我國露天煤礦邊坡研究現狀及發展趨勢

韓 猛，封海洋，李金典，王海洋，紀玉石

（1.煤科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）

露天煤礦邊坡穩定是生產工作安全有序推進的基礎，露天礦勘察、設計、建設、生產、閉坑全過程應貫穿邊坡穩定研究工作，其涉及邊坡穩定性評價、監測、治理等多方面內容。隨著我國露天煤礦開采規模的逐步擴大，采掘深度的增加，邊坡工程存在的問題也呈多樣化、復雜化。我國露天煤礦受其地質條件的影響，邊坡問題頻發，安全隱患不容忽視。多年來積累了豐富的理論及實踐基礎，基本形成了集理論研究、監測監控、治理工程為一體的綜合技術體系。

1 邊坡穩定性研究

國內外在邊坡穩定性分析理論研究方面主要分定性及定量分析2 種。定性分析法主要是在勘查、研究基礎上，形成定性分析結果，并提出防治建議。定量分析法主要是在對邊坡穩定性進行計算的基礎上，以所得的力學計算結果對邊坡的穩定性進行判斷的方法, 其優點是可以以數字的形式給出邊坡的穩定性狀況，直觀且較定性分析法更為準確。極限平衡法是一種較為成熟且應用最為普遍的定量分析方法。早期的條分法是由Petterson 提出的基于假設條件下的條分法，經過后人的改進出現了如：Fellenius 法、Janbu 法、Bishop 法、Morgenstern 法、Spencer法、Sarma 法等基于各種不同力學假定的條分法，并且隨著計算機技術的發展開發了相應的計算機程序。由于該方法具有較為完善，簡單實用，計算結果可靠等優點，目前大量應用與邊坡穩定性研究中，但條分法存在沒有考慮邊坡坡體內部巖土體的應力-應變關系的缺點，無法對坡體變形破壞的發生發展過程進行分析，因此該方法得出的是假定滑裂面的平均安全系數，并未考慮局部變形的影響。

邊界單元法（BEM）、有限單元法（FEM）、離散單元法（DEM）、有限差分法（FDM）、快速拉格朗日法（FLAC）等目前主要用于邊坡穩定性數值分析的研究，以上方法都是通過對滑坡或邊坡內部的應力、應變特征進行分析，進而對斷面變形和穩定狀態進行判定。但這些方法存在著隨劃分單元體的參數的精度降低計算精度降低的缺點，因此需要進行大量的試驗，如果缺少實驗支撐，則計算的結果的精度也會相應降低。此外，由于數值分析過程較為復雜且存在過多的假定參數, 且得到的結果不是直接的邊坡安全系數，因此使得該方法的使用受到限制。而且目前本構關系的研究與計算機技術的發展不對稱，也使計算成果可靠程度受到影響。目前本構關系上和幾何上的非線性已經引起學者們的關注，巖土體的本構模型也已經發生轉變。隨著巖體損傷理論、斷裂力學理論以及大變形理論的引入將會使數值分析的結果更貼近于實際，也會使該方法今后有長足的發展。

由于巖土介質具有非均勻、非連續的空間復雜性和漸進破壞過程的時間復雜性等特點，關于連續-非連續耦合算法、漸進分析法（RFPA）等數值計算方法的研究也越來越多。路曉敏等推導出有限元與塊體元法統一力學模型的支配方程，并研究了地下洞室圍巖的穩定性[1]。Morris 等和Bagherzadeh 等對有限元-離散元耦合算法進行了開發。張沖等提出了三維簡單變形體離散元方法（3SDEM）。周偉等對隨機顆粒不連續變形模型進行了建立，并引入了黏聚力模型[2-3]。唐春安對RFPA 的研究現狀及應用進行了總結及介紹[4]。馮春等針對離散彈簧系統等效于傳統有限元單元節點力的關系，對彈簧剛度表達式進行了推導[5]。張清波等以連續介質離散元法（CDEM）程序為基礎，形成了彈簧元-離散元耦合程序，并應用其計算基覆邊坡在重力下的破壞以及均質土坡在重力下的彈塑性變形，對彈簧元法在邊坡變形漸進破壞分析方面的可行性進行了初步證明[6]。馬力等將模糊評價方法用于露天煤礦的綜合評價，得出了露天煤礦評價指標的分級區間，并得到了露天煤礦綜合模糊評價集，以最大隸屬度原則對露天煤礦的評價等級進行了確定[7]。

