作者：李江海 周芯宇
工程建設中，邊坡失穩(wěn)是邊坡常見的穩(wěn)定性問題，其導致了諸如滑坡、崩塌等對工程產(chǎn)生嚴重破壞的災害。滑坡是影響露天礦邊坡安全生產(chǎn)的重要因素，露天礦邊坡穩(wěn)定性研究與治理是煤礦技術工作中不可缺少的組成部分（關偉，2022）。強度折減法、極限平衡法、數(shù)值分析法等都是邊坡穩(wěn)定性分析的方法，其中極限平衡法、有限單元（簡稱有限元）法是最為常用的方法（汪健江等，2022）。滑坡是斜坡巖土體沿著慣通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移現(xiàn)象?；碌臋C制是某一滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度所致（2008年國土資源部、水利部、地礦部地質災害勘察規(guī)范）。滑坡是一種典型的地質災害現(xiàn)象，指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。從斜坡的物質組成來看，具有松散土層、碎石土、風化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強度低，容易產(chǎn)生變形面下滑；堅硬巖石中由于巖石的抗剪強度較大，能夠經(jīng)受較大的剪切力而不變形滑動。降雨對滑坡的影響很大。雨水的大量下滲，導致斜坡上的土石層飽和，甚至在斜坡下部的隔水層上積水，從而增加滑體重量，降低土石層抗剪強度，導致滑坡產(chǎn)生。地震對滑坡的影響很大。地震強烈作用使斜坡土石的內(nèi)部結構發(fā)生破壞和變化，原有的結構面張裂、松弛，加上地下水也有較大變化，特別是地下水位的突然升高或降低對斜坡穩(wěn)定是很不利的。在地震波的反復振動沖擊下，斜坡土石體就更容易發(fā)生變形，最后就會發(fā)展成滑坡。開挖坡腳：工程建設常常使坡體下部失去支撐而發(fā)生下滑。例如鐵路、公路、礦山因修建時大力爆破、強行開挖，在邊坡上發(fā)生滑坡，給施工、運營帶來危害。蓄水、排水：水渠和水池的漫溢和滲漏，工業(yè)生產(chǎn)用水和廢水的排放、農(nóng)業(yè)灌溉等，均易使水流滲入坡體，加大孔隙水壓力，軟化巖、土體，增大坡體容重，誘發(fā)滑坡發(fā)生。水庫的水位上下急劇變動，加大坡體動水壓力，也可使斜坡和岸坡誘發(fā)滑坡發(fā)生。廠礦廢渣的不合理堆棄，常常觸發(fā)滑坡的發(fā)生。此外、劈山開礦的爆破作用，可使斜坡的巖、土體受振動而破碎產(chǎn)生滑坡；在山坡上亂砍濫伐，使坡體失去保護，便有利于雨水等水體的入滲從而誘發(fā)滑坡等等（中國科學院武漢巖土力學研究所，2009）。邊坡是露天煤礦剝離后形成的一種特殊構筑物，邊坡體主要由煤巖體構成，在地表有4km左右的巖體及巖體風化帶。由于剝離作業(yè)，形成邊坡臨空面，改變了原巖的應力狀態(tài)及地下水流的條件。在新應力作用下，巖（煤）體朝著臨空面方向產(chǎn)生變形和位移。表層巖石的風化和地下水的作用以及爆破震動等因素往往會加速邊坡的變形過程。隨著時間的推移，有的邊坡變形逐漸減弱，最后趨于靜止；有的則日益發(fā)展擴大，最終導致破壞。邊坡滑坡可使生產(chǎn)受到一定影響，從而帶來不同程度的損害，甚至傷及人員（張飛等，2014）。在邊坡穩(wěn)定性分析中，強度拆減法分析是比較常用和科學的方法，通過折減土體強度，代入有限元程序進行計算，直至計算不收斂，此時的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。FLAC3D 是有限元軟件，把強度拆減發(fā)分析編寫成FLAC3D 語言，進行計算是比較科學有效的。FLAC3D 程序通過不斷降低土體抗剪強度參數(shù)，使邊坡達到破壞狀態(tài)得到破壞滑動面，F(xiàn)LAC3D強度折減法，是比較適用于露天礦開挖邊坡的穩(wěn)定性分析（張飛等，2014）。在對彈塑性本構模型進行分析的時候，土體變形主要有兩種：塑性的變形和彈性的變形。兩種變形的計算方式不同，胡克定律適用于彈性的變形，塑性理論則適用于塑性的變形。