我国露天煤矿边坡研究现状及发展趋势

韩 猛，封海洋，李金典，王海洋，纪玉石

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

露天煤矿边坡稳定是生产工作安全有序推进的基础，露天矿勘察、设计、建设、生产、闭坑全过程应贯穿边坡稳定研究工作，其涉及边坡稳定性评价、监测、治理等多方面内容。随着我国露天煤矿开采规模的逐步扩大，采掘深度的增加，边坡工程存在的问题也呈多样化、复杂化。我国露天煤矿受其地质条件的影响，边坡问题频发，安全隐患不容忽视。多年来积累了丰富的理论及实践基础，基本形成了集理论研究、监测监控、治理工程为一体的综合技术体系。

1 边坡稳定性研究

国内外在边坡稳定性分析理论研究方面主要分定性及定量分析2 种。定性分析法主要是在勘查、研究基础上，形成定性分析结果，并提出防治建议。定量分析法主要是在对边坡稳定性进行计算的基础上，以所得的力学计算结果对边坡的稳定性进行判断的方法, 其优点是可以以数字的形式给出边坡的稳定性状况，直观且较定性分析法更为准确。极限平衡法是一种较为成熟且应用最为普遍的定量分析方法。早期的条分法是由Petterson 提出的基于假设条件下的条分法，经过后人的改进出现了如：Fellenius 法、Janbu 法、Bishop 法、Morgenstern 法、Spencer法、Sarma 法等基于各种不同力学假定的条分法，并且随着计算机技术的发展开发了相应的计算机程序。由于该方法具有较为完善，简单实用，计算结果可靠等优点，目前大量应用与边坡稳定性研究中，但条分法存在没有考虑边坡坡体内部岩土体的应力-应变关系的缺点，无法对坡体变形破坏的发生发展过程进行分析，因此该方法得出的是假定滑裂面的平均安全系数，并未考虑局部变形的影响。

边界单元法（BEM）、有限单元法（FEM）、离散单元法（DEM）、有限差分法（FDM）、快速拉格朗日法（FLAC）等目前主要用于边坡稳定性数值分析的研究，以上方法都是通过对滑坡或边坡内部的应力、应变特征进行分析，进而对断面变形和稳定状态进行判定。但这些方法存在着随划分单元体的参数的精度降低计算精度降低的缺点，因此需要进行大量的试验，如果缺少实验支撑，则计算的结果的精度也会相应降低。此外，由于数值分析过程较为复杂且存在过多的假定参数, 且得到的结果不是直接的边坡安全系数，因此使得该方法的使用受到限制。而且目前本构关系的研究与计算机技术的发展不对称，也使计算成果可靠程度受到影响。目前本构关系上和几何上的非线性已经引起学者们的关注，岩土体的本构模型也已经发生转变。随着岩体损伤理论、断裂力学理论以及大变形理论的引入将会使数值分析的结果更贴近于实际，也会使该方法今后有长足的发展。

由于岩土介质具有非均匀、非连续的空间复杂性和渐进破坏过程的时间复杂性等特点，关于连续-非连续耦合算法、渐进分析法（RFPA）等数值计算方法的研究也越来越多。路晓敏等推导出有限元与块体元法统一力学模型的支配方程，并研究了地下洞室围岩的稳定性[1]。Morris 等和Bagherzadeh 等对有限元-离散元耦合算法进行了开发。张冲等提出了三维简单变形体离散元方法（3SDEM）。周伟等对随机颗粒不连续变形模型进行了建立，并引入了黏聚力模型[2-3]。唐春安对RFPA 的研究现状及应用进行了总结及介绍[4]。冯春等针对离散弹簧系统等效于传统有限元单元节点力的关系，对弹簧刚度表达式进行了推导[5]。张清波等以连续介质离散元法（CDEM）程序为基础，形成了弹簧元-离散元耦合程序，并应用其计算基覆边坡在重力下的破坏以及均质土坡在重力下的弹塑性变形，对弹簧元法在边坡变形渐进破坏分析方面的可行性进行了初步证明[6]。马力等将模糊评价方法用于露天煤矿的综合评价，得出了露天煤矿评价指标的分级区间，并得到了露天煤矿综合模糊评价集，以最大隶属度原则对露天煤矿的评价等级进行了确定[7]。

