張 禹 ，劉 宇 ，楊 洋 ，楊國(guó)華 ，呂文偉 ，李廣賀

（1.國(guó)家能源集團(tuán)中國(guó)神華哈爾烏素露天煤礦 , 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)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(nèi)不再開(kāi)展采剝工程的臺(tái)階組成，是露天礦最終境界經(jīng)濟(jì)性與安全性的重要體現(xiàn)。到界邊坡的形態(tài)緊密關(guān)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(yùn)營(yíng)指標(biāo)，其形態(tài)優(yōu)化研究一直是露天礦開(kāi)采與邊坡安全工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。露天礦邊坡安全評(píng)價(jià)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(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值分析法[4-5]的創(chuàng)新與突破，已經(jīng)形成了相對(duì)系統(tǒng)的邊坡安全評(píng)價(jià)方法體系，而邊坡形態(tài)優(yōu)化問(wèn)題作為近年來(lái)該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，也積累了一定的研究基礎(chǔ)。如Hoek 等[6]從世界各地的邊坡設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)中得出普遍結(jié)論：當(dāng)凹形邊坡的曲率半徑小于邊坡的高度時(shí)，邊坡角可以在常規(guī)的穩(wěn)定性分析確定的角度基礎(chǔ)上提高10°。而對(duì)于平面曲率半徑小于坡高的凸形邊坡而言，其邊坡角應(yīng)當(dāng)比穩(wěn)定性分析預(yù)測(cè)的角度減小10°；盧坤林等[7]采用嚴(yán)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(chǔ)模型，借助力學(xué)分析和數(shù)值模擬手段對(duì)平直和水平凹形邊坡的力學(xué)、穩(wěn)定性差異進(jìn)行對(duì)比研究，揭示平直與水平凹形邊坡的力學(xué)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(rèn)識(shí)土體環(huán)向側(cè)壓力角度出發(fā)，提出新的凹邊坡穩(wěn)定性三維計(jì)算方法，并與經(jīng)典三維極限平衡法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度。田宇等[10]基于離散算法提出一種對(duì)數(shù)螺旋線擬合新方法，并將該方法應(yīng)用于露天煤礦邊坡穩(wěn)定性上限分析工程實(shí)踐中，求得的最危險(xiǎn)滑面可充分滿足速度分離要求，具有更強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。文獻(xiàn)[11-13]以簡(jiǎn)化畢肖普法、剩余推力法數(shù)值模擬法為理論基礎(chǔ)，分析了復(fù)雜構(gòu)造條件下復(fù)合煤層對(duì)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(duì)系統(tǒng)的邊坡安全評(píng)價(jià)方法體系，從理論分析與材料模擬等多個(gè)角度對(duì)邊坡形態(tài)優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)研究，形成了有效處理這類問(wèn)題的一般方法。但相關(guān)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(yīng)后，邊坡形態(tài)存在可進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

基于此，筆者依托邊坡斷面形態(tài)效應(yīng)與空間支擋效應(yīng)理論，通過(guò)露天礦工程實(shí)例計(jì)算，闡明了利用空間支擋與斷面形態(tài)效應(yīng)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(shè)計(jì)提供借鑒。

1 邊坡斷面形態(tài)與空間支擋效應(yīng)

1.1 邊坡斷面形態(tài)效應(yīng)

工程實(shí)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(duì)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(yīng)[14]。

在簡(jiǎn)化Bishop 法中，認(rèn)為邊坡滑體可在斷面上被劃分為若干個(gè)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(jì)算滑面上條塊的受力情況，進(jìn)而推導(dǎo)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(chǔ)上，邊坡的斷面形態(tài)效應(yīng)理論認(rèn)為存在底面分界點(diǎn)使既定滑面分為抗滑段與利滑段的2 個(gè)部分，如圖1 所示。

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

當(dāng)坡面形態(tài)為外凸時(shí)，對(duì)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(duì)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(shí)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(yīng)

