開挖卸荷情況下露天礦邊坡變形特征

王 韜，趙汝輝

（1.國能準能集團有限公司，內蒙古 鄂爾多斯010300；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013）

露天礦邊坡工程問題是一個復雜的系統問題。特別是，地震、降雨、工程開挖、基底蠕變、優勢結構面等影響邊坡穩定性的因素多種多樣，而且每一類具體的邊坡工程問題又有其特有的主控因素，因此相關的結論和方法很難互相套用。長期以來，對露天礦邊坡主要是研究降雨、爆破、井工開采等因素的影響[1-4]，然而針對開挖卸荷這一露天礦最普遍的工程活動對露天礦邊坡穩定性影響的研究則相對較少，主要是集中在開挖損傷區的形成機理和確定方法，而沒有形成實用的邊坡穩定性分析判斷方法，尤其是沒有一種適用于工程現場快速決策的方法。

從減小開采初期的運輸距離以便充分節約成本考慮，很多露天礦都存在沿幫排土場。在端幫煤回采過程中，沿幫排土場邊坡的穩定性問題成為礦山實現煤炭資源最大程度回收需要首先解決的課題[5]。黑岱溝露天礦首采區轉向過程需要對南端幫壓煤進行回采，在這一過程中，其沿幫排土場邊坡的穩定性直接關系到人員和設備的安全。基于此，研究開挖卸荷對黑岱溝露天礦南端幫沿幫排土場邊坡穩定性的影響，探索在該種工況下邊坡的變形特征。

1 邊坡變形規律數值模擬

黑岱溝露天礦首采區轉向過程需對首采區南端幫壓煤進行回采，在端幫煤回收過程中作為其沿幫排土場的哈爾烏素露天礦內、外排土場邊坡的穩定性問題是關鍵技術問題。該處邊坡總體高度超過250 m，部分地段邊坡角超過35°。工程地質條件較簡單，可采煤層共2 層（5 煤、6 煤），煤層頂板主要為砂巖，而影響邊坡穩定性的主要層位為底板，其性質為泥巖或砂質泥巖。

露天礦開挖屬于卸荷行為，對于這一問題，已有許多學者和工程技術人員開展了相關研究，研究結果顯示，對于該類工程問題必須考慮卸荷導致的邊坡巖土體力學參數的弱化[6-8]。為此，設計采用如下方法開展數值模擬研究：假設每次開挖邊坡巖土體的黏聚力C 和內摩擦角φ 均發生20%的弱化，分6步完成開挖工作。需要說明的是，實際的工程中，受開挖影響邊坡巖土體的力學參數弱化規律是十分復雜的，但本文假設每次均發生20%的弱化并不會影響相關結論的可信度。

選擇SCQ-2 剖面作為典型剖面開展研究，采用有限元工具進行模擬，平面應變分析，選擇Mohr-Coulomb 準則，設置6 個斷面（Ⅰ～Ⅵ號斷面）監測開挖全過程邊坡變形情況。開挖全過程沿幫排土場邊坡相對剪應力（無量綱）變化圖如圖1。各監測斷面水平方向變形曲線圖如圖2。

圖1 開挖全過程沿幫排土場邊坡相對剪應力(無量綱)變化圖Fig.1 The change of relative shear stress along the side slope during the whole excavation

圖2 各監測斷面水平方向變形曲線圖Fig.2 Horizontal deformation curves of each monitored section

在開展端幫開挖全過程沿幫排土場邊坡力學特性研究的同時還采用有限元強度折減法計算了各開挖步邊坡的安全系數。從圖1 可以看出邊坡的應力集中區域主要分布在邊坡后部和前部靠近開挖工作面區域，其中后部主要受排棄物料自重應力影響，而前部主要受開挖卸荷影響。同時可以發現，隨著開挖卸荷，邊坡前部應力集中區域有不斷擴大的趨勢。總的來說，可以從時間和空間2 個維度來理解開挖卸荷對該邊坡的影響。從時間維度來說，開挖對邊坡的影響可以分為3 個階段: 第1 階段包括第1 步開挖，即基本沒有影響階段；第2 階段包括第2、第3步開挖，即初步影響階段階段，這一階段邊坡變形相較于第1 階段明顯增大，但從應力集中情況來看，變化仍然有限；第3 階段包括第4、第5、第6 步開挖，即明顯影響階段，應力集中區急劇擴大。從安全系數的情況來看，也基本符合以上對3 階段的劃分。再從空間維度來看，開挖卸荷對6 條監測斷面的影響從小到大也可以分為3 級，分別是斷面Ⅰ，即第1級，基本無影響區域；斷面Ⅱ～斷面Ⅴ，即第2 級，中等影響區域；斷面Ⅵ，即第3 級，重點影響區域，如果不考慮安全儲備的話，該區域可以認為在第6 步發生了滑坡。

