基于形態(tài)與支擋效應的露天礦到界邊坡形態(tài)優(yōu)化

張 禹 ，劉 宇 ，楊 洋 ，楊國華 ，呂文偉 ，李廣賀

（1.國家能源集團中國神華哈爾烏素露天煤礦 , 內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院, 遼寧 阜新 123000）

0 引 言

露天礦到界邊坡由礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)范圍內不再開展采剝工程的臺階組成，是露天礦最終境界經(jīng)濟性與安全性的重要體現(xiàn)。到界邊坡的形態(tài)緊密關聯(lián)露天礦生產(chǎn)剝采比、邊坡穩(wěn)定性量化數(shù)據(jù)等礦山運營指標，其形態(tài)優(yōu)化研究一直是露天礦開采與邊坡安全工程領域重點關注的問題之一。露天礦邊坡安全評價工程創(chuàng)立至今取得了快速的發(fā)展，由傳統(tǒng)條分法理論[1-3]的不斷豐富，到計算機技術與數(shù)值分析法[4-5]的創(chuàng)新與突破，已經(jīng)形成了相對系統(tǒng)的邊坡安全評價方法體系，而邊坡形態(tài)優(yōu)化問題作為近年來該領域研究熱點，也積累了一定的研究基礎。如Hoek 等[6]從世界各地的邊坡設計經(jīng)驗的總結中得出普遍結論：當凹形邊坡的曲率半徑小于邊坡的高度時，邊坡角可以在常規(guī)的穩(wěn)定性分析確定的角度基礎上提高10°。而對于平面曲率半徑小于坡高的凸形邊坡而言，其邊坡角應當比穩(wěn)定性分析預測的角度減小10°；盧坤林等[7]采用嚴格極限平衡法，獲得了圓形凸坡和凹坡的安全系數(shù)解答；馬力等[8]基于露天礦的基礎模型，借助力學分析和數(shù)值模擬手段對平直和水平凹形邊坡的力學、穩(wěn)定性差異進行對比研究，揭示平直與水平凹形邊坡的力學特性及穩(wěn)定性變化規(guī)律；王東等[9]基于極限平衡理論，從定量認識土體環(huán)向側壓力角度出發(fā)，提出新的凹邊坡穩(wěn)定性三維計算方法，并與經(jīng)典三維極限平衡法進行對比，驗證該方法的準確度。田宇等[10]基于離散算法提出一種對數(shù)螺旋線擬合新方法，并將該方法應用于露天煤礦邊坡穩(wěn)定性上限分析工程實踐中，求得的最危險滑面可充分滿足速度分離要求，具有更強的工程實踐意義。文獻[11-13]以簡化畢肖普法、剩余推力法數(shù)值模擬法為理論基礎，分析了復雜構造條件下復合煤層對邊坡穩(wěn)定穩(wěn)定性的影響，提出了逐水平邊坡形態(tài)優(yōu)化等方法。上述研究根據(jù)已相對系統(tǒng)的邊坡安全評價方法體系，從理論分析與材料模擬等多個角度對邊坡形態(tài)優(yōu)化問題展開研究，形成了有效處理這類問題的一般方法。但相關研究一定程度上忽視了露天礦邊坡所受空間支擋作用，綜合考慮空間支擋與邊坡斷面形態(tài)效應后，邊坡形態(tài)存在可進一步優(yōu)化的空間。

基于此，筆者依托邊坡斷面形態(tài)效應與空間支擋效應理論，通過露天礦工程實例計算，闡明了利用空間支擋與斷面形態(tài)效應下露天礦到界邊坡形態(tài)優(yōu)化方法，研究可為相似條件下露天礦邊坡工程優(yōu)化設計提供借鑒。

1 邊坡斷面形態(tài)與空間支擋效應

1.1 邊坡斷面形態(tài)效應

工程實際中邊坡通常呈現(xiàn)出線性與非線性的2種坡面形態(tài)，2 種坡面在形態(tài)上的差異對邊坡穩(wěn)定性的影響有著顯著的差別，稱之為邊坡的斷面形態(tài)效應[14]。

在簡化Bishop 法中，認為邊坡滑體可在斷面上被劃分為若干個條塊。由眾多條塊組成的滑體在垂直方向上力平衡，并滿足整體力矩平衡條件，由此可以計算滑面上條塊的受力情況，進而推導出既定滑面上滑體可產(chǎn)生的極限抗滑力與下滑力的比值[15]。在此基礎上，邊坡的斷面形態(tài)效應理論認為存在底面分界點使既定滑面分為抗滑段與利滑段的2 個部分，如圖1 所示。

圖1 邊坡斷面形態(tài)效應原理示意Fig.1 Principle of slope profile effect

當坡面形態(tài)為外凸時，對比平直線性坡面，抗滑段與利滑段上的條塊自重均有增加，但抗滑段自重增量產(chǎn)生的收益要明顯大于利滑段。對于露天礦邊坡而言，若能使坡面外凸形態(tài)在抗滑段合力收益最大化，將有利于邊坡整體的穩(wěn)定，同時也將減少可觀的巖石剝離量。

