呂金昕

（四川開放大學(xué)， 四川 成都 610073）

1 礦山邊坡穩(wěn)定性分析

露天礦山的邊坡穩(wěn)定性受到不同內(nèi)外因素影響，經(jīng)歸納整理，可確定地質(zhì)因素、自然因素、人為因素為影響露天礦山邊坡穩(wěn)定性的最主要因素。

1.1 地質(zhì)因素

礦山開采行為需在現(xiàn)有巖層中進(jìn)行，繼而導(dǎo)致礦山邊坡條件在礦山邊坡穩(wěn)定性研究中的唯一性，在開挖過程中，采礦平臺空間逐漸變化，因此礦山邊坡始終處于動態(tài)變化狀態(tài)。礦山邊坡由臺階坡面、清掃平臺、安全平臺、運輸平臺構(gòu)成，且各組成部分的數(shù)據(jù)均受開采情況影響而不斷變化，使礦山邊坡結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多變，而礦山邊坡穩(wěn)定性代表著礦山邊坡巖體的允許變形效果，爆破開采等活動產(chǎn)生振動效應(yīng)時將產(chǎn)生不同效果。

地質(zhì)因素是決定礦山邊坡穩(wěn)定性的首要因素，礦山構(gòu)造是有地殼活動變位及變形產(chǎn)生的形態(tài)，如斷層、節(jié)理、褶皺等，而此類地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)決定了礦山邊坡巖體的層、縫、面結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)?shù)V山邊坡受到爆破開挖振動效應(yīng)影響而產(chǎn)生滑坡、坍塌時，主要因為礦山巖體結(jié)構(gòu)面抗剪性、抗壓性相對較低，且礦山巖體結(jié)構(gòu)面中存在大量柔弱次生礦物，在地下水、降水等因素的綜合作用下，進(jìn)一步降低了礦山巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致滑坡、坍塌等邊坡事故發(fā)生幾率增大，除此之外，礦山地質(zhì)構(gòu)造可決定邊坡滑體破壞類型，對礦山邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1.2 自然因素

影響礦山邊坡穩(wěn)定性的自然因素主要包括地下水、降雨與地震，其中地下水具有溶蝕效果，可逐漸侵蝕礦山邊坡巖體內(nèi)部構(gòu)造，降低礦山邊坡巖體抗剪性、抗壓性等物理性質(zhì)，損壞礦山邊坡穩(wěn)定性；降雨可在礦山邊坡平面及坡面造成沖刷效果，形成面流，由于礦山邊坡地質(zhì)構(gòu)造存在斷層、節(jié)理、褶皺等形態(tài)，進(jìn)一步擴(kuò)大了降雨沖刷效果，泥化、軟化礦山邊坡巖體，降低礦山邊坡巖體抗剪性、抗壓性，降低礦山邊坡穩(wěn)定性；地震對礦山邊坡的影響無法控制，但在地震力反復(fù)振動沖擊下，使邊坡內(nèi)部巖體產(chǎn)生變形、移位等現(xiàn)象，造成無法預(yù)測的破壞效果，對邊坡穩(wěn)定性影響極大。在各類自然因素下，地震對礦山邊坡結(jié)構(gòu)的影響較大，在地震反復(fù)振動下且由地震引發(fā)的慣性力對邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞較大，地震作用力計算公式如下：

式（1）中，F(xiàn)i為第i塊巖體的水平地震作用力（kN）；a為地震加速度（m/s2）；x為折減系數(shù)，取值0.25；bi為第i塊巖體的動態(tài)分布系數(shù)，取值為1；Wi為第i塊巖體的重量（kN）；g為重力加速度，取值9.81m/s2。

1.3 人為因素

人為因素主要指礦山開挖活動造成的振動效應(yīng)，如爆破開挖，在長期開采過程中導(dǎo)致礦山邊坡陡峭，若未結(jié)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行良好規(guī)劃，會導(dǎo)致開挖活動破壞邊坡自身穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。爆破開挖作為礦山作業(yè)最常用開采工藝，邊坡將受到爆破開挖造成的強(qiáng)烈振動效應(yīng)，邊坡受到頻繁擾動導(dǎo)致巖體構(gòu)造面規(guī)模逐漸增大，對礦山邊坡穩(wěn)定性造成影響，而爆破開挖振動效應(yīng)對邊坡的破壞程度取決于巖體振動速度，因此常采用錨固措施加固礦山邊坡來降低振動速度，提升邊坡安全性。邊坡巖體受到的水平爆破振動力計算公式如下：