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(dòng)態(tài)變化的過(guò)程當(dāng)中。一般而言，一個(gè)露天礦將至少可以劃分出4 個(gè)方向以上的邊坡，每個(gè)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(qiáng)弱，尤其是對(duì)于以橫采內(nèi)排為采剝方式的露天礦而言，排土場(chǎng)能迅速跟隨采場(chǎng)推進(jìn)，壓覆相鄰邊坡臨空面，增強(qiáng)空間支擋作用，有利于露天礦深部陡幫開(kāi)采的實(shí)施[16]。

2 工程實(shí)例與優(yōu)化

嚴(yán)格意義上講，滑坡是否產(chǎn)生應(yīng)當(dāng)歸納入空間力學(xué)問(wèn)題范疇內(nèi)，在評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性或?qū)吰伦餍螒B(tài)優(yōu)化時(shí)應(yīng)站在三維的視角來(lái)看待。然而三維分析方法的模型生成往往復(fù)雜繁瑣，運(yùn)算過(guò)程費(fèi)時(shí)，不利于在工程設(shè)計(jì)上大范圍的應(yīng)用。同比，二維分析方法則具有運(yùn)算結(jié)論精度良好與計(jì)算便捷的優(yōu)點(diǎn)。故而工程設(shè)計(jì)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(jiǎn)求解過(guò)程，又可對(duì)比兩類方法取得的結(jié)果，提高設(shè)計(jì)與工程實(shí)際的貼合度。

以國(guó)能集團(tuán)神新公司黑山露天礦為工程實(shí)例研究對(duì)象，其首采區(qū)將面臨采區(qū)轉(zhuǎn)向局面，原有縱采開(kāi)采方式亦將向橫采過(guò)渡，屆時(shí)南幫邊坡將局部到界，形成的內(nèi)排土場(chǎng)與橫采工作幫將對(duì)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(yīng)對(duì)其邊坡形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 工程背景

黑山露天煤礦以13 號(hào)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(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，計(jì)算選取的部分典型坡面如圖2 所示。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)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(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of FS with different slope form

南幫邊坡臺(tái)階原設(shè)計(jì)采用組合臺(tái)階形式布置，即一個(gè)運(yùn)輸平盤(pán)配置一個(gè)安保平盤(pán)，總高度約290 m，臺(tái)階坡面角70°，運(yùn)輸平盤(pán)寬25 m，安保平盤(pán)寬5 m，臺(tái)階高度10 m，整體邊坡角約34°，邊坡安全儲(chǔ)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(yīng)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(tái)階設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加設(shè)一個(gè)安保平盤(pán)，即1 個(gè)運(yùn)輸平盤(pán)配置2 個(gè)安保平盤(pán)，新設(shè)計(jì)的組合臺(tái)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(jiǎn)化Bishop 法作為評(píng)價(jià)方法，每布置1 組臺(tái)階既計(jì)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(chǔ)備要求。

通過(guò)設(shè)計(jì)與計(jì)算，共取得南幫典型剖面上4 個(gè)外凸邊坡形態(tài)的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。部分計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3 所示。

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

分析計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)組合臺(tái)階布置位置最高標(biāo)高為+2 430 m 時(shí)，即從坡腳起布置4 組組合臺(tái)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(chǔ)備系數(shù)1.20 的要求，故最優(yōu)結(jié)果為組合臺(tái)階布置位置最高標(biāo)高為+2 385 m 時(shí)的邊坡形態(tài)。這一結(jié)果在地表界與底周界均不變的前提下，較原設(shè)計(jì)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(yīng)下的三維優(yōu)化

黑山露天礦采用橫采內(nèi)排開(kāi)采方式，南幫邊坡將陸續(xù)局部到界，形成的內(nèi)排土場(chǎng)與橫采工作幫將對(duì)南幫邊坡產(chǎn)生三維支擋作用。這一作用對(duì)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(yīng)下二維優(yōu)化的結(jié)論基礎(chǔ)之上，采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)南幫邊坡形態(tài)進(jìn)行再優(yōu)化。