1.2 露天礦邊坡空間支擋效應

不同于水利、公路等類型邊坡，由于采剝、排棄工程的不斷發(fā)展，露天礦邊坡的形成持續(xù)處在動態(tài)變化的過程當中。一般而言，一個露天礦將至少可以劃分出4 個方向以上的邊坡，每個邊坡都將受到相鄰邊坡的支擋作用，視邊坡臨空面面積大小決定所受支擋作用的強弱，尤其是對于以橫采內排為采剝方式的露天礦而言，排土場能迅速跟隨采場推進，壓覆相鄰邊坡臨空面，增強空間支擋作用，有利于露天礦深部陡幫開采的實施[16]。

2 工程實例與優(yōu)化

嚴格意義上講，滑坡是否產(chǎn)生應當歸納入空間力學問題范疇內，在評價邊坡穩(wěn)定性或對邊坡作形態(tài)優(yōu)化時應站在三維的視角來看待。然而三維分析方法的模型生成往往復雜繁瑣，運算過程費時，不利于在工程設計上大范圍的應用。同比，二維分析方法則具有運算結論精度良好與計算便捷的優(yōu)點。故而工程設計上常以二維分析方法取得一定成果后再引入三維分析方法論證[17-18]。此舉既可以縮簡求解過程，又可對比兩類方法取得的結果，提高設計與工程實際的貼合度。

以國能集團神新公司黑山露天礦為工程實例研究對象，其首采區(qū)將面臨采區(qū)轉向局面，原有縱采開采方式亦將向橫采過渡，屆時南幫邊坡將局部到界，形成的內排土場與橫采工作幫將對南幫邊坡產(chǎn)生三維支擋作用，可考慮邊坡斷面形態(tài)與空間支擋效應對其邊坡形態(tài)進行優(yōu)化。

2.1 工程背景

黑山露天煤礦以13 號煤為主采煤層。南幫邊坡自下而上由侏羅系、四系地層組成。侏羅系含煤地層以粉砂巖、中砂巖、煤為主，第四系局部分布。邊坡所含各地層巖土體物理力學指標見表1，計算選取的部分典型坡面如圖2 所示。

表1 巖土體物理力學指標Table 1 Geotechnical physical mechanics index

圖2 部分外凸邊坡形態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)計算結果Fig.2 Calculation results of FS with different slope form

南幫邊坡臺階原設計采用組合臺階形式布置，即一個運輸平盤配置一個安保平盤，總高度約290 m，臺階坡面角70°，運輸平盤寬25 m，安保平盤寬5 m，臺階高度10 m，整體邊坡角約34°，邊坡安全儲備系數(shù)1.2，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.326。

2.2 斷面形態(tài)效應下的二維優(yōu)化

為使坡面外凸形態(tài)在滑面抗滑段上產(chǎn)生最大化的抗滑力，可在原組合臺階設計的基礎上加設一個安保平盤，即1 個運輸平盤配置2 個安保平盤，新設計的組合臺階自底周界向地表依次布置，以形成不同的外凸坡面形態(tài)。以簡化Bishop 法作為評價方法，每布置1 組臺階既計算1 次整體邊坡與局部加陡區(qū)段邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，直至局部加陡區(qū)段邊坡的穩(wěn)定性不再滿足安全儲備要求。

通過設計與計算，共取得南幫典型剖面上4 個外凸邊坡形態(tài)的穩(wěn)定性計算結果。部分計算結果如圖2、圖3 所示。

圖3 各形態(tài)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結果Fig.3 Calculation results of FS with different slope form

分析計算結果可知，當組合臺階布置位置最高標高為+2 430 m 時，即從坡腳起布置4 組組合臺階，局部加陡邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)已低至1.184，不再滿足安全儲備系數(shù)1.20 的要求，故最優(yōu)結果為組合臺階布置位置最高標高為+2 385 m 時的邊坡形態(tài)。這一結果在地表界與底周界均不變的前提下，較原設計邊坡形態(tài)提高了邊坡整體的穩(wěn)定性，并在主采煤層不受損失的條件下，減少了部分剝離量。

2.3 空間支擋效應下的三維優(yōu)化

黑山露天礦采用橫采內排開采方式，南幫邊坡將陸續(xù)局部到界，形成的內排土場與橫采工作幫將對南幫邊坡產(chǎn)生三維支擋作用。這一作用對南幫邊坡的穩(wěn)定性影響不容忽視，故筆者在斷面形態(tài)效應下二維優(yōu)化的結論基礎之上，采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D對南幫邊坡形態(tài)進行再優(yōu)化。