2 邊坡變形監測及預警技術

露天礦邊坡變形監測及預警是掌握邊坡穩定動態的重要保障，邊坡變形監測技術是指使用各種先進的儀器或設備對露天礦邊坡進行測量以確定其空間位置及內部形態隨時間變化特征的技術，而預警技術是對監測得到的成果進行分析判斷，對邊坡的穩定狀態進行預報的技術，兩者相互依存，是邊坡穩定性定量分析不可或缺的部分。

2.1 邊坡變形監測技術

露天礦邊坡的變形監測分為地表變形監測和地下變形監測2 部分，地表變形監測包含地表位移監測、地表隆起變形監測、地表裂縫監測等內容，地下位移監測包括水平位移監測、垂直位移監測及大地位移監測等內容[8]。

學者們針對邊坡變形監測技術及方法做了較多的研究。目前常見的邊坡變形監測技術方法主要包含：傳統大地測量方法、測量機器人技術、“3S”技術、地面三維激光掃描（TLS，Terrestrial Laser Scanning）技術、InSAR 技術、數字近景攝影測量技術、電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）技術、時域反射技術（TDR，Time-Domain Reflectometry）、分布式光纖傳感技術、陣列式位移計（SAA，Shape Acceleration Array）、聲發射及微震監測技術、多種方法協同監測技術等，其中主要用于地表變形監測的有傳統大地測量方法、測量機器人技術、“3S”技術、地面三維激光掃描（TLS，Terrestrial Laser Scanning）技術、InSAR 技術、數字近景攝影測量技術、電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）技術，用于地下變形監測時域反射技術（TDR，Time-Domain Reflectometry）、分布式光纖傳感技術、陣列式位移計（SAA，Shape Acceleration Array）、聲發射及微震監測技術。從查閱的相關參考文獻可以看出，傳統邊坡變形監測技術存在效率低、監測周期長、費時費力、無法實時監測等缺點[9]，隨著邊坡變形監測技術的發展，傳統的邊坡變形監測技術被新興的變形監測技術所替代，彌補了傳統邊坡變形監測技術的不足，且更加自動化、智能化，并且有全天候、實時觀測、高精度、測量速度快、方便快捷、遠程無接觸監測等優點，而且隨著多方法協同監測技術的發展，使監測效率和精度得以提升，且使單一邊坡監測技術的不足得到克服。總體來說邊坡監測技術從原始的人工監測方式逐步轉向高科技、各系統集成的方向發展。各邊坡監測技術的特點及適用范圍見表1。

2.2 邊坡變形監測預警技術

邊坡變形監測預警技術是在邊坡變形監測結果的基礎上對監測數據進行分析，對邊坡的穩定性進行預報的技術，為邊坡變形監測的最終產物，可為礦方提供邊坡的穩定性狀態，確保礦方安全生產。

邊坡變形監測預警核心是提出滑坡判據及建立預警模型，國內外學者經過大量的研究，先后有40余種滑坡判據及預警模型被提出，一直從滑坡定性預警、滑坡定量預警過渡到滑坡綜合預警階段，總體來說包含確定性預警模型、統計預警模型、非線性預警模型及宏觀預警模型4 類。以上模型大多在對多種歷史數據統計和分析的基礎上，而對邊坡的地質結構、力學特性及自身的演變過程考慮較少，且滑坡演化過程大多具有復雜性、隨機性等特點，各預警模型具有一定局限性，只可用于特定類型或階段的預警[10]，滑坡預警結果不理想，主要表現為：成功率低、預警滯后、錯誤預警等。滑坡預警模型及預警方法見表2。

表2 滑坡預警模型及預警方法Table 2 Early warning model and method of landslide

3 邊坡加固技術

我國的露天礦在數量和規模都較為宏大，因此邊坡的穩定性分析、安全性評價和防治工作的重要性日益凸顯。據不完全統計，我國大中型露天礦不穩定邊坡或具有滑坡危險的潛在不穩定邊坡占比較高，個別露天礦山甚至更高[11]，因此為保證礦方安全生產，對邊坡加固技術的研究顯得尤為重要。

對于露天礦邊坡加固措施，目前常見的方法主要有疏干排水法、削坡減載法、減重壓腳法、錨索/桿加固法、抗滑樁法、擋土墻法、注漿加固法，根據各方法特征可將其歸為3 類,分別是水害治理、增大抗滑力及增加巖體強度。