有關塑性變形的假設主要有以下兩個方面：屈服準則及破壞準則、硬化規(guī)律及流動法則（汪健江等，2022）。在考慮如何選取屈服準則的時候，土體抗剪強度的大小對土質邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響，剪應力達到一定極限值時，就會使土坡失去穩(wěn)定性，遭受破壞。一般以莫爾-庫侖屈服準則作為理想中的模型來探究。其不足之處在于：對處于三維空間的屈服面會產(chǎn)生尖頂與棱角，并且會產(chǎn)生不連續(xù)點，而 ABAQUS 軟件對這一準則進行了擴展，使拐角不會出現(xiàn)在偏應力空間里面，所產(chǎn)生的流動勢完全光滑，只存在塑性流動方向（汪健江等，2022）。有限單元法就是在有限范圍內(nèi)實現(xiàn)單元離散化的過程，但是在實際工程中，單元基于半無限或者無限情況的巖土工程問題居多，在進行離散后，為了使得其的計算精度更高，減小計算誤差，就要有較大的計算范圍，使其與實際情況相符。但是，當計算范圍過大時，就會劃分出更多的單元數(shù)量，不僅工作量大，而且浪費時間；當計算范圍過小，得到的模型與現(xiàn)實相差會很大，計算時會產(chǎn)生明顯的誤差。因此，用此方法進行模擬的時候要確定最佳的計算范圍（汪健江等，2022）。邊坡穩(wěn)定性分析方法有多種， 但應用最為廣泛和有效的主要有以下兩種（韋立德等，2022）：1）基于剛體極限平衡理論的傳統(tǒng)計算方法具有簡單、方便、快速的特點， 目前二維剛體極限平衡法已經(jīng)成熟， 在邊坡方面應用較為廣泛， 且三維剛體極限平衡法在工程上也得到了應用。有限元法不僅滿足力的平衡條件， 而且還考慮了應力、變形關系， 能夠得到邊坡在荷載作用下的應力、變形分布， 所得到坡體的應力、應變與實際情況比較接近， 比剛體極限平衡法更為精確合理。在分析邊坡計算安全系數(shù)時的困難之一，是如何將有限元計算的結果轉化為工程上適用的安全系數(shù)。目前又有兩類基本的有限元方法，即建立在強度折減基礎上的有限元法，和建立在滑裂面應力分析基礎上的有限元法（韋立德等，2022）。三維邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)?？偨Y了一種用于高邊坡分析的基于有限元計算的邊坡三維滑裂面搜索的方法， 根據(jù)有限元計算的應力結果（FLAC3D 建模與顯示技術），計算可能滑裂面的安全系數(shù)，然后用窮舉算法搜索出最危險滑裂面，得出相應的安全系數(shù)作為邊坡的安全度評價指標， 并給出潛在滑動體圖形顯示方法。所提方法的優(yōu)越性是只需進行一次限元計算， 可以用于具有復雜地貌和地質構造的三維邊坡（韋立德等，2022）。在露天開采過程中，受邊坡安全約束，端幫邊坡壓煤量比重相對較大，端幫下部所壓覆的煤炭資源難以采出，導致大量煤炭資源浪費。基于端幫采煤機的端幫開采工藝隨著設備的不斷改進，逐漸成為回收端幫下壓覆煤炭資源的重要途徑之一（王術峰等，2022）。對大型露天煤礦來說，端幫煤邊坡角提高 1°，其端幫煤炭資源回就收達到千萬噸，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益將達到十幾億甚至幾十億元。端幫邊坡壓煤成為露天煤礦的難點技術問題。為盡可能回收端幫邊坡煤炭資源，開采方案優(yōu)化包括：高臺階開采、邊坡形態(tài)優(yōu)化、露井聯(lián)采等，開采設備研發(fā)主要為端幫采煤機（侯成恒等，2022）。邊坡穩(wěn)定是保證露天煤礦安全生產(chǎn)的關鍵。對于露天礦邊坡的邊坡，需要查清邊坡重點部位煤巖產(chǎn)狀、巖性、構造等賦存特征，對重點區(qū)域邊坡穩(wěn)定性作出科學評價（關偉，2022）。端幫邊坡分段式陡幫開采方法，利用邊界效應對邊坡穩(wěn)定形成側面約束，對近水平煤層可實現(xiàn)橫采內(nèi)排。采用 FLAC3D 有限元分析軟件，可以確定橫采內(nèi)排追蹤距離與內(nèi)排壓腳高度，對橫采內(nèi)排對邊坡變形破壞控制效果進行評價，指導現(xiàn)場生產(chǎn)（侯成恒等，2022）。