2 邊坡變形演化機制

2.1 理論分析

根據對圖2 和圖3 的分析，可知在開挖卸荷影響下，邊坡的變形呈現出階段性急劇增大和累積效應2 種特性。邊坡變形演化機制如圖3。圖3 中，曲線為作為對比的蠕變曲線（邊坡變形演化可以從蠕變來進行簡單解釋[9-10]），為考慮開挖卸荷邊坡變形曲線。

圖3 邊坡變形演化機制Fig.3 Slope deformation evolution mechanism

從圖3 可以看出，開挖卸荷打斷了邊坡的正常演化過程，使得邊坡更早進入加速變形階段，在加速變形階段中，邊坡階段性經歷變形的急劇增大和回歸平穩，直至進入階段，邊坡的變形不在回歸有序情況，而發生失穩破壞。這一理論分析也為邊坡地表變形監測數據的分析提供了依據，因為不是所有的煤礦都有條件建立邊坡地下變形監測系統，從成本上考慮也不必所有的邊坡都開展全方位的監測，從以上分析可以看出，邊坡地表變形監測數據也與地下變形監測數據呈現出類似的規律和形態。

2.2 工程實例

為開展研究，采集并分析了黑岱溝露天礦首采區南端幫邊坡（SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個剖面）2016 年12 月26 日至2017 年2 月28 日的變形監測數據，黑岱溝露天礦首采區南端幫邊坡監測數據如圖4。

圖4 黑岱溝露天礦首采區南端幫邊坡監測數據Fig.4 Monitoring data of south side slope in the first mining area of Heidaigou Open-pit Mine

從圖4 可以發現，各監測點的水平方向變形均指向開挖卸荷方向，這符合邊坡的變形演化機理。同時，所有監測點的變形數據均表現出累積效應。但是，相對來說監測點1-3 變形監測數據有階段性急劇增大現象，而其他點則相對平穩。這說明，整體來說，在開挖卸荷情況下，SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3個剖面的穩定性都是持續降低的，但SCQ-1 安全系數降低幅度較大，應重點關注。另外，監測點1-3 變形曲線特征說明該點處于開挖卸荷影響區，必要時該監測線需增加監測點。為驗證監測結果，分別于2016 年12 月26 日和2017 年2 月28 日采集了邊坡巖土體試樣開展直接剪切試驗，根據試驗結果分別計算了這2 個時間節點3 個剖面的安全系數，2016年12 月26 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個剖面的安全系數Fs為2.17、1.68、2.04, 2017 年2 月28 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 個剖面的安全系數Fs為1.66、1.43、1.95。可以看出，端幫開挖卸荷期間，SCQ-1 剖面安全系數降低了23.5%，而SCQ-2 和SCQ-3 剖面安全系數則分別降低了14.9%和4.4%，即SCQ-1 剖面安全系數降低幅度較大，與監測結果相符，說明本文提出的方法可以用于工程實際。

3 結 語

開挖卸荷影響下，露天礦邊坡的深部位移曲線表現出累積效應，且隨邊坡安全系數的降低而遵循一定的演化規律，在穩定時，呈“D”型，隨安全系數的降低逐漸過渡到“P”型，最終在邊坡失穩破壞時表現為不再有序增長。從邊坡的表面變形來看，開挖卸荷影響下，邊坡會提前進入加速變形階段，表面變形數據同樣表現出累積效應和邊坡失穩破壞時變形數據不再有序增長的特征，這一特點可以用來初步判斷邊坡安全情況。以黑岱溝露天礦首采區南端幫端幫煤回收為例對相關結論進行了驗證。