1）水害治理。邊坡水害主要來自于大氣降水及地下水，水的存在使巖土體的物理力學參數降低，導致邊坡的穩定性降低，而對大氣降水及地下水的疏排，可有效提高邊坡的穩定性，邊坡常用的排水措施主要包括地表水疏排和地下水疏干2 種，地表水疏排是在邊坡坡面、坡頂修建排水溝，若有裂縫還應對其深部進行充填、端口進行封閉；地下水疏干方法包括水平疏干孔、垂直疏干井及地下疏干巷等。

2）增大抗滑力。增大抗滑力的方法主要有削坡減載法及減重壓腳法，削坡減載法是對滑體上部或坡面進行減載，以減小下滑力或降低坡面角；減重壓腳法是對滑體上部或坡面進行削坡，然后將削坡的巖土堆積于坡腳處，從而增大抗滑力而減小下滑力，該方法要保證坡腳有足夠的排土空間。

3）增加巖體強度。增加巖體強度的方法主要有錨索/桿加固法、抗滑樁加固法、擋土墻法及注漿加固法，在應用以上各種方法時需要針對邊坡形態的不同具體考慮，如錨索/桿加固法適用于有明確滑動面的硬巖，特別是深層滑坡；抗滑樁加固法適用于滑面單一，且滑體較為完好的淺/中厚層滑坡體中；擋土墻法適用于滑體松散的淺層滑坡；注漿加固法適用于巖體較為堅硬，且裂隙較為連通的邊坡。

4 復雜邊坡問題研究現狀

現階段隨著開采技術的提高，復雜邊坡問題凸顯，學者逐漸把目光聚集到復雜邊坡問題研究上。露天礦由于地質構造、巖性特征以及開采工藝等方面的影響，產生的邊坡問題尤為嚴重。其中，軟巖邊坡、多弱層邊坡、斷層構造邊坡、順層邊坡以及高陡邊坡等對礦區生產產生了巨大影響，逐漸引起了眾多學者的關注。

1）軟巖邊坡。在露天煤礦開采過程中，軟巖受到自身重力、水、震動力等因素長期作用，結構和力學性質等發生改變，最終導致邊坡發生失穩或滑坡的風險。陳鵬等對斷層影響下順傾軟巖邊坡穩定性進行了分析，對斷層對邊坡體的影響機理進行了進一步研究[12]。Makoto 等通過分析非線性分析方法的適用性，認為該方法考慮了漸進式失效評估巖質邊坡穩定性，結果表明，該方法較適用于評價邊坡地震穩定性[13]。

2）多弱層邊坡。目前軟弱夾層對巖體穩定性的研究已有較多成果，但是巖體內部軟弱夾層較多時，巖體與軟弱夾層相互作用引起的變形和穩定性問題研究成果較少，且對于存在多個弱層及弱層被斷層切割的復雜邊坡穩定研究的文章也寥寥無幾。李曉俊人工干預并組合了邊坡中的不同弱層滑坡路徑，進一步對邊坡的穩定情況進行分析，為加固邊坡提供了依據[14]。許寶田等分析九頂山邊坡巖體內存在的3 條較大規模的軟弱夾層并提出相應的加固方案[15]。Cao 等采用FLAC3D的殘余推力法和數值模擬提出了多煤層露天礦的優化措施, 并利用該方法分3 個階段優化了霍林河南露天礦多個煤層的坡面形態[16]。

3）斷層構造邊坡。斷層構造對邊坡穩定性影響極大，對于露天礦安全生產有著極大的影響，人們長期關注的焦點都在其空間展布規律的探討和預測上，目前國內外學者多從統計規律和力學成因方面對其展開的研究。李文秀等根據我國西部山區某露天礦工程實際，采用有限單元法對爆破動力和地下水作用下高陡巖石邊坡開挖的動態過程進行了模擬，計算了邊坡安全系數[17]。王學濱等利用能量準則得到斷層帶-圍巖系統的失穩判別依據，它與巖石材料的本構參數及巖石結構的幾何尺寸都相關，說明系統的穩定性具有尺寸效應，斷層巖爆與礦柱巖爆失穩判據具有一定的類似性[18]。