通過力學計算和對比分析可知：①在內(nèi)排追蹤距離相同條件下，內(nèi)排壓腳高度越高，邊坡失穩(wěn)破壞范圍與破壞程度越小，失穩(wěn)破壞范圍主要集中在內(nèi)排平盤上部區(qū)域；②在內(nèi)排壓腳高度相同條件下，內(nèi)排追蹤距離越小，邊坡失穩(wěn)破壞范圍與破壞程度越小，隨著暴露長度的增加，最大位移變形量也逐漸加大；③采用橫采內(nèi)排控制措施后，內(nèi)排壓腳及其附近區(qū)域，邊坡變形破壞程度得到明顯且有效的控制（侯成恒等，2022）。力學計算表明，內(nèi)排追蹤距離越大，坡腳應力集中現(xiàn)象越明顯，邊坡失穩(wěn)破壞范圍越大，邊坡穩(wěn)定程度越低；內(nèi)排壓腳高度越低，上部荷載越大，x向位移量越大，坡腳處應力集中現(xiàn)象越明顯，對邊坡穩(wěn)定越不利（侯成恒等，2022）。露天采礦是根據(jù)礦體表面巖層結合礦體和山體的情況進行剝離來實現(xiàn)礦體的開采。地層的褶皺、傾向和傾角對露天開采的影響較小，相對于地采礦山，露采礦山不需要修建隧道、軌道或者建筑物，開采效率較高。但是部分露采礦山由于不合理的規(guī)劃和采礦和堆放，影響了邊坡和巖石的穩(wěn)定，便會導致滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)塌陷等地質災害的發(fā)生（農(nóng)建勇等，2022）。隨著對煤礦資源的需求日益增長，露天煤礦開采的深度與范圍不斷擴大，致使露天煤礦的邊坡高度相應增大。在露天煤礦的開采過程中，露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性水平十分重要，一旦露天煤礦邊坡穩(wěn)定性比較低，可能會引發(fā)相關的安全事故（張永彬，2018）。另外，露天礦排土場是放置采礦工作中產(chǎn)生的大量泥土沙石等廢棄物，以確保礦山有序開采有用的礦石，是大型的由人工堆積的松散物體。由于排土場建設的不當不僅會帶來安全隱患，引發(fā)一些安全事故的發(fā)生，如泥石流、山體滑坡，等等，同時還給環(huán)境保護工作帶來了極大的困難（張建強，2019）。1）巖體的特征。邊坡的滑動經(jīng)常沿著巖體內(nèi)部的結構面發(fā)生的，對邊坡穩(wěn)定性具有控制作用的，往往是結構面的產(chǎn)狀、性質及其空間組合狀態(tài)。巖性：一般情況下，容重與縱波波速比較大的巖石，力學強度比較高，而以這種巖石為主的露天煤礦邊坡，穩(wěn)定性與安全性都比較強。具有濕度大、可溶性強、吸水性強、軟化性大與抗凍性較差特點的巖石，在進行露天煤礦邊坡開采防護時，極易因內(nèi)因作用發(fā)生失穩(wěn)與塌陷的事故。結構面與結構體：結構面與結構體經(jīng)過相關設計與施工，能夠形成一道具有巖體特性的組織結構，而這種結構面與結構體相互作用產(chǎn)生的結構，在很大程度上決定了露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性水平。露天煤礦邊坡多由沉積巖組成，在受到水軟化的作用下，容易呈現(xiàn)出一定的流變特性，進而致使其影響了露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性。地質構造： 地質構造是指由節(jié)理、裂隙、層理斷層、破碎帶、軟弱夾層與軟弱面共同形成的弱面。經(jīng)過相關數(shù)據(jù)調查顯示，露天煤礦邊坡在發(fā)生滑坡與失穩(wěn)的事故時，其滑坡體的滑動面與邊緣輪廓基本都是取決于地質構成結構面。2）水文地質條件。水對邊坡巖體的影響是多方面的，而且是非常顯著的。大量事實證明，大多數(shù)邊坡的破壞和滑動都與水的活動有關。在冰雪解凍期和降雨季節(jié)，滑坡事故較多。該礦水文地質條件簡單，一般對邊坡滑動影響較小，但大氣降雨，尤其雨季集中的強降雨，通過裂隙滲入邊坡巖體、降低巖體強度和巖體的摩擦力，導致邊坡失衡。如果地下水水位升高，或地表降水量較大，導致邊坡中的地下水位升高，使采礦場、排土場邊坡穩(wěn)定性急劇降低，尤其是排土場邊坡，由于排土動荷載的因素，可能導致排土場基底強度降低，引起滑坡。露天煤礦邊坡的深度比較高，在遇到長期降雨，很難迅速將水進行排出，進而導致邊坡中積水現(xiàn)象比較嚴重。