作者：李江海 周芯宇
工程建設(shè)中，邊坡失穩(wěn)是邊坡常見的穩(wěn)定性問題，其導(dǎo)致了諸如滑坡、崩塌等對(duì)工程產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的災(zāi)害?；率怯绊懧短斓V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(shù)工作中不可缺少的組成部分（關(guān)偉，2022）。強(qiáng)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。滑坡的機(jī)制是某一滑移面上剪應(yīng)力超過了該面的抗剪強(qiáng)度所致（2008年國土資源部、水利部、地礦部地質(zhì)災(zāi)害勘察規(guī)范）?；率且环N典型的地質(zhì)災(zāi)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(dòng)、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(dòng)的自然現(xiàn)象。復(fù)雜滑坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖從斜坡的物質(zhì)組成來看，具有松散土層、碎石土、風(fēng)化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生變形面下滑；堅(jiān)硬巖石中由于巖石的抗剪強(qiáng)度較大，能夠經(jīng)受較大的剪切力而不變形滑動(dòng)。降雨對(duì)滑坡的影響很大。雨水的大量下滲，導(dǎo)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(qiáng)度，導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。地震對(duì)滑坡的影響很大。地震強(qiáng)烈作用使斜坡土石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和變化，原有的結(jié)構(gòu)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(duì)斜坡穩(wěn)定是很不利的。在地震波的反復(fù)振動(dòng)沖擊下，斜坡土石體就更容易發(fā)生變形，最后就會(huì)發(fā)展成滑坡。開挖坡腳：工程建設(shè)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(shí)大力爆破、強(qiáng)行開挖，在邊坡上發(fā)生滑坡，給施工、運(yùn)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(dòng)，加大坡體動(dòng)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(dòng)而破碎產(chǎn)生滑坡；在山坡上亂砍濫伐，使坡體失去保護(hù)，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(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2009）。邊坡是露天煤礦剝離后形成的一種特殊構(gòu)筑物，邊坡體主要由煤巖體構(gòu)成，在地表有4km左右的巖體及巖體風(fēng)化帶。由于剝離作業(yè)，形成邊坡臨空面，改變了原巖的應(yīng)力狀態(tài)及地下水流的條件。在新應(yīng)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(fēng)化和地下水的作用以及爆破震動(dòng)等因素往往會(huì)加速邊坡的變形過程。隨著時(shí)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(kuò)大，最終導(dǎo)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(qiáng)度拆減法分析是比較常用和科學(xué)的方法，通過折減土體強(qiáng)度，代入有限元程序進(jìn)行計(jì)算，直至計(jì)算不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。FLAC3D 是有限元軟件，把強(qiáng)度拆減發(fā)分析編寫成FLAC3D 語言，進(jìn)行計(jì)算是比較科學(xué)有效的。FLAC3D 程序通過不斷降低土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，使邊坡達(dá)到破壞狀態(tài)得到破壞滑動(dòng)面，F(xiàn)LAC3D強(qiáng)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(duì)彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行分析的時(shí)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(jì)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(guān)塑性變形的假設(shè)主要有以下兩個(gè)方面：屈服準(zhǔn)則及破壞準(zhǔn)則、硬化規(guī)律及流動(dòng)法則（汪健江等，2022）。在考慮如何選取屈服準(zhǔn)則的時(shí)候，土體抗剪強(qiáng)度的大小對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響，剪應(yīng)力達(dá)到一定極限值時(shí)，就會(huì)使土坡失去穩(wěn)定性，遭受破壞。一般以莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則作為理想中的模型來探究。其不足之處在于：對(duì)處于三維空間的屈服面會(huì)產(chǎn)生尖頂與棱角，并且會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)點(diǎn)，而 ABAQUS 軟件對(duì)這一準(zhǔn)則進(jìn)行了擴(kuò)展，使拐角不會(huì)出現(xiàn)在偏應(yīng)力空間里面，所產(chǎn)生的流動(dòng)勢(shì)完全光滑，只存在塑性流動(dòng)方向（汪健江等，2022）。有限單元法就是在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單元離散化的過程，但是在實(shí)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(jìn)行離散后，為了使得其的計(jì)算精度更高，減小計(jì)算誤差，就要有較大的計(jì)算范圍，使其與實(shí)際情況相符。但是，當(dāng)計(jì)算范圍過大時(shí)，就會(huì)劃分出更多的單元數(shù)量，不僅工作量大，而且浪費(fèi)時(shí)間；當(dāng)計(jì)算范圍過小，得到的模型與現(xiàn)實(shí)相差會(huì)很大，計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。