一种煤岩组合体作用下边坡稳定性计算方法和系统

本发明涉及边坡稳定性分析，特别是涉及一种煤岩组合体作用下边坡稳定性计算方法和系统。

背景技术：

1、在进行露天开采工程时，需要确保露天矿边坡处于稳定状态，以保证露天安全生产。尤其煤岩体作用下形成的复杂边坡体，具有显著的三维效应，直接威胁着露天开采作业人员与机械设备的安全，因此需要对其稳定性进行分析。现有的三维稳定性分析方法主要以二维计算为主，比如申请号为20211140557的“一种边坡稳定性预测方法”，就是先根据待预测边坡的边坡角度和边坡高度确定几何预测系数，根据容重、内聚力、摩擦角和空隙压比确定力学预测系数，再根据容重、内聚力、摩擦角、几何预测系数和力学预测系数预测待预测边坡的稳定性。而这种二维计算方法一般只能用于规则形态的均质边坡稳定性求解，无法满足实际生产中煤岩组合体作用下边坡稳定性求解，因此，亟需一种煤岩组合体作用下边坡稳定性系数计算方法，为露天煤矿复杂边坡体稳定系数确定提供理论基础。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种煤岩组合体作用下边坡稳定性计算方法和系统，通过建立煤岩组合体作用下边坡的三维模型，分区域解析微条柱底滑面的三维力学效应和各行微条柱叠加力学效应，得到了准确的煤岩组合体作用下边坡稳定性系数。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种煤岩组合体作用下边坡稳定性计算方法，包括以下步骤：

4、s1：分析区域工程地质特征，确定区域内边坡及煤岩体的形态参数和各地层岩体的物理力学参数；

5、s2：基于geo-studio岩土分析软件搜索潜在滑面，分析潜在滑面形态，确定最危险滑面的形态参数；

6、s3：基于最危险滑面的形态参数、地层倾向分布情况对主滑面进行垂直条柱划分，得到若干个微条柱，并分析微条柱底滑面的三维力学效应；

7、s4：将每个微条柱底滑面的三维力学效应叠加等效到滑体主滑面上，分阶段求解出各行微条柱的叠加下滑力x、叠加抗滑力t，确定等效物理力学参数；

8、s5：将等效物理力学参数引入到morgenstern-price法中，设置容重λ、煤岩组合体作用下边坡稳定性系数fs的初始值，根据弹性理论设置f(x)函数表达式；

9、s6：将设定的f(x)函数以及假设λ、fs的初始值代入边界条件中，判断是否满足边界条件，若不满足，则返回s5；若满足，则输出fs。

10、进一步的，所述分析区域工程地质特征，确定区域内边坡及煤岩体的形态参数，确定各地层岩体物理力学参数，具体包括：

11、s1.1：将煤岩组合体作用下边坡的潜在滑面近似为椭球面，建立煤岩组合体作用下的三维模型，得到滑面方程zh如下：

12、

13、式中，(x0，z0)为边坡主滑面上圆弧段圆心坐标；ra，rb分别为椭球面的长轴半径、短轴半径；

14、按照滑体边界形态划分区域，得到坡面方程zp如下：

15、

16、式中，h，h分别为zp1与zp3坡面到x轴的距离；θ，η分别为zp2与zp4坡面的与x轴的夹角；d为zp3坡面在x轴方向上的长度；

17、边坡的滑面为椭球面与弱层面的组合，弱层面在x轴、y轴方向的倾角分别为β、δ，此时，边坡的滑面方程如下：

18、

19、s1.2：根据弱层面的形态参数，确定弱层空间形态方程，结合内排土场形态参数及岩性地层模型，构建煤岩组合体作用下边坡三维稳定性计算模型。

20、进一步的，所述物理学参数包括黏聚力c、内摩擦角容重γ；所述形态参数包括内排土场边坡高度h/m、内排土场边坡角度θ/(°)、弱层面之上煤柱高度h/m、煤柱下底角η/(°)、弱层面沿倾向的倾角δ/(°)、圆心坐标、滑体短轴长度ra/m、滑体长轴长度rb/m。

