孫世國(guó)，賈欣欣，肖 劍

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 三河 065200）

西露天礦位于遼寧省撫順市望花區(qū)東南部，地質(zhì)資源儲(chǔ)量約為3819萬(wàn)t，開采作業(yè)始于1914年，為露天礦與井工礦聯(lián)合開采，因露天開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及邊坡巖體受到風(fēng)化、水侵等作用導(dǎo)致地表變形加劇并持續(xù)發(fā)展且發(fā)生多次滑坡事故，嚴(yán)重威脅到人員、設(shè)備和地表建筑物的安全。受地貌條件、礦山規(guī)模、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、氣候條件及周邊環(huán)境的多重限制，于2013年開始對(duì)西露天礦邊坡的變形防治采用回填壓腳技術(shù)，即通過(guò)堆載反壓的方式增大邊坡的整體阻滑力，以使滑坡體保持穩(wěn)定[1]，提高資源回收率，確保人員和工程安全。

穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)作為研究邊坡的核心內(nèi)容，一直都是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)防和治理方案研究方面重要的環(huán)節(jié)[2]，其分析評(píng)價(jià)的結(jié)果是作為判斷邊坡穩(wěn)定性最重要的參考指標(biāo)，對(duì)準(zhǔn)確判斷邊坡穩(wěn)定性具有重要意義[3-5]。為此，借用有限元方法的單元?jiǎng)澐掷砟?，?yīng)用極限平衡理論和線性規(guī)劃原理，通過(guò)有限次數(shù)值組合計(jì)算方法，利用全局臨界滑移場(chǎng)原理[6]搜索并確定危險(xiǎn)滑面，建立了西露天礦邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評(píng)價(jià)體系，用來(lái)對(duì)內(nèi)排壓腳前后的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并根據(jù)西露天礦實(shí)際發(fā)展情況證明該評(píng)價(jià)體系對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

1 工程地質(zhì)條件

西露天礦礦坑?xùn)|西長(zhǎng)6.6km，南北寬2.2km，礦坑面積10.8593km2，開采垂直深度為418m。煤資源豐富，可采煤層厚度為9.19～145m，平均厚度為35.5m；煤層傾角一般在15°～45°之間，平均30°左右，局部可達(dá)60°以上，煤層發(fā)育較穩(wěn)定。地層分布由上到下依次為：太古界（Ara）鞍山群、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組（K1l）、古近系古新統(tǒng)撫順群（E1f）和第四系（Q），巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table1 Rock physical and mechanical parameters

該礦田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，有許多較大的斷層、褶皺和小褶曲存在。整個(gè)礦田為一軸向N80E的傾伏向斜；北翼較陡傾角48°～55°，南翼較緩傾角23°～48°，西北幫形成直立倒轉(zhuǎn)。

2 邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評(píng)價(jià)體系

邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評(píng)價(jià)體系可以同時(shí)求解出整體邊坡和局部邊坡穩(wěn)定狀態(tài)、最危險(xiǎn)滑面位置及其形態(tài)分布[7]。只要單元體劃分尺度足夠小，其對(duì)應(yīng)的滑面用全局臨界滑移場(chǎng)法求解更方便可靠，所得精準(zhǔn)滑面更加逼近真值。此方法不僅解決了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性問(wèn)題，而且提高了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的精度[8-9]。

2.1 廣義剩余推力基本概念

邊坡穩(wěn)定極限平衡理論的計(jì)算方法很多，各種方法不同之處是條塊間作用力方式假設(shè)不同，但無(wú)論何種計(jì)算方法都可以轉(zhuǎn)化為廣義的剩余推力法，即假定分子為抗滑力總和N2、分母為下滑力總和N1，二者之比為穩(wěn)定系數(shù)Fs，簡(jiǎn)略為：Fs=N2/N1；那么經(jīng)過(guò)最簡(jiǎn)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換:△N=FsN1-N2，△N就可以稱為廣義的剩余推力。

以簡(jiǎn)化Janbu法為例，就邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的精細(xì)化數(shù)值計(jì)算方法的體系與實(shí)現(xiàn)過(guò)程作一簡(jiǎn)要介紹。假定：①不考慮各塊滑移體自身相互擠壓作用；②不考慮各分塊兩側(cè)面上的摩擦力；③各段滑體上的推力作用方向水平。邊坡受力機(jī)制分析圖如圖1。