式（2）中，F(xiàn)i為第i塊巖體的水平爆破振動力（kN）；ai為第i塊巖體水平爆破振動加速度（m/s2）；bi為第i塊巖體爆破振動系數(shù)，取值多為0.1～0.3；Wi為第i塊巖體重量（kN）；g為重力加速度，取值9.81m/s2。

式（3）中，Vi為第i塊巖體重量（kN）；Q為爆破裝藥量（kg）；Ri為爆破區(qū)幾何中心至邊坡的距離（m）；K、a為巖體性質(zhì)、地質(zhì)條件、爆破條件等系數(shù)，需經(jīng)振動監(jiān)測獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001）》來看，露天礦山抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.2g，即a=1.352[1]。

式（4）中，ai為第i塊巖體水平爆破振動加速度（m/s2）；f為爆破振動頻率（Hz）；Vi為第i塊巖體重量（kN）。

2 基于邊坡介質(zhì)的振動效應(yīng)分析

錨固技術(shù)具有施工便捷、主動加固、承載力大的優(yōu)勢，將錨固技術(shù)應(yīng)用到礦山邊坡中可極大提升巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，現(xiàn)階段在露天礦山開采中已實現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，經(jīng)工程實踐驗證發(fā)現(xiàn)，錨桿加固在露天礦山爆破開挖振動效應(yīng)下經(jīng)常遭受破壞，而損壞的主要原因在于錨固力損失或錨固長度不足而引發(fā)剪切脫粘損壞，但在當(dāng)前受錨邊坡工程研究中，錨固參數(shù)的設(shè)定均建立在實際礦山開采工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，基于礦山受錨邊坡靜載條件獲得極限平衡方程，以此完成受錨邊坡錨固參數(shù)確定工作，但在確定受錨邊坡錨固參數(shù)過程中，并未結(jié)合礦山邊坡巖石地質(zhì)爆破振動效應(yīng)展開分析，導(dǎo)致錨固效果極大減弱[2]。

結(jié)合上述分析可知，礦山邊坡穩(wěn)定性主要受地質(zhì)因素（巖體結(jié)構(gòu)）、自然因素（降雨、地下水及地震）、人為因素（爆破開挖振動）等因素的影響，其中爆破振動作為礦山主要開采方式，爆破過程短，破壞程度較大，一旦對受錨邊坡錨桿造成影響將難以修復(fù)。在礦山爆破開采中，由于振動效應(yīng)將從坡底向上傳遞給巖體結(jié)構(gòu)層，因此應(yīng)將坡底振動荷載放在首位，綜合考慮其對受錨邊坡的穩(wěn)定性干擾。當(dāng)爆破振動效應(yīng)信號傳遞到受錨邊坡時，受到自由面阻擋而產(chǎn)生反射效果，此時受錨邊坡巖體結(jié)構(gòu)將受到加速度及變形力影響，受錨邊坡巖體結(jié)構(gòu)將跟隨振動信號產(chǎn)生位移與突變，干擾受錨邊坡穩(wěn)定性。

為提升錨桿錨固效果，優(yōu)化錨桿支護(hù)長度，應(yīng)進(jìn)一步分析爆破振動波在受錨邊坡中的傳遞特點及自由面振動反射效果，本次研究基于均質(zhì)土坡展開，設(shè)定礦山受錨邊坡土體為連續(xù)彈性介質(zhì)，在該土體條件下，振動縱波（P波）的傳播速度遠(yuǎn)超于振動橫波，振動橫波對受錨邊坡的影響較小，因此本次優(yōu)化受錨邊坡錨固長度暫不考慮振動橫波。當(dāng)爆破產(chǎn)生的振動波進(jìn)入邊坡界限時，振動縱波（P波）將從坡底入射至邊坡坡面，并產(chǎn)生反射效果。具體如圖1所示：

圖1 振動縱波（P波）入射傳播模型

圖1中AH線為振動P波傳播至邊坡坡面點的法線方向，垂直于切線方向，θ為受錨邊坡角度，當(dāng)振動P波從坡底向上傳播至邊坡坡面時，受錨邊坡角度θ與α角度相等，根據(jù)光的折射定律（Snell定律）可得，振動P波入射角、反射角的關(guān)系如下：

