開挖卸荷情況下露天礦邊坡變形特征

王 韜，趙汝輝

（1.國能準(zhǔn)能集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013）

露天礦邊坡工程問題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題。特別是，地震、降雨、工程開挖、基底蠕變、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面等影響邊坡穩(wěn)定性的因素多種多樣，而且每一類具體的邊坡工程問題又有其特有的主控因素，因此相關(guān)的結(jié)論和方法很難互相套用。長期以來，對(duì)露天礦邊坡主要是研究降雨、爆破、井工開采等因素的影響[1-4]，然而針對(duì)開挖卸荷這一露天礦最普遍的工程活動(dòng)對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性影響的研究則相對(duì)較少，主要是集中在開挖損傷區(qū)的形成機(jī)理和確定方法，而沒有形成實(shí)用的邊坡穩(wěn)定性分析判斷方法，尤其是沒有一種適用于工程現(xiàn)場快速?zèng)Q策的方法。

從減小開采初期的運(yùn)輸距離以便充分節(jié)約成本考慮，很多露天礦都存在沿幫排土場。在端幫煤回采過程中，沿幫排土場邊坡的穩(wěn)定性問題成為礦山實(shí)現(xiàn)煤炭資源最大程度回收需要首先解決的課題[5]。黑岱溝露天礦首采區(qū)轉(zhuǎn)向過程需要對(duì)南端幫壓煤進(jìn)行回采，在這一過程中，其沿幫排土場邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到人員和設(shè)備的安全?；诖耍芯块_挖卸荷對(duì)黑岱溝露天礦南端幫沿幫排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，探索在該種工況下邊坡的變形特征。

1 邊坡變形規(guī)律數(shù)值模擬

黑岱溝露天礦首采區(qū)轉(zhuǎn)向過程需對(duì)首采區(qū)南端幫壓煤進(jìn)行回采，在端幫煤回收過程中作為其沿幫排土場的哈爾烏素露天礦內(nèi)、外排土場邊坡的穩(wěn)定性問題是關(guān)鍵技術(shù)問題。該處邊坡總體高度超過250 m，部分地段邊坡角超過35°。工程地質(zhì)條件較簡單，可采煤層共2 層（5 煤、6 煤），煤層頂板主要為砂巖，而影響邊坡穩(wěn)定性的主要層位為底板，其性質(zhì)為泥巖或砂質(zhì)泥巖。

露天礦開挖屬于卸荷行為，對(duì)于這一問題，已有許多學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了相關(guān)研究，研究結(jié)果顯示，對(duì)于該類工程問題必須考慮卸荷導(dǎo)致的邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)的弱化[6-8]。為此，設(shè)計(jì)采用如下方法開展數(shù)值模擬研究：假設(shè)每次開挖邊坡巖土體的黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ 均發(fā)生20%的弱化，分6步完成開挖工作。需要說明的是，實(shí)際的工程中，受開挖影響邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)弱化規(guī)律是十分復(fù)雜的，但本文假設(shè)每次均發(fā)生20%的弱化并不會(huì)影響相關(guān)結(jié)論的可信度。

選擇SCQ-2 剖面作為典型剖面開展研究，采用有限元工具進(jìn)行模擬，平面應(yīng)變分析，選擇Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，設(shè)置6 個(gè)斷面（Ⅰ～Ⅵ號(hào)斷面）監(jiān)測開挖全過程邊坡變形情況。開挖全過程沿幫排土場邊坡相對(duì)剪應(yīng)力（無量綱）變化圖如圖1。各監(jiān)測斷面水平方向變形曲線圖如圖2。

圖1 開挖全過程沿幫排土場邊坡相對(duì)剪應(yīng)力(無量綱)變化圖Fig.1 The change of relative shear stress along the side slope during the whole excavation

圖2 各監(jiān)測斷面水平方向變形曲線圖Fig.2 Horizontal deformation curves of each monitored section

在開展端幫開挖全過程沿幫排土場邊坡力學(xué)特性研究的同時(shí)還采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算了各開挖步邊坡的安全系數(shù)。從圖1 可以看出邊坡的應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在邊坡后部和前部靠近開挖工作面區(qū)域，其中后部主要受排棄物料自重應(yīng)力影響，而前部主要受開挖卸荷影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖卸荷，邊坡前部應(yīng)力集中區(qū)域有不斷擴(kuò)大的趨勢?？偟膩碚f，可以從時(shí)間和空間2 個(gè)維度來理解開挖卸荷對(duì)該邊坡的影響。從時(shí)間維度來說，開挖對(duì)邊坡的影響可以分為3 個(gè)階段: 第1 階段包括第1 步開挖，即基本沒有影響階段；第2 階段包括第2、第3步開挖，即初步影響階段階段，這一階段邊坡變形相較于第1 階段明顯增大，但從應(yīng)力集中情況來看，變化仍然有限；第3 階段包括第4、第5、第6 步開挖，即明顯影響階段，應(yīng)力集中區(qū)急劇擴(kuò)大。從安全系數(shù)的情況來看，也基本符合以上對(duì)3 階段的劃分。再從空間維度來看，開挖卸荷對(duì)6 條監(jiān)測斷面的影響從小到大也可以分為3 級(jí)，分別是斷面Ⅰ，即第1級(jí)，基本無影響區(qū)域；斷面Ⅱ～斷面Ⅴ，即第2 級(jí)，中等影響區(qū)域；斷面Ⅵ，即第3 級(jí)，重點(diǎn)影響區(qū)域，如果不考慮安全儲(chǔ)備的話，該區(qū)域可以認(rèn)為在第6 步發(fā)生了滑坡。