2 边坡变形监测及预警技术

露天矿边坡变形监测及预警是掌握边坡稳定动态的重要保障，边坡变形监测技术是指使用各种先进的仪器或设备对露天矿边坡进行测量以确定其空间位置及内部形态随时间变化特征的技术，而预警技术是对监测得到的成果进行分析判断，对边坡的稳定状态进行预报的技术，两者相互依存，是边坡稳定性定量分析不可或缺的部分。

2.1 边坡变形监测技术

露天矿边坡的变形监测分为地表变形监测和地下变形监测2 部分，地表变形监测包含地表位移监测、地表隆起变形监测、地表裂缝监测等内容，地下位移监测包括水平位移监测、垂直位移监测及大地位移监测等内容[8]。

学者们针对边坡变形监测技术及方法做了较多的研究。目前常见的边坡变形监测技术方法主要包含：传统大地测量方法、测量机器人技术、“3S”技术、地面三维激光扫描（TLS，Terrestrial Laser Scanning）技术、InSAR 技术、数字近景摄影测量技术、电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）技术、时域反射技术（TDR，Time-Domain Reflectometry）、分布式光纤传感技术、阵列式位移计（SAA，Shape Acceleration Array）、声发射及微震监测技术、多种方法协同监测技术等，其中主要用于地表变形监测的有传统大地测量方法、测量机器人技术、“3S”技术、地面三维激光扫描（TLS，Terrestrial Laser Scanning）技术、InSAR 技术、数字近景摄影测量技术、电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）技术，用于地下变形监测时域反射技术（TDR，Time-Domain Reflectometry）、分布式光纤传感技术、阵列式位移计（SAA，Shape Acceleration Array）、声发射及微震监测技术。从查阅的相关参考文献可以看出，传统边坡变形监测技术存在效率低、监测周期长、费时费力、无法实时监测等缺点[9]，随着边坡变形监测技术的发展，传统的边坡变形监测技术被新兴的变形监测技术所替代，弥补了传统边坡变形监测技术的不足，且更加自动化、智能化，并且有全天候、实时观测、高精度、测量速度快、方便快捷、远程无接触监测等优点，而且随着多方法协同监测技术的发展，使监测效率和精度得以提升，且使单一边坡监测技术的不足得到克服。总体来说边坡监测技术从原始的人工监测方式逐步转向高科技、各系统集成的方向发展。各边坡监测技术的特点及适用范围见表1。

2.2 边坡变形监测预警技术

边坡变形监测预警技术是在边坡变形监测结果的基础上对监测数据进行分析，对边坡的稳定性进行预报的技术，为边坡变形监测的最终产物，可为矿方提供边坡的稳定性状态，确保矿方安全生产。

边坡变形监测预警核心是提出滑坡判据及建立预警模型，国内外学者经过大量的研究，先后有40余种滑坡判据及预警模型被提出，一直从滑坡定性预警、滑坡定量预警过渡到滑坡综合预警阶段，总体来说包含确定性预警模型、统计预警模型、非线性预警模型及宏观预警模型4 类。以上模型大多在对多种历史数据统计和分析的基础上，而对边坡的地质结构、力学特性及自身的演变过程考虑较少，且滑坡演化过程大多具有复杂性、随机性等特点，各预警模型具有一定局限性，只可用于特定类型或阶段的预警[10]，滑坡预警结果不理想，主要表现为：成功率低、预警滞后、错误预警等。滑坡预警模型及预警方法见表2。

表2 滑坡预警模型及预警方法Table 2 Early warning model and method of landslide

3 边坡加固技术

我国的露天矿在数量和规模都较为宏大，因此边坡的稳定性分析、安全性评价和防治工作的重要性日益凸显。据不完全统计，我国大中型露天矿不稳定边坡或具有滑坡危险的潜在不稳定边坡占比较高，个别露天矿山甚至更高[11]，因此为保证矿方安全生产，对边坡加固技术的研究显得尤为重要。

