黑山露天礦邊坡不同斷面形態(tài)下的穩(wěn)定性關(guān)系研究

郭海建，成 功

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.新疆煤炭設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091）

伴隨著我國露天礦產(chǎn)量規(guī)模的增大、采場的延深，形成了大量高陡邊坡，這類邊坡的穩(wěn)定性關(guān)系重大，其邊坡穩(wěn)定性受到生產(chǎn)活動、地質(zhì)條件、邊坡形態(tài)等因素的影響，其中邊坡形態(tài)便屬于礦山系統(tǒng)安全與經(jīng)濟相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，尤其是由于長期開展礦山工程的影響，只有極少數(shù)的露天礦邊坡是平直的線性斷面形態(tài)，取而代之的是非線性斷面形態(tài)邊坡的存在，這種斷面形態(tài)[1]的差異對于邊坡穩(wěn)定性的影響有著顯著的區(qū)別，對于此類邊坡穩(wěn)定性的研究是目前露天邊坡安全工程領(lǐng)域值得關(guān)注的問題。

露天礦邊坡穩(wěn)定性分析作為目前安全工程較為關(guān)注的問題，諸多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，在這期間許多經(jīng)典計算方法[2-5]被應(yīng)用于工程實踐，沉淀出了豐碩的理論成果與典型案例。田鈞[6]采用畢肖普法研究了土條環(huán)向側(cè)向土壓力與和彎道半徑變化的關(guān)系，并提出了邊坡三維穩(wěn)定性計算方法；王東等[7]基于極限平衡理論及相似模擬試驗研究，提出了利于邊坡穩(wěn)定的三維計算方法；何劉等[8]利用試驗儀器對不同坡面形態(tài)下邊坡漸進(jìn)破壞過程進(jìn)行了模擬試驗，總結(jié)了不同坡面形態(tài)邊坡的失穩(wěn)特征；盧坤林等[9]基于極限平衡法理論研究，分別對凸、凹邊坡形態(tài)進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析，得出了不同坡面形態(tài)下的影響因素和變化規(guī)律?；谝陨涎芯砍晒?，或通過穩(wěn)定計算、理論分析對此類邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了研究，但專注于露天礦邊坡斷面形態(tài)對于邊坡穩(wěn)定性研究的相對較少，而事實上，這種斷面形態(tài)上的差異對邊坡穩(wěn)定性的影響有著顯著的差別?；诖?，以黑山露天煤礦南幫邊坡為研究對象，采用畢肖普法[10]的優(yōu)化方法理論與強度折減法[11]的數(shù)值模擬研究成果，對比分析了斷面形態(tài)差異對于邊坡穩(wěn)定性影響。

1 邊坡不同斷面形態(tài)研究

在露天礦邊坡安全工程中存在3 種不同的邊坡斷面形態(tài)：線性斷面形態(tài)、外凸斷面形態(tài)與內(nèi)凹斷面形態(tài)，但由于靠幫開采、超前剝離等工程的實施，露天礦邊坡在斷面上往往是一種上緩下陡的非線性斷面形態(tài)，而針對控制邊坡穩(wěn)定性的處理措施通常以線性斷面形態(tài)的處理方法考慮，如整體減緩或局部加陡邊坡角，事實上，這種處理方法一定程度上忽視了非線性斷面形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的造成的影響[12-15]。為此，基于簡化Bishop 法對于不同斷面形態(tài)進(jìn)行研究。

1.1 線性與非線性斷面形態(tài)差異

線性斷面形態(tài)是一種近似平直斜線的斷面形態(tài)，對于露天礦邊坡而言，大多是非線性形態(tài)（外凸坡面、內(nèi)凹坡面），在實際工程中可以有針對性地增減抗滑段與利滑段上的條塊質(zhì)量，使得邊坡穩(wěn)定性向著工程上期望的方向發(fā)展，這也就使得邊坡的坡面由線性變成了非線性的形態(tài)?；诖?，為了分析不同斷面形態(tài)對于邊坡穩(wěn)定性的影響，研究露天礦邊坡坡面的最有利形態(tài)，分別將外凸斷面形態(tài)、內(nèi)凹斷面形態(tài)與線性斷面形態(tài)放于同一研究對象上，假定它們與線性斷面形態(tài)下的條塊分別有著△W′n、△W＂n的自重差，且兩者均有著線性的增減趨勢。線性與非線性斷面形態(tài)示意圖如圖1 在。圖中：i、n、j為較緩坡面上條塊的編號。

非線性斷面形態(tài)更容易加速底面傾角到達(dá)θ 分界的過程，從而加劇滑面靠向下一側(cè)條件在抗滑力增量上的優(yōu)勢，使得邊坡巖土體偏向于更有利的外部條件，進(jìn)而保證邊坡整體的穩(wěn)定性。

1.2 “斷面形態(tài)差異點”理論

對于露天礦邊坡而言，內(nèi)凹斷面形態(tài)需要增加大量的剝離物料，收益方面甚至不如線性斷面形態(tài)，故在此不對內(nèi)凹斷面形態(tài)過多研究，而研究重點在于如何放大外凸斷面形態(tài)的收益效果。坡面的拐點位置決定了斷面形態(tài)變化趨勢，倘若坡面拐點位于拐點位置2 處，等同于在拐點位置1 處削減了部分條塊自重，而這些被削減去的條塊實際上屬于“抗滑段”范圍，這種作法不利于邊坡穩(wěn)定性，而拐點的位置決定著邊坡外凸坡面的形態(tài)，為了方便敘述，將拐點位置統(tǒng)稱為“斷面形態(tài)差異點”。綜上所述，存在底面傾角θ 將邊坡分為“抗滑段”與“下滑段”2 部分，當(dāng)“斷面形態(tài)差異點”主要位于“抗滑段”范圍時，不利于邊坡穩(wěn)定性，反之，當(dāng)“斷面形態(tài)差異點”主要位于“下滑段”范圍時，有利于邊坡穩(wěn)定性。