因此，用此方法進(jìn)行模擬的時(shí)候要確定最佳的計(jì)算范圍（汪健江等，2022）。邊坡穩(wěn)定性分析方法有多種， 但應(yīng)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(jì)算方法具有簡單、方便、快速的特點(diǎn)， 目前二維剛體極限平衡法已經(jīng)成熟， 在邊坡方面應(yīng)用較為廣泛， 且三維剛體極限平衡法在工程上也得到了應(yīng)用。有限元法不僅滿足力的平衡條件， 而且還考慮了應(yīng)力、變形關(guān)系， 能夠得到邊坡在荷載作用下的應(yīng)力、變形分布， 所得到坡體的應(yīng)力、應(yīng)變與實(shí)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(jì)算安全系數(shù)時(shí)的困難之一，是如何將有限元計(jì)算的結(jié)果轉(zhuǎn)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(qiáng)度折減基礎(chǔ)上的有限元法，和建立在滑裂面應(yīng)力分析基礎(chǔ)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(jié)了一種用于高邊坡分析的基于有限元計(jì)算的邊坡三維滑裂面搜索的方法， 根據(jù)有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果（FLAC3D 建模與顯示技術(shù)），計(jì)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(xiǎn)滑裂面，得出相應(yīng)的安全系數(shù)作為邊坡的安全度評(píng)價(jià)指標(biāo)， 并給出潛在滑動(dòng)體圖形顯示方法。所提方法的優(yōu)越性是只需進(jìn)行一次限元計(jì)算， 可以用于具有復(fù)雜地貌和地質(zhì)構(gòu)造的三維邊坡（韋立德等，2022）。四、露天采礦地質(zhì)的安全設(shè)計(jì)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(duì)較大，端幫下部所壓覆的煤炭資源難以采出，導(dǎo)致大量煤炭資源浪費(fèi)?；诙藥筒擅簷C(jī)的端幫開采工藝隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，逐漸成為回收端幫下壓覆煤炭資源的重要途徑之一（王術(shù)峰等，2022）。對(duì)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(dá)到千萬噸，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)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(diǎn)技術(shù)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(tái)階開采、邊坡形態(tài)優(yōu)化、露井聯(lián)采等，開采設(shè)備研發(fā)主要為端幫采煤機(jī)（侯成恒等，2022）。邊坡穩(wěn)定是保證露天煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。對(duì)于露天礦邊坡的邊坡，需要查清邊坡重點(diǎn)部位煤巖產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造等賦存特征，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域邊坡穩(wěn)定性作出科學(xué)評(píng)價(jià)（關(guān)偉，2022）。端幫邊坡分段式陡幫開采方法，利用邊界效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定形成側(cè)面約束，對(duì)近水平煤層可實(shí)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(duì)橫采內(nèi)排對(duì)邊坡變形破壞控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)（侯成恒等，2022）。通過力學(xué)計(jì)算和對(duì)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(xué)計(jì)算表明，內(nèi)排追蹤距離越大，坡腳應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，對(duì)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(jié)合礦體和山體的情況進(jìn)行剝離來實(shí)現(xiàn)礦體的開采。地層的褶皺、傾向和傾角對(duì)露天開采的影響較小，相對(duì)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(huì)導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生（農(nóng)建勇等，2022）。隨著對(duì)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(kuò)大，致使露天煤礦的邊坡高度相應(yīng)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(huì)引發(fā)相關(guān)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(shè)的不當(dāng)不僅會(huì)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(shí)還給環(huán)境保護(hù)工作帶來了極大的困難（張建強(qiáng)，2019）。影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素1）巖體的特征。邊坡的滑動(dòng)經(jīng)常沿著巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面發(fā)生的，對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有控制作用的，往往是結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、性質(zhì)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(xué)強(qiáng)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(qiáng)。具有濕度大、可溶性強(qiáng)、吸水性強(qiáng)、軟化性大與抗凍性較差特點(diǎn)的巖石，在進(jìn)行露天煤礦邊坡開采防護(hù)時(shí)，極易因內(nèi)因作用發(fā)生失穩(wěn)與塌陷的事故。