对于露天矿边坡加固措施，目前常见的方法主要有疏干排水法、削坡减载法、减重压脚法、锚索/杆加固法、抗滑桩法、挡土墙法、注浆加固法，根据各方法特征可将其归为3 类,分别是水害治理、增大抗滑力及增加岩体强度。

1）水害治理。边坡水害主要来自于大气降水及地下水，水的存在使岩土体的物理力学参数降低，导致边坡的稳定性降低，而对大气降水及地下水的疏排，可有效提高边坡的稳定性，边坡常用的排水措施主要包括地表水疏排和地下水疏干2 种，地表水疏排是在边坡坡面、坡顶修建排水沟，若有裂缝还应对其深部进行充填、端口进行封闭；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减载法及减重压脚法，削坡减载法是对滑体上部或坡面进行减载，以减小下滑力或降低坡面角；减重压脚法是对滑体上部或坡面进行削坡，然后将削坡的岩土堆积于坡脚处，从而增大抗滑力而减小下滑力，该方法要保证坡脚有足够的排土空间。

3）增加岩体强度。增加岩体强度的方法主要有锚索/杆加固法、抗滑桩加固法、挡土墙法及注浆加固法，在应用以上各种方法时需要针对边坡形态的不同具体考虑，如锚索/杆加固法适用于有明确滑动面的硬岩，特别是深层滑坡；抗滑桩加固法适用于滑面单一，且滑体较为完好的浅/中厚层滑坡体中；挡土墙法适用于滑体松散的浅层滑坡；注浆加固法适用于岩体较为坚硬，且裂隙较为连通的边坡。

4 复杂边坡问题研究现状

现阶段随着开采技术的提高，复杂边坡问题凸显，学者逐渐把目光聚集到复杂边坡问题研究上。露天矿由于地质构造、岩性特征以及开采工艺等方面的影响，产生的边坡问题尤为严重。其中，软岩边坡、多弱层边坡、断层构造边坡、顺层边坡以及高陡边坡等对矿区生产产生了巨大影响，逐渐引起了众多学者的关注。

1）软岩边坡。在露天煤矿开采过程中，软岩受到自身重力、水、震动力等因素长期作用，结构和力学性质等发生改变，最终导致边坡发生失稳或滑坡的风险。陈鹏等对断层影响下顺倾软岩边坡稳定性进行了分析，对断层对边坡体的影响机理进行了进一步研究[12]。Makoto 等通过分析非线性分析方法的适用性，认为该方法考虑了渐进式失效评估岩质边坡稳定性，结果表明，该方法较适用于评价边坡地震稳定性[13]。

2）多弱层边坡。目前软弱夹层对岩体稳定性的研究已有较多成果，但是岩体内部软弱夹层较多时，岩体与软弱夹层相互作用引起的变形和稳定性问题研究成果较少，且对于存在多个弱层及弱层被断层切割的复杂边坡稳定研究的文章也寥寥无几。李晓俊人工干预并组合了边坡中的不同弱层滑坡路径，进一步对边坡的稳定情况进行分析，为加固边坡提供了依据[14]。许宝田等分析九顶山边坡岩体内存在的3 条较大规模的软弱夹层并提出相应的加固方案[15]。Cao 等采用FLAC3D的残余推力法和数值模拟提出了多煤层露天矿的优化措施, 并利用该方法分3 个阶段优化了霍林河南露天矿多个煤层的坡面形态[16]。

3）断层构造边坡。断层构造对边坡稳定性影响极大，对于露天矿安全生产有着极大的影响，人们长期关注的焦点都在其空间展布规律的探讨和预测上，目前国内外学者多从统计规律和力学成因方面对其展开的研究。李文秀等根据我国西部山区某露天矿工程实际，采用有限单元法对爆破动力和地下水作用下高陡岩石边坡开挖的动态过程进行了模拟，计算了边坡安全系数[17]。王学滨等利用能量准则得到断层带-围岩系统的失稳判别依据，它与岩石材料的本构参数及岩石结构的几何尺寸都相关，说明系统的稳定性具有尺寸效应，断层岩爆与矿柱岩爆失稳判据具有一定的类似性[18]。