式（5）中，α為振動P波入射角；α1為動P波反射角；β為經(jīng)邊坡坡面反射的SV波反射角；CP1為振動P波入射波速；CP2為振動P波反射波速；CS為經(jīng)邊坡坡面反射的SV波傳播波速，由于本次研究所設(shè)環(huán)境為均質(zhì)土坡，因此在式（5）中存在以下關(guān)系：α=α1，CP1=CP2。

根據(jù)圖1振動縱波（P波）入射傳播模型可知，經(jīng)邊坡面EA反射后的振動P波與SV波反射角存在一定關(guān)系，即α1＞β，因此，當(dāng)邊坡坡體反射出SV波后，SV波將與振動P波于邊坡內(nèi)部產(chǎn)生干涉疊加，同時SV波對邊坡巖體結(jié)構(gòu)介質(zhì)的振動影響大于振動P波，為更好地研究受錨得邊坡錨固長度，從入射振動P波、反射SV波兩個方面研究其對邊坡的影響范圍，及錨桿軸應(yīng)力、剪切帶的變化特征。觀察圖1振動縱波（P波）入射傳播模型還可得出以下幾何關(guān)系：

結(jié)合波的疊加原理，振動波進(jìn)入受錨邊坡坡底后形成入射振動P波波程，即CB段，進(jìn)入邊坡后反射為SV波波程，即AB段，入射振動P波波程、SV波波程產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，根據(jù)該干涉現(xiàn)象完成振動波對邊坡的影響范圍研究，此時入射振動P波、反射SV波的產(chǎn)生波程差，通過以下公式進(jìn)行計算：

式（8）中，λ為波長，k為（0、1、…）等常數(shù)。根據(jù)波的疊加原理，兩個初相位相同的相干波在介質(zhì)中疊加時，波程差等于零或等于波長整數(shù)倍的各點合成振幅最大，即由邊坡C點入射的振動P波與坡面反射SV波相遇時的波程差為零或整數(shù)時，所產(chǎn)生的振動效果覆蓋范圍最大。同時結(jié)合受錨邊坡幾何性質(zhì)及坡體內(nèi)部振動波干涉疊加來看，在傳播模型中所產(chǎn)生的坡表影響范圍可波程差可取1倍波長λ，在錨桿支護(hù)受錨邊坡中，應(yīng)在錨固規(guī)范基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制錨桿長度，擬設(shè)定錨桿長度等于振動縱波長度得，結(jié)合式（8）得出邊坡坡面垂直方向干涉疊加造成的振動增強(qiáng)最大影響深度。

圖2 邊坡角度θ與最大影響深度AF間的關(guān)系曲線

圖2為邊坡角度θ與最大影響深度間的關(guān)系曲線，由圖2可知，與邊坡表面垂直的最大影響深度AF與邊坡角度θ存在良好關(guān)聯(lián)，兩者存在正相關(guān)關(guān)系，最大影響深度隨邊坡坡度的增加而提高，此時邊坡坡度與振動波長間的存在1.15～2.5的倍數(shù)關(guān)系，因此可根據(jù)圖2相關(guān)性特征關(guān)系曲線及邊坡坡角，得出錨桿支護(hù)在邊坡抗振設(shè)計中的長度數(shù)值，經(jīng)計算后得出錨桿長度應(yīng)大于1.15～2.5倍的振動波長，以此滿足受錨邊坡抗振強(qiáng)度性能要求，同時錨桿長度應(yīng)大于邊坡最大影響深度[4]。

3 振動效應(yīng)受錨邊坡錨固長度優(yōu)化核驗的工程實例分析

為提升本次優(yōu)化研究針對性及有效性，了解振動效應(yīng)下的受錨邊坡錨固長度最佳值，本次選取某露天礦山邊坡展開工程實例研究，該露天礦山邊坡土質(zhì)與上述設(shè)定條件一致，坡巖土介質(zhì)為彈塑性土體，以此為工程實例具有較好的驗證效果。