結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體經(jīng)過相關(guān)設(shè)計(jì)與施工，能夠形成一道具有巖體特性的組織結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體相互作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，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(jìn)而致使其影響了露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性。地質(zhì)構(gòu)造： 地質(zhì)構(gòu)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(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，露天煤礦邊坡在發(fā)生滑坡與失穩(wěn)的事故時(shí)，其滑坡體的滑動(dòng)面與邊緣輪廓基本都是取決于地質(zhì)構(gòu)成結(jié)構(gòu)面。2）水文地質(zhì)條件。水對(duì)邊坡巖體的影響是多方面的，而且是非常顯著的。大量事實(shí)證明，大多數(shù)邊坡的破壞和滑動(dòng)都與水的活動(dòng)有關(guān)。在冰雪解凍期和降雨季節(jié)，滑坡事故較多。該礦水文地質(zhì)條件簡單，一般對(duì)邊坡滑動(dòng)影響較小，但大氣降雨，尤其雨季集中的強(qiáng)降雨，通過裂隙滲入邊坡巖體、降低巖體強(qiáng)度和巖體的摩擦力，導(dǎo)致邊坡失衡。如果地下水水位升高，或地表降水量較大，導(dǎo)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(dòng)荷載的因素，可能導(dǎo)致排土場基底強(qiáng)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(jìn)行排出，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡中積水現(xiàn)象比較嚴(yán)重。邊坡巖層中的粘性土遇到水后，會(huì)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(wù)年限。露天礦邊坡越高，角度越陡，服務(wù)年限越長，其邊坡的穩(wěn)定性較差。臺(tái)階坡面角和最終幫坡角應(yīng)限制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不能過陡。4）采動(dòng)影響。露天礦的采動(dòng)作用會(huì)破壞邊坡巖體的整體性，產(chǎn)生位移、裂隙，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較大。在各種震動(dòng)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(dòng)力主要來自于爆破震動(dòng)與機(jī)械設(shè)備震動(dòng)兩方面。5）巖體的風(fēng)化作用。礦田范圍內(nèi)，表面巖層在風(fēng)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(duì)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(zhì)勘探報(bào)告，缺乏邊坡巖石力學(xué)指標(biāo)及相應(yīng)的邊坡工程地質(zhì)勘探，礦山設(shè)計(jì)只是通過類比并參照鄰近礦山的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本礦的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行類比分析與計(jì)算。雖然本礦的最終邊坡高度并不高，現(xiàn)場也按設(shè)計(jì)進(jìn)行了施工，但與實(shí)際情況可能有差異，對(duì)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(duì)、高度誤差、建筑設(shè)備放置不規(guī)范、巖層硬度不足等都會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)采場的工作人員造成嚴(yán)重生命威脅（農(nóng)建勇等，2022）。六、井工開采對(duì)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(cuò)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(jì)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(duì)于露天開采的影響較大,采動(dòng)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)過程中邊坡產(chǎn)生的水平和垂直位移計(jì)算模擬采用PHASE２軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,分析煤層開采對(duì)排土場邊坡位移場、 最大剪應(yīng)變和安全系數(shù)的影響, 確定了不同煤層終采線位置。結(jié)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(shì); 邊坡安全系數(shù)均呈非線性減小的變化趨勢(shì)事故產(chǎn)生的主要原因包括：①邊坡與排土場實(shí)際角度超過設(shè)計(jì)角度或設(shè)計(jì)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(tái)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)定或無安全平臺(tái)。④雨水浸泡或沖刷邊坡與排土場。⑤爆破及地震發(fā)生時(shí)引發(fā)的局部坍塌（陳國勇，2012）。預(yù)防邊坡滑塌與排土場邊坡坍塌事故的對(duì)策：確保露天礦邊坡與排土場安全是一項(xiàng)綜合性工作，包括確定合理的邊坡參數(shù)、選擇適當(dāng)?shù)牟删蚍绞胶椭贫▏?yán)格的安全技術(shù)措施。防范對(duì)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(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。②邊坡、排土場平臺(tái)必須平整，排土線應(yīng)整體均衡地推進(jìn)，排土工作面向坡頂線方向應(yīng)有2％ ～ 5％的反坡。③完善邊坡、排土場防排水設(shè)施，排土場下部應(yīng)按設(shè)計(jì)要求修筑擋土壩。④做好對(duì)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(yīng)進(jìn)行專門的工程、水文地質(zhì)勘探，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，必須采取措施進(jìn)行治理（陳國勇，2012）。本文材料限于學(xué)術(shù)研究和交流使用（限于篇幅，參考文獻(xiàn)略）。
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