21、进一步的，所述s3：基于最危险滑面的形态参数、地层倾向分布情况对主滑面进行垂直条柱划分，得到若干个微条柱，并分析微条柱底滑面的三维力学效应，具体包括：

22、s3.1：将任一微条柱视为侧面互相垂直的六面体，基于三维极限平衡条分法，对任一微条柱进行力学分析；

23、s3.2：忽略微条柱间所有的切向力和法向力，同时使底滑面的切向力与主滑方向平行，假设微条柱底部法向力的作用点位于条柱底部中点；

24、s3.3：根据力平衡条件，得到微条柱底滑面的法向力和下滑力，并基于摩尔-库伦强度准则，得到微条柱的抗滑力；

25、s3.4：通过分析坡面与滑面构成的空间体形态求得微条柱体积力。

26、进一步的，所述s4：将每个微条柱底滑面的三维力学效应等效到滑体主滑面上，分阶段求解出各行微条柱的叠加滑力下x、叠加抗滑力t，确定等效物理力学参数，具体包括：

27、合并主滑面上的等效力学效应与各行微条柱的叠加力学效应的同类项，求出滑体各阶段的等效容重γd、等效黏聚力cd、等效摩擦因数

28、进一步的，所述s5：将等效物理力学参数引入到morgenstern-price法中，设置容重λ、煤岩组合体作用下边坡稳定性系数fs的初始值，根据弹性理论设置f(x)函数表达式，具体包括：

29、假设条柱法向力e'i与条柱切向力xi之间关系为：

30、xi＝λf(x)e'i

31、边界条件为：

32、

33、一种煤岩组合体作用下边坡稳定性系数计算系统，应用于所述煤岩组合体作用下边坡稳定性系数计算方法，所述系统包括：

34、边坡数据采集模块：分析区域工程地质特征，确定区域内边坡及煤岩体的形态参数和各地层岩体的物理力学参数；

35、最危险滑面分析模块：将所述区域内边坡及煤岩体的形态参数和各地层岩体的物理力学参数输入至geo-studio岩土分析软件中，利用geo-studio岩土分析软件搜索潜在滑面，分析潜在滑面形态，确定最危险滑面的形态参数；

36、条柱划分模块：基于最危险滑面的形态参数、地层倾向分布情况对主滑面进行垂直条柱划分，得到若干个微条柱，并分析微条柱底滑面的三维力学效应；

37、等效物理力学参数求解模块：将每个微条柱底滑面的三维力学效应叠加等效到滑体主滑面上，分阶段求解各行微条柱的叠加下滑力x、叠加抗滑力t，确定等效物理力学参数；

38、初始值设置模块：将等效物理力学参数引入到morgenstern-price法中，设置容重λ、煤岩组合体作用下边坡稳定性系数fs的初始值，根据弹性理论设置f(x)函数表达式；

39、稳定性系数输出模块：将设定的f(x)函数以及假设λ、fs的初始值代入边界条件中，不断调整f(x)函数和λ的值，判断是否满足边界条件，直至满足边界条件，则输出fs。

40、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的煤岩组合体作用下边坡稳定性计算方法，在建立滑体空间形态方程，确定条柱力学模型、条柱划分方式与力学假设条件的基础上，结合滑体自身空间形态，将其划分为5个计算阶段，采用摩尔-库伦抗剪强度理论，分阶段表征了条柱的三维力学效应；从条柱三维力学效应的实质出发，采用累加等效的方式，分阶段解析了滑体主滑面上各条块的等效物理力学参数，将其引入到morgenstern-price法中，构建了煤柱支挡下内排土场边坡三维稳定性计算方法，能够得到准确的稳定性系数，且操作简单，能够为露天煤矿复杂边坡体稳定性系数的确定提供理论基础。