开挖卸荷情况下露天矿边坡变形特征

王 韬，赵汝辉

（1.国能准能集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯010300；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）

露天矿边坡工程问题是一个复杂的系统问题。特别是，地震、降雨、工程开挖、基底蠕变、优势结构面等影响边坡稳定性的因素多种多样，而且每一类具体的边坡工程问题又有其特有的主控因素，因此相关的结论和方法很难互相套用。长期以来，对露天矿边坡主要是研究降雨、爆破、井工开采等因素的影响[1-4]，然而针对开挖卸荷这一露天矿最普遍的工程活动对露天矿边坡稳定性影响的研究则相对较少，主要是集中在开挖损伤区的形成机理和确定方法，而没有形成实用的边坡稳定性分析判断方法，尤其是没有一种适用于工程现场快速决策的方法。

从减小开采初期的运输距离以便充分节约成本考虑，很多露天矿都存在沿帮排土场。在端帮煤回采过程中，沿帮排土场边坡的稳定性问题成为矿山实现煤炭资源最大程度回收需要首先解决的课题[5]。黑岱沟露天矿首采区转向过程需要对南端帮压煤进行回采，在这一过程中，其沿帮排土场边坡的稳定性直接关系到人员和设备的安全。基于此，研究开挖卸荷对黑岱沟露天矿南端帮沿帮排土场边坡稳定性的影响，探索在该种工况下边坡的变形特征。

1 边坡变形规律数值模拟

黑岱沟露天矿首采区转向过程需对首采区南端帮压煤进行回采，在端帮煤回收过程中作为其沿帮排土场的哈尔乌素露天矿内、外排土场边坡的稳定性问题是关键技术问题。该处边坡总体高度超过250 m，部分地段边坡角超过35°。工程地质条件较简单，可采煤层共2 层（5 煤、6 煤），煤层顶板主要为砂岩，而影响边坡稳定性的主要层位为底板，其性质为泥岩或砂质泥岩。

露天矿开挖属于卸荷行为，对于这一问题，已有许多学者和工程技术人员开展了相关研究，研究结果显示，对于该类工程问题必须考虑卸荷导致的边坡岩土体力学参数的弱化[6-8]。为此，设计采用如下方法开展数值模拟研究：假设每次开挖边坡岩土体的黏聚力C 和内摩擦角φ 均发生20%的弱化，分6步完成开挖工作。需要说明的是，实际的工程中，受开挖影响边坡岩土体的力学参数弱化规律是十分复杂的，但本文假设每次均发生20%的弱化并不会影响相关结论的可信度。

选择SCQ-2 剖面作为典型剖面开展研究，采用有限元工具进行模拟，平面应变分析，选择Mohr-Coulomb 准则，设置6 个断面（Ⅰ～Ⅵ号断面）监测开挖全过程边坡变形情况。开挖全过程沿帮排土场边坡相对剪应力（无量纲）变化图如图1。各监测断面水平方向变形曲线图如图2。

图1 开挖全过程沿帮排土场边坡相对剪应力(无量纲)变化图Fig.1 The change of relative shear stress along the side slope during the whole excavation

图2 各监测断面水平方向变形曲线图Fig.2 Horizontal deformation curves of each monitored section

在开展端帮开挖全过程沿帮排土场边坡力学特性研究的同时还采用有限元强度折减法计算了各开挖步边坡的安全系数。从图1 可以看出边坡的应力集中区域主要分布在边坡后部和前部靠近开挖工作面区域，其中后部主要受排弃物料自重应力影响，而前部主要受开挖卸荷影响。同时可以发现，随着开挖卸荷，边坡前部应力集中区域有不断扩大的趋势。总的来说，可以从时间和空间2 个维度来理解开挖卸荷对该边坡的影响。从时间维度来说，开挖对边坡的影响可以分为3 个阶段: 第1 阶段包括第1 步开挖，即基本没有影响阶段；第2 阶段包括第2、第3步开挖，即初步影响阶段阶段，这一阶段边坡变形相较于第1 阶段明显增大，但从应力集中情况来看，变化仍然有限；第3 阶段包括第4、第5、第6 步开挖，即明显影响阶段，应力集中区急剧扩大。从安全系数的情况来看，也基本符合以上对3 阶段的划分。再从空间维度来看，开挖卸荷对6 条监测断面的影响从小到大也可以分为3 级，分别是断面Ⅰ，即第1级，基本无影响区域；断面Ⅱ～断面Ⅴ，即第2 级，中等影响区域；断面Ⅵ，即第3 级，重点影响区域，如果不考虑安全储备的话，该区域可以认为在第6 步发生了滑坡。

