网格模型助力边坡失稳机理分析，数值模拟计算取得重大技术突破
近年来，由于地下开采而引起地表边坡失稳破坏的问题日益凸显。山西西山、大同、古交、阳泉矿区，陕西铜川、韩城矿区，四川芙蓉、攀枝花等矿区以及云贵山区煤矿，都有过不同程度的采动滑坡，并在雨季伴有泥石流的发生；一些高差很大且地面坡度高的地区，常有采动崩塌现象，给当地的生态环境和人民的生命财产安全造成了严重影响。
我国大约有 1/3 的煤矿位于山区，随着山区地下煤层的大面积开采，导致应力集中、地表沉陷、覆盖层移动破坏、山体滑坡崩塌等一系列地质问题的产生。地下开采引发的边坡失稳因其危害大、难预警而备受关注。地下采动边坡失稳研究的关键工作在于阐明矿山滑坡的发生机制和演化过程。由于采空区覆岩变形破坏的复杂性和对边坡演化过程的分析不足，采动滑坡的变形破坏规律和演化特征一直难以分析。如何最大限度地降低矿区采煤诱发滑坡崩塌等次生地质灾害风险，切实有效地提高该地区防灾减灾能力，已经成为当前必须面对和解决的重要问题。因此，开展地下采煤过程中地表边坡稳定性的研究具有重要的理论和实践意义。
常见的边坡稳定性评价方法有自然历史分析法、力学计算法、图解法、工程地质类比法、数值分析法和模型试验法。地下开采情况下地表边坡的研究，不仅要进行常规边坡稳定性分析，还应当考虑开采扰动的影响，部分常规评价方法不适用于地下采动边坡稳定的分析。基于计算机技术的数值模拟方法将岩土体看成受力变形体,可以基于开采扰动有效地模拟材料内部的应力和应变规律，能够处理材料的非均质、各向异性以及复杂的边界条件,可以有效地模拟出边坡岩体内的应力分布、塑性区的范围和位移场分布等，数值模拟技术使得定量评价边坡稳定性问题、分析采动滑坡的变形破坏规律和演化特征成为了可能。
在采动边坡的稳定性评价的数值模拟中，所选用的参数、本构方程、模型等均存在一定的假设，致使其结果与实际情况存在一定的差异。为了解决这些问题，需要选择适当的参数、本构方程，构建准确的模型，基于历史数据进行历史拟合，基于准确的模型进行演化过程分析。
某煤矿三维地质模型
此外，采动边坡的稳定性评价中常用的CAE软件（如ANASYS、FLAC3D、SLOPE/W、SLIDE等）的数值模拟，大多需要繁琐的前处理，且由于网格质量、不连续拓扑等因素的影响，常见软件对拓扑较为复杂，或范围较大的构造模拟很难得到有效结果，因此其模拟往往局限于局部、且拓扑相对简化的边坡范围，难以反应整体构造与边坡失稳的相互影响，在地质条件较为复杂的情况下存在局限性。
网格天地研发团队以某井工煤矿边坡为研究对象，在真三维环境基础上开展了基于数值流形法的地下采动地表边坡的稳定性研究，提出了地下开采情况下地表边坡稳定性的评价方法，解决了常规CAE软件中模型的局限性问题，完成了基于三维模型边坡失稳演化过程综合分析，实现了融合开采过程计算地表边坡安全系数的变化，可以为边坡实际工程、致灾因素治理工作提供一定的理论和技术指导。
常见的数值模拟方法包括有限元、边界元、离散元、非连续变形分析（DDA）、数值流形方法、运动单元法、快速拉格朗日法等。数值流形方法可以统一解决有限元、DDA和解析法的计算问题，能同时处理连续和非连续问题，能够更好的描述地质环境变化（地质体存在连续性和非连续性的特征）。网格天地以数值流形方法为基础，结合三维地质建模技术，可以处理任意复杂构造、任意质量网格、任意复杂拓扑的大规模网格模型的数值模拟计算。
(成果展示)
可以看到，挖空的区域是采空区，模型梯度颜色是下沉位移量，红色表示下沉位移较大，然后绿色、蓝色、紫色的下沉位移量依次减小。
首先，在采空区上方的下沉位移最大，其两侧的位移量逐渐变小，下沉最小的区域位于采空区侧下方，这直观的表现了采空区对邻近地块下沉的影响。其次，在采空区位置及其下沉敏感区域，网格是加密的，这样可以提高模拟的精确性。
动态效果
主应力场
位移场
以上动画为基于开采因素、工程因素采空区边坡应力-应变演化过程。
对边坡采动失稳演化过程的分析，还需要综合考虑采空区开挖的进尺、开采速度、煤层开采厚度、边坡高度、边坡角度等因素的影响。
“绿水青山就是金山银山！”站在第四次工业革命的新起点，我们在发展经济的同时，更应该关注可持续发展。新信息技术的高速发展为我们提供了助力，以前办不到的事现在逐渐得以实现，比如构建更准确的模型，利用模型进行数值模拟分析。准确的三维地质模型的构建可以提高地下采动地表边坡稳定性评价准确性，为高效、安全和谐地开发矿产资源提供地质保障。
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