1）模型的建立。以圖2 中所示邊坡形態(tài)，構(gòu)建橫采內(nèi)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(zhǎng)度1 600 m，傾向長(zhǎng)度925 m，高度約428 m，工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)追蹤距離70 m，共劃分節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)約為19 800，單元個(gè)數(shù)約為131 000。模型中包含基底、煤層、排土場(chǎng)、南幫及橫采工作幫4 個(gè)部分。

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

模型運(yùn)算時(shí)采用自重加載，無(wú)額外的應(yīng)力加載方式，模型前后兩個(gè)側(cè)面限制X方向的位移來(lái)模擬三維邊坡的夾持效果。

2）模擬結(jié)果與分析。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減法運(yùn)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(shí)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(duì)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(zhuǎn)折位置，而坡腳處形變量則相對(duì)較小。可見(jiàn)在模擬運(yùn)算過(guò)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(dòng)下部材料使模型發(fā)生進(jìn)一步破壞，其力學(xué)機(jī)制符合推動(dòng)式滑坡的定義。

邊坡應(yīng)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(nèi)排土場(chǎng)的構(gòu)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(chǎng)支擋的同時(shí)，也會(huì)擠壓工作幫與排土場(chǎng)并造成一定程度的底鼓。隨著強(qiáng)度折減法運(yùn)算的執(zhí)行，模型各材料的強(qiáng)度指標(biāo)逐步縮減，模型內(nèi)部的應(yīng)力平衡將受到擾動(dòng)并不斷尋求新的平衡狀態(tài)[19-20]。在這一過(guò)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(zhuǎn)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(yùn)算后產(chǎn)生滑移量最大的區(qū)域分別布置了測(cè)點(diǎn)1、2?；凇皽y(cè)點(diǎn)的位移值反映測(cè)點(diǎn)及其周邊巖體的形變量，其臨界失穩(wěn)前位移增長(zhǎng)的速度變化特征則反映了測(cè)點(diǎn)所在位置巖體的穩(wěn)定程度”[14]這一結(jié)論，對(duì)比2 種坡面形態(tài)模型的穩(wěn)定程度。

提取測(cè)點(diǎn)的位移歷時(shí)曲線如圖6 所示，+2 340 m、+2 385 m 邊坡模型進(jìn)入臨界失穩(wěn)前變速階段后，測(cè)點(diǎn)2 呈現(xiàn)出的位移增長(zhǎng)速度明顯小于測(cè)點(diǎn)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(jié)論與在斷面形態(tài)效應(yīng)下二維優(yōu)化的結(jié)論相對(duì)比，最優(yōu)邊坡形態(tài)的組合臺(tái)階布置位置最高標(biāo)高由+2 385 m 提升至了+2 430 m，究其原因，得益于工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)的三維支擋作用。

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

3 結(jié) 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(duì)黑山露天礦南幫，采用1 個(gè)運(yùn)輸平盤(pán)配置2 個(gè)安保平盤(pán)的組合臺(tái)階布置方式，對(duì)南幫邊坡標(biāo)高在+2 385 m 以下區(qū)段進(jìn)行坡面形態(tài)優(yōu)化時(shí)，結(jié)果較佳，但仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

2）工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)對(duì)三維邊坡模型產(chǎn)生的支擋效應(yīng)明顯，可顯著提高坡面靠坡腳一側(cè)區(qū)段的穩(wěn)定性。南幫在受到工作幫與排土場(chǎng)支擋的同時(shí)，也會(huì)擠壓工作幫與排土場(chǎng)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(cè)點(diǎn)位移增長(zhǎng)速率為度量，進(jìn)一步比選出最終的形態(tài)優(yōu)化方案。當(dāng)局部加陡南幫邊坡+2 430 m 水平以下邊坡區(qū)段時(shí)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(chǔ)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(shí)也可減少首采區(qū)剝離量約384 萬(wàn)m3。