2 边坡变形演化机制

2.1 理论分析

根据对图2 和图3 的分析，可知在开挖卸荷影响下，边坡的变形呈现出阶段性急剧增大和累积效应2 种特性。边坡变形演化机制如图3。图3 中，曲线为作为对比的蠕变曲线（边坡变形演化可以从蠕变来进行简单解释[9-10]），为考虑开挖卸荷边坡变形曲线。

图3 边坡变形演化机制Fig.3 Slope deformation evolution mechanism

从图3 可以看出，开挖卸荷打断了边坡的正常演化过程，使得边坡更早进入加速变形阶段，在加速变形阶段中，边坡阶段性经历变形的急剧增大和回归平稳，直至进入阶段，边坡的变形不在回归有序情况，而发生失稳破坏。这一理论分析也为边坡地表变形监测数据的分析提供了依据，因为不是所有的煤矿都有条件建立边坡地下变形监测系统，从成本上考虑也不必所有的边坡都开展全方位的监测，从以上分析可以看出，边坡地表变形监测数据也与地下变形监测数据呈现出类似的规律和形态。

2.2 工程实例

为开展研究，采集并分析了黑岱沟露天矿首采区南端帮边坡（SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 个剖面）2016 年12 月26 日至2017 年2 月28 日的变形监测数据，黑岱沟露天矿首采区南端帮边坡监测数据如图4。

图4 黑岱沟露天矿首采区南端帮边坡监测数据Fig.4 Monitoring data of south side slope in the first mining area of Heidaigou Open-pit Mine

从图4 可以发现，各监测点的水平方向变形均指向开挖卸荷方向，这符合边坡的变形演化机理。同时，所有监测点的变形数据均表现出累积效应。但是，相对来说监测点1-3 变形监测数据有阶段性急剧增大现象，而其他点则相对平稳。这说明，整体来说，在开挖卸荷情况下，SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3个剖面的稳定性都是持续降低的，但SCQ-1 安全系数降低幅度较大，应重点关注。另外，监测点1-3 变形曲线特征说明该点处于开挖卸荷影响区，必要时该监测线需增加监测点。为验证监测结果，分别于2016 年12 月26 日和2017 年2 月28 日采集了边坡岩土体试样开展直接剪切试验，根据试验结果分别计算了这2 个时间节点3 个剖面的安全系数，2016年12 月26 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 个剖面的安全系数Fs为2.17、1.68、2.04, 2017 年2 月28 日SCQ-1、SCQ-2 和SCQ-3 3 个剖面的安全系数Fs为1.66、1.43、1.95。可以看出，端帮开挖卸荷期间，SCQ-1 剖面安全系数降低了23.5%，而SCQ-2 和SCQ-3 剖面安全系数则分别降低了14.9%和4.4%，即SCQ-1 剖面安全系数降低幅度较大，与监测结果相符，说明本文提出的方法可以用于工程实际。

3 结 语

开挖卸荷影响下，露天矿边坡的深部位移曲线表现出累积效应，且随边坡安全系数的降低而遵循一定的演化规律，在稳定时，呈“D”型，随安全系数的降低逐渐过渡到“P”型，最终在边坡失稳破坏时表现为不再有序增长。从边坡的表面变形来看，开挖卸荷影响下，边坡会提前进入加速变形阶段，表面变形数据同样表现出累积效应和边坡失稳破坏时变形数据不再有序增长的特征，这一特点可以用来初步判断边坡安全情况。以黑岱沟露天矿首采区南端帮端帮煤回收为例对相关结论进行了验证。