1）模型的建立。以圖2 中所示邊坡形態(tài)，構建橫采內排工況下的邊坡三維模型，分別命名為+2 385 m與+2 430 m 模型，部分模型如圖4 所示。模型走向長度1 600 m，傾向長度925 m，高度約428 m，工作幫與內排土場追蹤距離70 m，共劃分節(jié)點個數(shù)約為19 800，單元個數(shù)約為131 000。模型中包含基底、煤層、排土場、南幫及橫采工作幫4 個部分。

圖4 +2 385 m 邊坡模型Fig.4 Mode of +2 385 m slope

模型運算時采用自重加載，無額外的應力加載方式，模型前后兩個側面限制X方向的位移來模擬三維邊坡的夾持效果。

2）模擬結果與分析。經(jīng)過強度折減法運算后，分別得到了+2 385 m、+2 430 m 三維邊坡模型臨界失穩(wěn)時的位移，如圖5 所示，其中+2 385 m 模型的最終折減系數(shù)即邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs為1.24，+2 430 m模型Fs則為1.20。

圖5 邊坡模型位移Fig.5 Displacement of slope model

對比于2 種形態(tài)邊坡模型總位移云圖，邊坡模型產(chǎn)生形變較大的區(qū)域均分布在坡肩與坡面轉折位置，而坡腳處形變量則相對較小?？梢娫谀M運算過程中，邊坡模型上部材料首先失去平衡產(chǎn)生形變并擠壓推動下部材料使模型發(fā)生進一步破壞，其力學機制符合推動式滑坡的定義。

邊坡應力平衡體系中，巖體自重一般為主要載荷。如2 種邊坡形態(tài)的垂直位移云圖所示，邊坡模型中南幫與內排土場的構成材料在重力的作用下均產(chǎn)生了沉降現(xiàn)象，南幫在受到工作幫與排土場支擋的同時，也會擠壓工作幫與排土場并造成一定程度的底鼓。隨著強度折減法運算的執(zhí)行，模型各材料的強度指標逐步縮減，模型內部的應力平衡將受到擾動并不斷尋求新的平衡狀態(tài)[19-20]。在這一過程中，邊坡模型將向著臨空面卸荷并產(chǎn)生形變，如2 種邊坡形態(tài)的水平位移云圖所示，模型在坡肩與坡面轉折位置產(chǎn)生了較大水平位移。

如圖5 所示，在+2 385 m、+2 430 m 模型運算后產(chǎn)生滑移量最大的區(qū)域分別布置了測點1、2?；凇皽y點的位移值反映測點及其周邊巖體的形變量，其臨界失穩(wěn)前位移增長的速度變化特征則反映了測點所在位置巖體的穩(wěn)定程度”[14]這一結論，對比2 種坡面形態(tài)模型的穩(wěn)定程度。

提取測點的位移歷時曲線如圖6 所示，+2 340 m、+2 385 m 邊坡模型進入臨界失穩(wěn)前變速階段后，測點2 呈現(xiàn)出的位移增長速度明顯小于測點1，這表明+2 430 m 較+2 385 m 模型更為穩(wěn)定，是最優(yōu)的邊坡形態(tài)。這一結論與在斷面形態(tài)效應下二維優(yōu)化的結論相對比，最優(yōu)邊坡形態(tài)的組合臺階布置位置最高標高由+2 385 m 提升至了+2 430 m，究其原因，得益于工作幫與內排土場的三維支擋作用。

圖6 邊坡模型位移Fig.6 Displacement of slope model

3 結 論

1）合理的邊坡斷面形態(tài)有利于邊坡整體的穩(wěn)定，在二維條件下，針對黑山露天礦南幫，采用1 個運輸平盤配置2 個安保平盤的組合臺階布置方式，對南幫邊坡標高在+2 385 m 以下區(qū)段進行坡面形態(tài)優(yōu)化時，結果較佳，但仍存在進一步優(yōu)化的空間。

2）工作幫與內排土場對三維邊坡模型產(chǎn)生的支擋效應明顯，可顯著提高坡面靠坡腳一側區(qū)段的穩(wěn)定性。南幫在受到工作幫與排土場支擋的同時，也會擠壓工作幫與排土場并造成一定程度的底鼓。在形變最值區(qū)域，以模型臨界失穩(wěn)前的測點位移增長速率為度量，進一步比選出最終的形態(tài)優(yōu)化方案。當局部加陡南幫邊坡+2 430 m 水平以下邊坡區(qū)段時可取得最佳的邊坡形態(tài)參數(shù)，這一形態(tài)參數(shù)下南幫邊坡最終折減系數(shù)即Fs等于1.20，滿足要求安全儲備要求，其可優(yōu)化空間已趨于飽和。該邊坡形態(tài)在地表界與底周界均不變，在主采煤層不受損失的前提下，保證了邊坡穩(wěn)定的同時也可減少首采區(qū)剝離量約384 萬m3。