郭海建，成 功

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.新疆煤炭設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091）

伴隨著我國(guó)露天礦產(chǎn)量規(guī)模的增大、采場(chǎng)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(dòng)、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(jì)相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，尤其是由于長(zhǎng)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(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響有著顯著的區(qū)別，對(duì)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(wèn)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(wèn)題，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，在這期間許多經(jīng)典計(jì)算方法[2-5]被應(yīng)用于工程實(shí)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(jì)算方法；王東等[7]基于極限平衡理論及相似模擬試驗(yàn)研究，提出了利于邊坡穩(wěn)定的三維計(jì)算方法；何劉等[8]利用試驗(yàn)儀器對(duì)不同坡面形態(tài)下邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，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(duì)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(guò)穩(wěn)定計(jì)算、理論分析對(duì)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(duì)于邊坡穩(wěn)定性研究的相對(duì)較少，而事實(shí)上，這種斷面形態(tài)上的差異對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響有著顯著的差別?；诖耍院谏铰短烀旱V南幫邊坡為研究對(duì)象，采用畢肖普法[10]的優(yōu)化方法理論與強(qiáng)度折減法[11]的數(shù)值模擬研究成果，對(duì)比分析了斷面形態(tài)差異對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)上，這種處理方法一定程度上忽視了非線性斷面形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的造成的影響[12-15]。為此，基于簡(jiǎn)化Bishop 法對(duì)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(duì)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(shí)際工程中可以有針對(duì)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)?；诖耍瑸榱朔治霾煌瑪嗝嫘螒B(tài)對(duì)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(duì)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(shì)。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(hào)。

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(guò)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(shì)，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(diǎn)”理論

對(duì)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(duì)內(nèi)凹斷面形態(tài)過(guò)多研究，而研究重點(diǎn)在于如何放大外凸斷面形態(tài)的收益效果。坡面的拐點(diǎn)位置決定了斷面形態(tài)變化趨勢(shì)，倘若坡面拐點(diǎn)位于拐點(diǎn)位置2 處，等同于在拐點(diǎn)位置1 處削減了部分條塊自重，而這些被削減去的條塊實(shí)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(diǎn)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(diǎn)位置統(tǒng)稱為“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”。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(diǎn)”主要位于“抗滑段”范圍時(shí)，不利于邊坡穩(wěn)定性，反之，當(dāng)“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”主要位于“下滑段”范圍時(shí)，有利于邊坡穩(wěn)定性。

2 不同斷面形態(tài)對(duì)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(duì)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(duì)象，對(duì)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(jì)方案對(duì)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(chǔ)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(jì)將于2026 年部分到界，屆時(shí)首采區(qū)可實(shí)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(qiáng)度約220 m，南幫邊坡在橫采工況下坡頂最大的暴露長(zhǎng)度約2 400 m，結(jié)合推進(jìn)強(qiáng)度計(jì)算可知南幫邊坡巖體露出時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)約11 年。按照GB 50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，南幫邊坡的安全儲(chǔ)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(duì)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(jì)，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(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)在關(guān)注邊坡整體穩(wěn)定性的同時(shí)，確保局部邊坡的穩(wěn)定性也滿足安全儲(chǔ)備要求。此外，加陡或減緩邊坡坡面時(shí)應(yīng)當(dāng)保證主采煤層的開采盡量不受損失。對(duì)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(jì)邊坡臺(tái)階采用組合臺(tái)階形式布置，為25 m 寬運(yùn)輸平盤和寬5 m 的保安平盤，臺(tái)階坡面角為70°，臺(tái)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(tái)階設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加設(shè)1 個(gè)安保平盤，即1 個(gè)運(yùn)輸平盤配置2 個(gè)安保平盤。新設(shè)計(jì)的組合臺(tái)階自坡腳向地表依次布置，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。12 剖面各形態(tài)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2。

基于上文提到的“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”理論，在不同斷面形態(tài)設(shè)計(jì)下，研究其邊坡穩(wěn)定性的差異。從邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，隨組合臺(tái)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(zhǎng)，這是由于組合臺(tái)階最大標(biāo)高降低時(shí)，“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”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(diǎn)”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(duì)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(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)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(cè)點(diǎn)位移歷時(shí)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(tái)階最大標(biāo)高的提升，邊坡的形變最大值區(qū)域會(huì)逐漸向“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”位置靠近，這表明外凸局部邊坡的穩(wěn)定性會(huì)受“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”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(cè)點(diǎn)位置歷時(shí)曲線變化過(guò)程可分為：加速階段、穩(wěn)速階段和失穩(wěn)前變速階段，各測(cè)點(diǎn)位移的歷時(shí)曲線均呈現(xiàn)出振蕩的發(fā)展態(tài)勢(shì)，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，形變最大值區(qū)測(cè)點(diǎn)位移增長(zhǎng)速度在同階段較其他測(cè)點(diǎn)變化更快，并且這種變化趨勢(shì)將持續(xù)增長(zhǎng)至最后階段，即形變最大值區(qū)測(cè)點(diǎn)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(yǔ)

通過(guò)不同斷面形態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定性隨“斷面形態(tài)差異點(diǎn)”位置變化而先升高后降低的特點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)，得出當(dāng)邊坡斷面形態(tài)差異點(diǎn)主要分布于下滑段時(shí)，不利于邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡斷面形態(tài)差異點(diǎn)主要分布于抗滑段時(shí)，有利于邊坡穩(wěn)定性。