2 邊坡變形演化機(jī)制

2.1 理論分析

根據(jù)對(duì)圖2 和圖3 的分析，可知在開挖卸荷影響下，邊坡的變形呈現(xiàn)出階段性急劇增大和累積效應(yīng)2 種特性。邊坡變形演化機(jī)制如圖3。圖3 中，曲線為作為對(duì)比的蠕變曲線（邊坡變形演化可以從蠕變來進(jìn)行簡單解釋[9-10]），為考慮開挖卸荷邊坡變形曲線。

圖3 邊坡變形演化機(jī)制Fig.3 Slope deformation evolution mechanism

從圖3 可以看出，開挖卸荷打斷了邊坡的正常演化過程，使得邊坡更早進(jìn)入加速變形階段，在加速變形階段中，邊坡階段性經(jīng)歷變形的急劇增大和回歸平穩(wěn)，直至進(jìn)入階段，邊坡的變形不在回歸有序情況，而發(fā)生失穩(wěn)破壞。這一理論分析也為邊坡地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供了依據(jù)，因?yàn)椴皇撬械拿旱V都有條件建立邊坡地下變形監(jiān)測系統(tǒng)，從成本上考慮也不必所有的邊坡都開展全方位的監(jiān)測，從以上分析可以看出，邊坡地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)也與地下變形監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出類似的規(guī)律和形態(tài)。

2.2 工程實(shí)例

為開展研究，采集并分析了黑岱溝露天礦首采區(qū)南端幫邊坡（SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個(gè)剖面）2016 年12 月26 日至2017 年2 月28 日的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，黑岱溝露天礦首采區(qū)南端幫邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 黑岱溝露天礦首采區(qū)南端幫邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Monitoring data of south side slope in the first mining area of Heidaigou Open-pit Mine

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測點(diǎn)的水平方向變形均指向開挖卸荷方向，這符合邊坡的變形演化機(jī)理。同時(shí)，所有監(jiān)測點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出累積效應(yīng)。但是，相對(duì)來說監(jiān)測點(diǎn)1-3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)有階段性急劇增大現(xiàn)象，而其他點(diǎn)則相對(duì)平穩(wěn)。這說明，整體來說，在開挖卸荷情況下，SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3個(gè)剖面的穩(wěn)定性都是持續(xù)降低的，但SCQ-1 安全系數(shù)降低幅度較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。另外，監(jiān)測點(diǎn)1-3 變形曲線特征說明該點(diǎn)處于開挖卸荷影響區(qū)，必要時(shí)該監(jiān)測線需增加監(jiān)測點(diǎn)。為驗(yàn)證監(jiān)測結(jié)果，分別于2016 年12 月26 日和2017 年2 月28 日采集了邊坡巖土體試樣開展直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別計(jì)算了這2 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)3 個(gè)剖面的安全系數(shù)，2016年12 月26 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個(gè)剖面的安全系數(shù)Fs為2.17、1.68、2.04, 2017 年2 月28 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個(gè)剖面的安全系數(shù)Fs為1.66、1.43、1.95?？梢钥闯觯藥烷_挖卸荷期間，SCQ-1 剖面安全系數(shù)降低了23.5%，而SCQ-2 和SCQ-3 剖面安全系數(shù)則分別降低了14.9%和4.4%，即SCQ-1 剖面安全系數(shù)降低幅度較大，與監(jiān)測結(jié)果相符，說明本文提出的方法可以用于工程實(shí)際。

3 結(jié) 語

開挖卸荷影響下，露天礦邊坡的深部位移曲線表現(xiàn)出累積效應(yīng)，且隨邊坡安全系數(shù)的降低而遵循一定的演化規(guī)律，在穩(wěn)定時(shí)，呈“D”型，隨安全系數(shù)的降低逐漸過渡到“P”型，最終在邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)表現(xiàn)為不再有序增長。從邊坡的表面變形來看，開挖卸荷影響下，邊坡會(huì)提前進(jìn)入加速變形階段，表面變形數(shù)據(jù)同樣表現(xiàn)出累積效應(yīng)和邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)變形數(shù)據(jù)不再有序增長的特征，這一特點(diǎn)可以用來初步判斷邊坡安全情況。以黑岱溝露天礦首采區(qū)南端幫端幫煤回收為例對(duì)相關(guān)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。