适用于该滑坡模式的分析；此外，由于数值模拟方法建模的复杂性较高，也难以在工程中推广。因此，迫切需要提出一种新的方法用来确定含弱层边坡稳定性随内排支挡的变化规律，为露天煤矿资源回采提供理论基础。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在未进行内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs；
步骤2：在进行全部内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs1；
步骤3：以含弱层边坡最下岩体为研究对象，构建该岩体的简支梁模型，并分别计算在未进行内排支挡的情况下和在进行部分内排支挡的情况下的简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数，分别记为Fs3和Fs4，具体过程如下：
步骤3.1：将边坡最下岩体剩余推力与最下岩体底界面抗剪力的合力记为P，边坡最下岩体走向长度记为L1，最下岩体部分内排支挡长度记为L2；
步骤3.2：在未进行内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs3：
Figure BDA0003598070740000011
其中，σt为抗拉强度，wt为允许变形值；σ1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度；
步骤3.3：在进行部分内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs4：
Figure BDA0003598070740000021
其中，σ2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度。
进一步的，所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000022
所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000023
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000024
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000025
其中，H为简支梁的高度，b为底宽，EI为简支梁的弯曲刚度。
步骤4：计算Fs4和Fs3的比值，得到倍数m与最下岩体部分内排支挡长度L2之间的关系，具体如下：
Figure BDA0003598070740000026
步骤5：比较m倍的Fs与Fs1的大小关系，确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律，具体如下；
Figure BDA0003598070740000027
其中，ΔF为内排支挡时边坡的稳定性系数与未进行支挡时边坡稳定性的差值。
步骤6：绘制含弱层边坡稳定性随内排支挡长度的变化规律曲线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的方法充分利用二维极限平衡法操作简单、计算快捷的优势，从简支梁变形破坏与拉裂破坏角度出发，将空间力学问题转化为平面应变问题求解，克服了三维稳定性计算方法无法适用、数值模拟方法建模复杂等不足。本发明的方法还可用于露天煤矿回采端帮压覆资源时边坡形态参数优化。
附图说明
图1为本发明实施例中一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法流程图；
图2为本发明实施例中未进行内排支挡时含弱层边坡稳定性系数计算结果示意图；
图3为本发明实施例中进行全部内排支挡时含弱层边坡稳定性系数计算结果示意图；
图4为本发明实施例中部分内排支挡的情况下含弱层边坡最下岩体的受力情况分析图；
图5为本发明实施例中未进行内排支挡时含弱层边坡最下岩体的简支梁模型示意图；
图6为本发明实施例中进行内排支挡时含弱层边坡最下岩体的简支梁模型示意图；
图7为本发明实施例中含弱层边坡最下岩体的截面示意图；
图8为本发明实施例中含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中某露天煤矿东帮为含弱层边坡，边坡走向长度L1为1000m。
如图1所示，本实施例中一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法如下所述。
步骤1：在未进行内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs；
本实施例中，基于二维刚体极限平衡法计算未进行内排支挡时含弱层边坡稳定性系数Fs＝1.2，如图2所示。
步骤2：在进行全部内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs1；
本实施例中，进行全部内排支挡时，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡稳定性系数Fs1＝1.70，如图3所示。
步骤3：以含弱层边坡最下岩体为研究对象，构建该岩体的简支梁模型，并分别计算在未进行内排支挡的情况下和在进行部分内排支挡的情况下的简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数，分别记为Fs3和Fs4，具体过程如下：
步骤3.1：将边坡最下岩体剩余推力与最下岩体底界面抗剪力的合力记为P，边坡最下岩体走向长度记为L1，最下岩体部分内排支挡长度记为L2；
本实施例中，边坡最下岩体构建为简支梁模型后的受力情况如图4所示。
步骤3.2：在未进行内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs3：
Figure BDA0003598070740000041
其中，σt为抗拉强度，wt为允许变形值；σ1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度；
本实施例中，在未进行内排支挡的情况下，含弱层边坡最下岩体构建的简支梁结构如图5所示，其中A、C分别为边坡最下岩体走向长度的起始点和结束点，FAy为A点的支撑反力，FCy为C点的支撑反力。
步骤3.3：在进行部分内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs4：
Figure BDA0003598070740000042
其中，σ2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度。
本实施例中，在进行部分内排支挡的情况下，含弱层边坡最下岩体构建的简支梁结构如图6所示。
进一步的，所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000043
所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000044
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000045
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure BDA0003598070740000046
其中，H为简支梁的高度，b为底宽，EI为简支梁的弯曲刚度，本实施例中简支梁的截面如图7所示。
步骤4：计算Fs4和Fs3的比值，得到倍数m与最下岩体部分内排支挡长度L2之间的关系，具体如下：
Figure BDA0003598070740000051
步骤5：比较m倍的Fs与Fs1的大小关系，确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，具体如下；
Figure BDA0003598070740000052
其中，ΔF为内排支挡时边坡的稳定性系数与未进行支挡时边坡稳定性的差值。
本实施例中，代入已知量计算得到：
Figure BDA0003598070740000053
步骤6：绘制含弱层边坡稳定性随内排支挡长度的变化规律曲线。
本实施例中，绘制含弱层边坡稳定性随内排支挡长度的变化规律曲线如图8所示，当L2＝400m时，mFs的值等于Fs1。

Claims (5)

1.一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在未进行内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs；
步骤2：在进行全部内排支挡的情况下，采用二维极限平衡法计算含弱层边坡的稳定性系数，记为Fs1；
步骤3：以含弱层边坡最下岩体为研究对象，构建该岩体的简支梁模型，并分别计算在未进行内排支挡的情况下和在进行部分内排支挡的情况下的简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数，分别记为Fs3和Fs4；
步骤4：计算Fs4和Fs3的比值，得到倍数m与最下岩体部分内排支挡长度L2之间的关系；
步骤5：比较m倍的Fs与Fs1的大小关系，确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律；
步骤6：绘制含弱层边坡稳定性随内排支挡长度的变化规律曲线。
2.根据权利要求1所述的一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，其特征在于，所述步骤3的过程如下：
步骤3.1：将边坡最下岩体剩余推力与最下岩体底界面抗剪力的合力记为P，边坡最下岩体走向长度记为L1，最下岩体部分内排支挡长度记为L2；
步骤3.2：在未进行内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs3：
Figure FDA0003598070730000011
其中，σt为抗拉强度，wt为允许变形值；σ1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w1max为未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度；
步骤3.3：在进行部分内排支挡的情况下，计算简支梁理论定义下的含弱层边坡稳定性系数Fs4：
Figure FDA0003598070730000012
其中，σ2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力；w2max为进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度。
3.根据权利要求2所述的一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，其特征在于，所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure FDA0003598070730000021
所述未进行内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure FDA0003598070730000022
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大拉应力的计算公式为：
Figure FDA0003598070730000023
所述进行部分内排支挡的情况下简支梁的最大挠度的计算公式为：
Figure FDA0003598070730000024
其中，H为简支梁的高度，b为底宽，EI为简支梁的弯曲刚度。
4.根据权利要求3所述的一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，其特征在于，所述步骤4的计算过程如下：
Figure FDA0003598070730000025
5.根据权利要求4所述的一种确定含弱层边坡稳定性随内排支挡变化规律的方法，其特征在于，所述步骤5的确定过程如下：
Figure FDA0003598070730000026
其中，ΔF为内排支挡时边坡的稳定性系数与未进行支挡时边坡稳定性的差值。
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