圖1 邊坡受力機(jī)制分析圖Fig.1 Analysis diagram of slope force mechanism

對(duì)任意土條，取垂直與平行土條底面方向力的平衡，得出式（1）：

根據(jù)安全系數(shù)定義和摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，得出式（2）。

聯(lián)合解式（1）和式（2），消除Ti和Ni，得式（3）：

式中：αi、bi分別為第i條塊底面傾角和條塊寬度；ci、φi為第i條塊底面黏聚力、內(nèi)摩擦角；wi為第i條塊重力；pi、pi＋1為條塊間推力；Ni、Ti為土條底部的法向反力和切向力。

如式（3），在危險(xiǎn)滑面出口處pi＋1稱為廣義剩余推力。利用最優(yōu)控制原理求最大剩余推力pmax，當(dāng)pmax=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的滑移曲線便成為最危險(xiǎn)面，其對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)就是邊坡體的實(shí)際最危險(xiǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)。但不一定是整體的穩(wěn)定狀態(tài)，有可能是局部的，也有可能是整體，需要根據(jù)滑面的出口位置確定。運(yùn)用廣義剩余推力更能把握精細(xì)化評(píng)價(jià)體系中的力學(xué)機(jī)理，更能體現(xiàn)節(jié)理裂隙、軟弱夾層等特殊地質(zhì)特性的影響屬性，物理意義也更明確。

2.2 邊坡全局臨界滑移場(chǎng)技術(shù)

邊坡全局臨界滑移場(chǎng)是臨界滑移場(chǎng)的延伸和發(fā)展，它是所有出口的局部臨界滑移面組成的安全系數(shù)極值曲線場(chǎng)，在一定程度上解決了邊坡整體和局部穩(wěn)定性同步計(jì)算問(wèn)題。臨界滑移場(chǎng)是以最大的剩余推力等于0為目標(biāo)求出邊坡整體臨界狀態(tài)下的安全系數(shù)；全局臨界滑移場(chǎng)依次從每個(gè)出口出發(fā)，調(diào)整安全儲(chǔ)備Fs，不斷進(jìn)行循環(huán)搜索，使其對(duì)應(yīng)的最大廣義剩余推力均等于0。因此要解某出口的局部臨界滑移面，只須先求解該出口廣義剩余推力為0的危險(xiǎn)滑移場(chǎng)即可。如果當(dāng)安全系數(shù)取某個(gè)定值時(shí)，邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，邊坡體內(nèi)剛好出現(xiàn)臨界滑動(dòng)面，則該安全系數(shù)取值即為邊坡的實(shí)際安全系數(shù)[10-11]。對(duì)于滑體體積與高度均接近的危險(xiǎn)滑面而言，廣義剩余推力值的大小可以準(zhǔn)確反映危險(xiǎn)滑面的穩(wěn)定性程度。

3 撫順西露天礦內(nèi)排壓腳前后邊坡穩(wěn)定性

采用邊坡全局臨界滑移場(chǎng)技術(shù)搜尋并確定撫順西露天礦內(nèi)排前后邊坡上的最危險(xiǎn)滑面,再應(yīng)用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-price4種 邊 坡穩(wěn)定性極限平衡方法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算與分析。以E400剖面北幫為例進(jìn)行分析。

3.1 E400剖面臨界滑動(dòng)面搜尋與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

E400剖面北幫內(nèi)排壓腳前、后的危險(xiǎn)滑面搜尋與確定如圖2和圖3，E400剖面北幫穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 E400剖面北幫穩(wěn)定系數(shù)Table2 Stability coefficient of north side of E400profile

圖2 E400剖面北幫內(nèi)排壓腳前最危險(xiǎn)滑面搜尋與確定Fig.2 Searching and determining the most dangerous sliding surface in front of the presser foot in the north side of the E400section

圖3 E400剖面北幫內(nèi)排壓腳后最危險(xiǎn)滑面搜尋與確定Fig.3 Searching and determining the most dangerous sliding surface after the presser foot in the north side of the E400section

根據(jù)圖2（a）搜尋出的臨界滑動(dòng)面并最終確定圖2（b）危險(xiǎn)滑移面，圖2（b）危險(xiǎn)滑移面顯示該邊坡的臨界滑動(dòng)面是折線形的，而并非圓弧滑面。比較4種計(jì)算方法，結(jié)果表明內(nèi)排壓腳前利用Janbu法計(jì)算的安全系數(shù)最小，即當(dāng)Fs取值為1.04 時(shí)，最大的剩余推力為0，此時(shí)邊坡達(dá)到極限狀態(tài)。內(nèi)排壓腳后的安全系數(shù)按Ordinary法計(jì)算的Fs=1.39 ，可以看出此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

