基于能量原理的大孤山露天矿西井边坡开挖稳定性动态调控

周子涵¹，陈忠辉¹，师姝瑶¹，陈帅¹，李亚伟²，张伟²

1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院2. 中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司

摘 要：借助FLAC^3D内嵌的FISH语言并基于边坡在开挖过程中的系统能量守恒原理,实现了对露天矿边坡模型在开挖扰动过程中的能量计算,定义了单元体能量损伤变量Du和系统能量损伤变量Ds,结合尖点突变理论并以系统总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量突变判据。以大孤山露天矿西井边坡为例,通过能量突变与损伤演化分析、安全系数变化分析、位移场演化分析以及施工成本比较分析,实现了不同治理方案情况下西井边坡开挖稳定性的动态调控并确定了最优治理设计方案。研究表明:能量突变特征值Δ<0是判定露天矿边坡在第ni步开挖后局部围岩系统失稳的充要条件;当西井边坡由-258 m平台开采至-294 m平台时,边坡稳定性受到开挖扰动影响较为严重;通过能量突变与损伤演化分析等上述4个方面分析的综合考虑,建议选用削坡15 m+巷道边坡加固+-210 m平台加固的方案作为西井边坡稳定性综合治理的初步设计方案;能量突变特征值和安全系数随开挖次数的变化趋势具有一致性,验证了利用提出的能量突变判据评价露天矿边坡在开挖过程中的稳定性是合理可行的,为西井边坡在后续开挖过程中局部岩体失稳防治提供了一定的理论参考。

关键词：露天开采;边坡稳定性;能量;尖点突变理论;动态调控;边坡治理;