4）順層邊坡。在各種結構類型的滑坡中，層狀滑坡的破壞性較大，其中順層滑坡的發生幾率和破壞程度更大，成為關注的焦點。李樹森等和劉小麗等分析了層狀順層邊坡失穩機理，得出了層狀結構順層巖體斜坡潰曲破壞的下部臨界載荷、臨界坡長，并經實際計算驗核，對斜坡工程評估、災害預測防治提供了重要依據[19-20]。朱晗迓等對巖石彈性模量、層間滑動面強度、巖層厚度、層面傾角等因素對類似邊坡潰屈破壞臨界坡長的影響進行了分析[21]。

5）高陡邊坡。現如今，隨著露天礦不斷開采，我國大部分露天礦相繼出現了許多高陡甚至超高的露天礦邊坡，導致出現人員、設備事故頻發等問題，極大的影響了露天礦安全生產，這已經成為當今社會關注的一個重點問題[22]。楊杭認為，對高邊坡穩定性進行綜合管控需要從其變形破壞機理、監測預警、穩定性分析評價等方面進行，才能夠更好地保障高邊坡的安全[23]。梅金等應用極限平衡法，對高陡邊坡動態穩定性評價的技術流程進行研究，可更加全面、系統地評價了邊坡穩定性[24]。

5 存在的問題及發展趨勢

1）邊坡研究理論的深入化。在邊坡穩定性研究方面，多年來以極限平衡理論為基礎的靜力學研究方法一直占據主導地位，同時衍生了多種多樣的分析方法。由于邊坡巖土介質有非均勻且非連續的空間復雜性特點以及隨著破壞過程漸進的時間復雜性特點，且露天煤礦邊坡不同于山體邊坡及其他人為開挖邊坡，其穩定條件受開采工作的影響較大，即還需深入研究邊坡的動態穩定規律及影響因素。邊坡長期演化屬動力學的領域，存在破壞過程復雜，破壞機理不清，災害影響嚴重，影響深遠等特點，且穩定性研究是多學科交叉與融合的學科，許多關鍵性問題尚需國內外學者進行深入研究。

2）邊坡穩定控制精益化。隨著我國開采技術及水平的提高，在保證安全前提下，如何實現資源的高效開采，是未來要重點解決的問題，現行的邊坡設計一般是在選取適宜的安全儲備系數后，以現狀邊坡或設計邊坡計算穩定系數大于安全儲備作為衡量邊坡穩定的主要依據，進而進行邊坡參數設計或優化。上述方法往往為追求邊坡穩定一般計算所得的穩定邊坡角較小，導致露天礦較高的剝離投入，同時造成邊坡較大的壓煤量。因此，如何在邊坡監測預警預報技術的充分保障下，實現對邊坡參數的精益化控制是未來的重點工作，與其相關的陡幫開采技術、排棄場地增高擴容技術、橫采內排技術等均需要進一步深入系統研究。

3）邊坡監測技術的智能化、多元化。隨著我國信息化技術水平的發展，礦山監測手段也體現出信息化、智能化的特征，在智慧礦山整體架構下，如何實現智慧邊坡是廣大科技工作者需要思考的問題，邊坡監測技術的智能化不僅僅是監測手段的升級，更重要的是如何從源頭實現邊坡的智能化管理、智能化設計、智能化監控，同時，如何實現露天礦環境地質災害多維度協同監測，如何基于監測和觀測多元信息融合技術，實現對露天礦山邊坡及地表變形等安全態勢、動態變化的智能化預測和多維度防范。此外，需研究露天礦地質災害綜合觀測與短臨預報技術，確定露天礦山地質災害短臨預報關鍵指標、參數及臨報時間，實現災害發生前精準預警及預報，為監測礦山提供安全技術保障。

6 結 語

邊坡穩定技術是一門系統性科學，其集采礦、地質、力學、安全工程等多學科為一體，露天煤礦邊坡區別于自然山體邊坡，其變形、失穩規律具有自身特點，對于露天邊坡的研究既要寄托于相關專業學科的發展，又要結合其自身規律及安全需求。多年來，我國科技工作者結合我國露天煤礦自身地質條件及國家政策要求，致力于露天邊坡的穩定、控制技術、監測監控、治理工程等方面的研究，并取得了長足進步，未來應圍繞智慧露天礦山建設，在保障邊坡安全或風險可控前提下，實現邊坡智能化管理、設計，為露天礦山安全高效開采保駕護航。