4）顺层边坡。在各种结构类型的滑坡中，层状滑坡的破坏性较大，其中顺层滑坡的发生几率和破坏程度更大，成为关注的焦点。李树森等和刘小丽等分析了层状顺层边坡失稳机理，得出了层状结构顺层岩体斜坡溃曲破坏的下部临界载荷、临界坡长，并经实际计算验核，对斜坡工程评估、灾害预测防治提供了重要依据[19-20]。朱晗迓等对岩石弹性模量、层间滑动面强度、岩层厚度、层面倾角等因素对类似边坡溃屈破坏临界坡长的影响进行了分析[21]。

5）高陡边坡。现如今，随着露天矿不断开采，我国大部分露天矿相继出现了许多高陡甚至超高的露天矿边坡，导致出现人员、设备事故频发等问题，极大的影响了露天矿安全生产，这已经成为当今社会关注的一个重点问题[22]。杨杭认为，对高边坡稳定性进行综合管控需要从其变形破坏机理、监测预警、稳定性分析评价等方面进行，才能够更好地保障高边坡的安全[23]。梅金等应用极限平衡法，对高陡边坡动态稳定性评价的技术流程进行研究，可更加全面、系统地评价了边坡稳定性[24]。

5 存在的问题及发展趋势

1）边坡研究理论的深入化。在边坡稳定性研究方面，多年来以极限平衡理论为基础的静力学研究方法一直占据主导地位，同时衍生了多种多样的分析方法。由于边坡岩土介质有非均匀且非连续的空间复杂性特点以及随着破坏过程渐进的时间复杂性特点，且露天煤矿边坡不同于山体边坡及其他人为开挖边坡，其稳定条件受开采工作的影响较大，即还需深入研究边坡的动态稳定规律及影响因素。边坡长期演化属动力学的领域，存在破坏过程复杂，破坏机理不清，灾害影响严重，影响深远等特点，且稳定性研究是多学科交叉与融合的学科，许多关键性问题尚需国内外学者进行深入研究。

2）边坡稳定控制精益化。随着我国开采技术及水平的提高，在保证安全前提下，如何实现资源的高效开采，是未来要重点解决的问题，现行的边坡设计一般是在选取适宜的安全储备系数后，以现状边坡或设计边坡计算稳定系数大于安全储备作为衡量边坡稳定的主要依据，进而进行边坡参数设计或优化。上述方法往往为追求边坡稳定一般计算所得的稳定边坡角较小，导致露天矿较高的剥离投入，同时造成边坡较大的压煤量。因此，如何在边坡监测预警预报技术的充分保障下，实现对边坡参数的精益化控制是未来的重点工作，与其相关的陡帮开采技术、排弃场地增高扩容技术、横采内排技术等均需要进一步深入系统研究。

3）边坡监测技术的智能化、多元化。随着我国信息化技术水平的发展，矿山监测手段也体现出信息化、智能化的特征，在智慧矿山整体架构下，如何实现智慧边坡是广大科技工作者需要思考的问题，边坡监测技术的智能化不仅仅是监测手段的升级，更重要的是如何从源头实现边坡的智能化管理、智能化设计、智能化监控，同时，如何实现露天矿环境地质灾害多维度协同监测，如何基于监测和观测多元信息融合技术，实现对露天矿山边坡及地表变形等安全态势、动态变化的智能化预测和多维度防范。此外，需研究露天矿地质灾害综合观测与短临预报技术，确定露天矿山地质灾害短临预报关键指标、参数及临报时间，实现灾害发生前精准预警及预报，为监测矿山提供安全技术保障。

6 结 语

边坡稳定技术是一门系统性科学，其集采矿、地质、力学、安全工程等多学科为一体，露天煤矿边坡区别于自然山体边坡，其变形、失稳规律具有自身特点，对于露天边坡的研究既要寄托于相关专业学科的发展，又要结合其自身规律及安全需求。多年来，我国科技工作者结合我国露天煤矿自身地质条件及国家政策要求，致力于露天边坡的稳定、控制技术、监测监控、治理工程等方面的研究，并取得了长足进步，未来应围绕智慧露天矿山建设，在保障边坡安全或风险可控前提下，实现边坡智能化管理、设计，为露天矿山安全高效开采保驾护航。