邊坡巖層中的粘性土遇到水后，會出現(xiàn)膨脹，使邊坡穩(wěn)定性不斷下降，在重力和壓力的作用下，出現(xiàn)邊坡滑坡。3）開采深度及服務年限。露天礦邊坡越高，角度越陡，服務年限越長，其邊坡的穩(wěn)定性較差。臺階坡面角和最終幫坡角應限制在設計范圍內(nèi)，不能過陡。4）采動影響。露天礦的采動作用會破壞邊坡巖體的整體性，產(chǎn)生位移、裂隙，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。在各種震動力的影響下，露天煤礦邊坡的沙土容易出現(xiàn)液化的情況，引發(fā)各種巖體裂縫產(chǎn)生震動力主要來自于爆破震動與機械設備震動兩方面。5）巖體的風化作用。礦田范圍內(nèi)，表面巖層在風化作用下已遇到破壞，是邊坡失穩(wěn)的重要因素。6）邊坡上的附加載荷。邊坡上部附近，存在排土場，邊坡上部的重力作用對邊坡的穩(wěn)定也產(chǎn)生影響。7）非工作幫的影響。露天礦非工作幫滑坡是影響礦山生產(chǎn)最大的安全隱患，由于本礦田沒有專門的邊坡工程地質勘探報告，缺乏邊坡巖石力學指標及相應的邊坡工程地質勘探，礦山設計只是通過類比并參照鄰近礦山的經(jīng)驗數(shù)據(jù)對本礦的邊坡穩(wěn)定性進行類比分析與計算。雖然本礦的最終邊坡高度并不高，現(xiàn)場也按設計進行了施工，但與實際情況可能有差異，對非工作幫的邊坡穩(wěn)定性存在一定程度的影響（張飛等，2014；張永彬，2018）。露天礦山的開采過程中，邊坡的開挖角度不對、高度誤差、建筑設備放置不規(guī)范、巖層硬度不足等都會影響邊坡的采掘過程，過度采掘坡腳容易形成高且陡的邊坡，這會將穩(wěn)定的邊坡變得非常不穩(wěn)定。爆破作業(yè)也是造成邊坡失穩(wěn)的重要因素之一。爆破作業(yè)產(chǎn)生的地震會使得巖石破碎，裂隙和節(jié)理發(fā)育加快，雨水沖刷和地下水滲透作用下變得很不穩(wěn)定，極易冒落和坍塌，對采場的工作人員造成嚴重生命威脅（農(nóng)建勇等，2022）。六、井工開采對于露天開采的安全生產(chǎn)影響目前一些產(chǎn)煤區(qū)形成了井工煤礦和露天煤礦交錯分布的局面, 多地采用露井聯(lián)采的方式,解決了端幫壓煤和排土場壓煤問題, 一方面創(chuàng)造了經(jīng)濟效益, 另一方面也帶來了井工開采和露天開采相互影響的新問題。井工開采對于露天開采的影響較大,采動導致露天端幫或排土場產(chǎn)生沉降、 塌陷和邊坡的滑移變形, 進而影響露天礦的安全生產(chǎn)（張巖等，2022）。某煤礦煤層工作面推進過程中邊坡產(chǎn)生的水平和垂直位移計算模擬采用PHASE２軟件建立數(shù)值計算模型,分析煤層開采對排土場邊坡位移場、 最大剪應變和安全系數(shù)的影響, 確定了不同煤層終采線位置。結果表明: 隨著不同煤層的開采,邊坡最大水平位移和最大垂直位移均呈非線性增大趨勢; 邊坡安全系數(shù)均呈非線性減小的變化趨勢事故產(chǎn)生的主要原因包括：①邊坡與排土場實際角度超過設計角度或設計不合理。②邊坡面有斷層或滑面（節(jié)理發(fā)育、易碎）。③安全平臺達不到設計規(guī)定或無安全平臺。④雨水浸泡或沖刷邊坡與排土場。⑤爆破及地震發(fā)生時引發(fā)的局部坍塌（陳國勇，2012）。預防邊坡滑塌與排土場邊坡坍塌事故的對策：確保露天礦邊坡與排土場安全是一項綜合性工作，包括確定合理的邊坡參數(shù)、選擇適當?shù)牟删蚍绞胶椭贫▏栏竦陌踩夹g措施。防范對策有：①邊坡、排土場的排土工藝、排土順序及總堆置高度、總邊坡角等參數(shù)，應符合設計要求。②邊坡、排土場平臺必須平整，排土線應整體均衡地推進，排土工作面向坡頂線方向應有2％ ～ 5％的反坡。③完善邊坡、排土場防排水設施，排土場下部應按設計要求修筑擋土壩。④做好對邊坡、排土場的安全檢查和監(jiān)測工作，定期觀測記錄變化情況。⑤邊坡、排土場應進行專門的工程、水文地質勘探，發(fā)現(xiàn)異常時，必須采取措施進行治理（陳國勇，2012）。本文材料限于學術研究和交流使用（限于篇幅，參考文獻略）。
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