3.1 工程概況

為進(jìn)一步驗算在受錨邊坡中振動效應(yīng)的最大影響深度及上述錨桿長度優(yōu)化數(shù)值有效性，選取某露天礦山邊坡開采工程展開實例研究，該露天礦山邊坡巖土介質(zhì)為彈塑性土體，邊坡彈塑性土體密度為1850kg·m-3，內(nèi)聚力為32kPa，內(nèi)摩擦角為12°，彈性模量為11GPa，泊松比為0.33，阻尼系數(shù)為125000kN·s·m-1。根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則展開分析，該露天礦山邊坡坡度為35°，高度為30m，一級安全等級，根據(jù)錨固計劃進(jìn)行邊坡加固，擬設(shè)置6排預(yù)應(yīng)力錨桿，加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。為確保速度計算有效性，運用動力時程逐漸輸入振動荷載，由于該露天礦山邊坡結(jié)構(gòu)較為簡單，采用瑞利阻尼進(jìn)行錨固，調(diào)整速度譜，使頻率范圍可實現(xiàn)主要動力能量的全面覆蓋，并展開動力計算，此時可獲得中間頻率，在本次研究分析中，中間頻率fmid為1Hz，將防烈度設(shè)定為8級，振動波加速度最大值amax為0.2g，加載振動荷載振動時間為5s，振動荷載作用的速度時程如圖3所示。

圖3 振動荷載作用的速度時程

3.2 參數(shù)驗證

結(jié)合該露天礦山邊坡土體參數(shù)及條件，從添加振動負(fù)荷及不添加振動負(fù)荷兩種情況展開分析。運用有限差分程序進(jìn)行邊坡錨固結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變率計算，并判斷出錨桿軸力的分布特點。若為添加振動負(fù)荷，在本次實例驗證中，錨桿長度為12m，在有限差分程序應(yīng)用下計算出受錨邊坡錨桿軸力分布及邊坡剪應(yīng)變率，在該露天礦山邊坡結(jié)構(gòu)中，振動波由邊坡坡底出現(xiàn)，逐漸在邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)中形成從坡底至坡頂?shù)呢炌羟袔?，運用12m錨桿錨固加固后，該貫通剪切帶范圍得以縮小，該露天礦山邊坡結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，在此過程中錨桿軸力呈現(xiàn)為單駝峰特征，且該錨桿軸力前段較大，沿錨固方向逐漸降低。若添加振動負(fù)荷，則錨桿軸力及振動效應(yīng)剪應(yīng)變率將發(fā)生改變，由于受錨邊坡所承受的荷載提升，因此受錨邊坡剪切帶范逐漸增大，根據(jù)實例檢測發(fā)現(xiàn)，在考慮振動負(fù)荷情況下，錨固段長度增加至2m，在此情況下邊坡形成貫通剪切帶，且情況較為嚴(yán)重，邊坡存在失穩(wěn)隱患，此時根據(jù)干涉疊加原理最大影響深度及振動荷載波長特征進(jìn)行解析，將錨桿長度延長至14m，為原錨桿長度的116.7%[5]。將14m長度的錨桿應(yīng)用到露天礦山邊坡加固中，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)變率有所降低，邊坡剪切帶涉及范圍進(jìn)一步縮小，由于錨固效果提升，在此次實例驗證中并未出現(xiàn)危害性較大的貫通剪切帶，同時錨桿桿體受力情況有所改善，呈均勻受力狀態(tài)，錨桿在振動效應(yīng)下不易損壞，錨固效果較好，極大提升了露天礦山受錨邊坡穩(wěn)定性。隨著能源需求量的提升，露天礦山邊坡穩(wěn)定性成為行業(yè)重點研究對象，為增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，降低振動效應(yīng)對邊坡結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)結(jié)合礦山實際情況判斷錨桿長度，降低振動效應(yīng)剪應(yīng)變率，均衡錨桿受力分布。

4 結(jié)束語

綜上所述，礦山邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要包括地質(zhì)因素、自然因素、人為因素，在本次研究中重點分析爆破振動對礦山邊坡的影響，結(jié)合振動效應(yīng)傳播特點構(gòu)建傳播模型，得出深度解析式，結(jié)合某露天邊坡礦山展開實例分析，對計算結(jié)果進(jìn)行核驗，當(dāng)錨桿長度達(dá)到14m時，露天礦山邊坡剪切帶范圍有所縮減，此時錨桿受力均勻，錨固效果得以增強(qiáng)。