2 不同斷面形態(tài)對于露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步研究不同斷面形態(tài)對于露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響，以新疆托克遜黑山露天煤礦南幫邊坡為主要研究對象，對比分析在地表界和底周界不變的前提下，不同斷面形態(tài)設(shè)計方案對于邊坡穩(wěn)定性的影響。黑山露天煤礦南幫邊坡整體高度約300 m，邊坡巖體組成為：中統(tǒng)西山窯組上段、中段、下段含砂巖層、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、煤層（9＃煤為可采煤層，13＃煤為主采煤層）組成，第四系地層由細(xì)砂、粉砂、亞砂土組成。

2.1 剖面與安全儲備系數(shù)

黑山露天礦首采區(qū)南幫即首采區(qū)工作幫，預(yù)計將于2026 年部分到界，屆時首采區(qū)可實現(xiàn)初步內(nèi)排，坑底標(biāo)高最低為＋2 255 m，橫采年推進(jìn)強度約220 m，南幫邊坡在橫采工況下坡頂最大的暴露長度約2 400 m，結(jié)合推進(jìn)強度計算可知南幫邊坡巖體露出時間最長可達(dá)約11 年。按照GB 50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，南幫邊坡的安全儲備系數(shù)取值為1.20。選取南幫12 剖面邊坡工程地質(zhì)模型為研究對象，邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 邊坡斷面形態(tài)參數(shù)

承前所述，非線性的斷面形態(tài)可以提高整體邊坡的穩(wěn)定性，而為了使邊坡在斷面上呈現(xiàn)出非線性的斷面形態(tài)，需將邊坡分區(qū)段進(jìn)行加陡或減緩設(shè)計，這必然導(dǎo)致加陡的區(qū)段邊坡的穩(wěn)定性下降，故而在優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)當(dāng)在關(guān)注邊坡整體穩(wěn)定性的同時，確保局部邊坡的穩(wěn)定性也滿足安全儲備要求。此外，加陡或減緩邊坡坡面時應(yīng)當(dāng)保證主采煤層的開采盡量不受損失。對于黑山露天礦南幫邊坡而言，南幫邊坡整體高度約為300 m，黑山露天礦南幫原設(shè)計邊坡臺階采用組合臺階形式布置，為25 m 寬運輸平盤和寬5 m 的保安平盤，臺階坡面角為70°，臺階高度為15 m。為了達(dá)到局部邊坡加陡的目的，在原組合臺階設(shè)計的基礎(chǔ)上加設(shè)1 個安保平盤，即1 個運輸平盤配置2 個安保平盤。新設(shè)計的組合臺階自坡腳向地表依次布置，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。12 剖面各形態(tài)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果如圖2。

基于上文提到的“斷面形態(tài)差異點”理論，在不同斷面形態(tài)設(shè)計下，研究其邊坡穩(wěn)定性的差異。從邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果可知，隨組合臺階最大標(biāo)高的提升，局部加陡區(qū)段邊坡的穩(wěn)定系數(shù)將持續(xù)減小，而整體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)則出現(xiàn)小幅度的增長，這是由于組合臺階最大標(biāo)高降低時，“斷面形態(tài)差異點”位于邊坡“抗滑段”范圍，其有利于邊坡穩(wěn)定性，隨著局部加陡區(qū)段標(biāo)高的升高，“斷面形態(tài)差異點”將逐步由“抗滑段”向“下滑段”轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低。

3 不同斷面形態(tài)下的數(shù)值模擬

分別對12 剖面各形態(tài)邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。邊坡位移云圖如圖3，不同形態(tài)下的關(guān)鍵測點位移歷時曲線圖如圖4。

圖3 邊坡位移云圖

圖4 不同形態(tài)下的關(guān)鍵測點位移歷時曲線

12 剖面各形態(tài)邊坡數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：

隨著組合臺階最大標(biāo)高的提升，邊坡的形變最大值區(qū)域會逐漸向“斷面形態(tài)差異點”位置靠近，這表明外凸局部邊坡的穩(wěn)定性會受“斷面形態(tài)差異點”位置影響，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)將持續(xù)減小。

不同形態(tài)下的關(guān)鍵測點位置歷時曲線變化過程可分為：加速階段、穩(wěn)速階段和失穩(wěn)前變速階段，各測點位移的歷時曲線均呈現(xiàn)出振蕩的發(fā)展態(tài)勢，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，形變最大值區(qū)測點位移增長速度在同階段較其他測點變化更快，并且這種變化趨勢將持續(xù)增長至最后階段，即形變最大值區(qū)測點的速度變化特征與其在邊坡位移云圖中表現(xiàn)的特性一致。

4 結(jié)語

通過不同斷面形態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定性隨“斷面形態(tài)差異點”位置變化而先升高后降低的特點，同時采用數(shù)值模擬手段比較了不同斷面形態(tài)下形變量變化特點，得出當(dāng)邊坡斷面形態(tài)差異點主要分布于下滑段時，不利于邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡斷面形態(tài)差異點主要分布于抗滑段時，有利于邊坡穩(wěn)定性。