露天礦邊坡安全系數(shù)一般為1.1～1.5[5]，從表2可知該剖面實(shí)施內(nèi)排壓腳前后邊坡穩(wěn)定性差別很大。未實(shí)施內(nèi)排壓腳處理的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.04 ，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)排壓腳后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大為1.45 ，滿足了規(guī)范要求。且無(wú)論采用哪一種邊坡穩(wěn)定性精細(xì)化評(píng)價(jià)體系下的極限平衡方法計(jì)算，后者邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均比前者提高1.4 倍左右，說(shuō)明實(shí)施內(nèi)排壓腳對(duì)控制高陡邊坡滑移變形、穩(wěn)定性提升和減小開采對(duì)環(huán)境影響效果十分顯著。

3.2 邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)相關(guān)資料分析,西露天礦滑坡易出現(xiàn)范圍在W600測(cè)線～E1000測(cè)線之間。因此對(duì)西露天礦西部采區(qū)選取W600、W400、W200、EW04個(gè)剖面；東部采區(qū)選取E200、E600、E800、E10004個(gè)剖面，共8個(gè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)。分析方法同上述E400剖面，西露天礦邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 西露天礦邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table3 Slope stability calculation results of West Open-pit Mine

綜合分析，不同方法計(jì)算邊坡內(nèi)排壓腳前的穩(wěn)定性系數(shù)介于0.82～1.31 之間，其中W600、W200、EW0、E200、E8005個(gè)剖面穩(wěn)定性系數(shù)均不滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性差，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)外部條件發(fā)生改變時(shí)，很容易發(fā)生破壞失穩(wěn)的可能。實(shí)施內(nèi)排壓腳技術(shù)后，在對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，均處在安全范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最高達(dá)到2.14 ，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，也再次說(shuō)明了內(nèi)排壓腳使得邊坡穩(wěn)定性大大提高。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性分析

利用邊坡穩(wěn)定全局精細(xì)化評(píng)價(jià)體系對(duì)西露天礦進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，4種方法下的模擬結(jié)果表明對(duì)邊坡進(jìn)行回填壓腳后均顯著提高了邊坡穩(wěn)定性。結(jié)合前期勘察鉆探資料，分析其回填效果。

根據(jù)孫世國(guó)教授著《礦山復(fù)合開采邊坡巖體變形規(guī)律》一書的數(shù)據(jù)資料顯示，西露天礦北幫W200剖面境界外地面同區(qū)域（A線），測(cè)量范圍N1180～N1600，1996年平均變形值是1979年的8.8 倍；而在相同區(qū)域（N1200～N1400），1996年變形是井采期平均變形速率的3.7 倍。在坑內(nèi)E1000剖面1993年8月最大水平位移速度達(dá)2158mm/d；七段E10點(diǎn)從1987年4月至1997年3月水平移動(dòng)值達(dá)14.6m；西北幫二十八干線W200剖面的W2點(diǎn)從1986年12月至1997年3月移動(dòng)量達(dá)13.6m，平均每年移動(dòng)1m多。

截止到2016年，該區(qū)域內(nèi)累計(jì)回填的土方量為1648.0084萬(wàn)m3。根據(jù)遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站2013年至2016年監(jiān)測(cè)結(jié)果（數(shù)據(jù)略）可以看出，與20世紀(jì)80年代和90年代相比，地表變形速率呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)遞減，近幾年隨有波動(dòng)，但總體趨勢(shì)是遞減的，說(shuō)明回填壓腳治理措施在滑坡的運(yùn)動(dòng)中起到至關(guān)重要的作用，同時(shí)也證明了4種數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況能夠相互驗(yàn)證，評(píng)價(jià)結(jié)果可信有效。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）基于撫順西露天礦采取了分區(qū)開采及內(nèi)排壓腳控制邊坡穩(wěn)定性與變形方案，運(yùn)用全局臨界滑移場(chǎng)方法搜索最危險(xiǎn)滑面并通過(guò)多種極限平衡方法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算與對(duì)比，內(nèi)排壓腳后區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)得到了顯著提升，大幅度有效地控制了邊坡變形，基本避免了這些區(qū)域滑坡的發(fā)生，同時(shí)也減小了這些區(qū)域?qū)Νh(huán)境的安全的影響，為安全生產(chǎn)和環(huán)境問(wèn)題提供了保障。

2）考慮到每種極限平衡法的假設(shè)條件都不盡相同，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)會(huì)受到多重因素的限制，應(yīng)用4種極限平衡方法對(duì)撫順西露天礦進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。對(duì)比不同方法下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，其中Bishop和Morgenstern-Price法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較大，Janbu法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較小，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)資料證明了全局邊界滑移場(chǎng)搜索危險(xiǎn)滑面的可靠性、精細(xì)化評(píng)價(jià)體系中4種極限平衡計(jì)算方法的精確性，為實(shí)際工程提供了指導(dǎo)。