黑山露天礦邊坡不同斷面形態下的穩定性關系研究

郭海建，成 功

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

伴隨著我國露天礦產量規模的增大、采場的延深，形成了大量高陡邊坡，這類邊坡的穩定性關系重大，其邊坡穩定性受到生產活動、地質條件、邊坡形態等因素的影響，其中邊坡形態便屬于礦山系統安全與經濟相互協調的結果，尤其是由于長期開展礦山工程的影響，只有極少數的露天礦邊坡是平直的線性斷面形態，取而代之的是非線性斷面形態邊坡的存在，這種斷面形態[1]的差異對于邊坡穩定性的影響有著顯著的區別，對于此類邊坡穩定性的研究是目前露天邊坡安全工程領域值得關注的問題。

露天礦邊坡穩定性分析作為目前安全工程較為關注的問題，諸多學者對此進行了研究，在這期間許多經典計算方法[2-5]被應用于工程實踐，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向側向土壓力與和彎道半徑變化的關系，并提出了邊坡三維穩定性計算方法；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下邊坡漸進破壞過程進行了模擬試驗，總結了不同坡面形態邊坡的失穩特征；盧坤林等[9]基于極限平衡法理論研究，分別對凸、凹邊坡形態進行了邊坡穩定性分析，得出了不同坡面形態下的影響因素和變化規律?；谝陨涎芯砍晒?，或通過穩定計算、理論分析對此類邊坡穩定進行了研究，但專注于露天礦邊坡斷面形態對于邊坡穩定性研究的相對較少，而事實上，這種斷面形態上的差異對邊坡穩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]的優化方法理論與強度折減法[11]的數值模擬研究成果，對比分析了斷面形態差異對于邊坡穩定性影響。

1 邊坡不同斷面形態研究

在露天礦邊坡安全工程中存在3 種不同的邊坡斷面形態：線性斷面形態、外凸斷面形態與內凹斷面形態，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，而針對控制邊坡穩定性的處理措施通常以線性斷面形態的處理方法考慮，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對邊坡穩定性的造成的影響[12-15]。為此，基于簡化Bishop 法對于不同斷面形態進行研究。

1.1 線性與非線性斷面形態差異

線性斷面形態是一種近似平直斜線的斷面形態，對于露天礦邊坡而言，大多是非線性形態（外凸坡面、內凹坡面），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量，使得邊坡穩定性向著工程上期望的方向發展，這也就使得邊坡的坡面由線性變成了非線性的形態?；诖?，為了分析不同斷面形態對于邊坡穩定性的影響，研究露天礦邊坡坡面的最有利形態，分別將外凸斷面形態、內凹斷面形態與線性斷面形態放于同一研究對象上，假定它們與線性斷面形態下的條塊分別有著△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。

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

1.2 “斷面形態差異點”理論

對于露天礦邊坡而言，內凹斷面形態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，故在此不對內凹斷面形態過多研究，而研究重點在于如何放大外凸斷面形態的收益效果。坡面的拐點位置決定了斷面形態變化趨勢，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定性，而拐點的位置決定著邊坡外凸坡面的形態，為了方便敘述，將拐點位置統稱為“斷面形態差異點”。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“斷面形態差異點”主要位于“抗滑段”范圍時，不利于邊坡穩定性，反之，當“斷面形態差異點”主要位于“下滑段”范圍時，有利于邊坡穩定性。

2 不同斷面形態對于露天礦邊坡穩定性的影響

為了進一步研究不同斷面形態對于露天礦邊坡穩定性的影響，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，不同斷面形態設計方案對于邊坡穩定性的影響。黑山露天煤礦南幫邊坡整體高度約300 m，邊坡巖體組成為：中統西山窯組上段、中段、下段含砂巖層、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、煤層（9＃煤為可采煤層，13＃煤為主采煤層）組成，第四系地層由細砂、粉砂、亞砂土組成。

2.1 剖面與安全儲備系數

黑山露天礦首采區南幫即首采區工作幫，預計將于2026 年部分到界，屆時首采區可實現初步內排，坑底標高最低為＋2 255 m，橫采年推進強度約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，結合推進強度計算可知南幫邊坡巖體露出時間最長可達約11 年。按照GB 50197—2015煤炭工業露天礦設計規范的規定，南幫邊坡的安全儲備系數取值為1.20。選取南幫12 剖面邊坡工程地質模型為研究對象，邊坡巖土體力學參數見表1。

2.2 邊坡斷面形態參數

承前所述，非線性的斷面形態可以提高整體邊坡的穩定性，而為了使邊坡在斷面上呈現出非線性的斷面形態，需將邊坡分區段進行加陡或減緩設計，這必然導致加陡的區段邊坡的穩定性下降，故而在優化設計時應當在關注邊坡整體穩定性的同時，確保局部邊坡的穩定性也滿足安全儲備要求。此外，加陡或減緩邊坡坡面時應當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。為了達到局部邊坡加陡的目的，在原組合臺階設計的基礎上加設1 個安保平盤，即1 個運輸平盤配置2 個安保平盤。新設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段邊坡的穩定性系數，直至局部加陡區段邊坡的穩定性不再滿足安全儲備要求。12 剖面各形態邊坡穩定性系數計算結果如圖2。

基于上文提到的“斷面形態差異點”理論，在不同斷面形態設計下，研究其邊坡穩定性的差異。從邊坡穩定計算結果可知，隨組合臺階最大標高的提升，局部加陡區段邊坡的穩定系數將持續減小，而整體邊坡的穩定系數則出現小幅度的增長，這是由于組合臺階最大標高降低時，“斷面形態差異點”位于邊坡“抗滑段”范圍，其有利于邊坡穩定性，隨著局部加陡區段標高的升高，“斷面形態差異點”將逐步由“抗滑段”向“下滑段”轉移，從而導致邊坡穩定系數降低。

3 不同斷面形態下的數值模擬

分別對12 剖面各形態邊坡進行了數值模擬研究。邊坡位移云圖如圖3，不同形態下的關鍵測點位移歷時曲線圖如圖4。

圖3 邊坡位移云圖

圖4 不同形態下的關鍵測點位移歷時曲線

12 剖面各形態邊坡數值模擬研究結果表明：

隨著組合臺階最大標高的提升，邊坡的形變最大值區域會逐漸向“斷面形態差異點”位置靠近，這表明外凸局部邊坡的穩定性會受“斷面形態差異點”位置影響，邊坡的穩定系數將持續減小。

不同形態下的關鍵測點位置歷時曲線變化過程可分為：加速階段、穩速階段和失穩前變速階段，各測點位移的歷時曲線均呈現出振蕩的發展態勢，進一步觀察發現，形變最大值區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增長至最后階段，即形變最大值區測點的速度變化特征與其在邊坡位移云圖中表現的特性一致。

4 結語

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