大倾角带式输送机架设对露天矿台阶稳定性影响

钮景付，周 伟，张传伟，刘 宇，陆 翔，栾博钰

（1. 中国神华能源股份有限公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300； 2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

实际边坡工程中坡体不可避免的受外载荷影响，如露天矿内排压帮作用载荷、坡顶工程设备载荷、坡面受水压载荷、风载荷等，结合实际工况充分考虑外载荷对坡体的影响对边坡稳定性分析具有重要意义[1].国内外许多专家学者对受外载荷影响下的坡体稳定性进行了大量研究.年延凯[2]等根据坡顶倾斜受荷的受力特点，在各种桩基载荷研究的基础上，通过模型试验，阐述了受斜向桩基载荷边坡的位移特征，为有关规范的改进与修订提供了参考.韩长玉[3]基于极限分析理论，以坡面载荷功率作为主要研究对象，从能量角度阐述了坡体在外载荷影响下的失稳机理，为坡面受载荷作用边坡稳定分析提供理论依据. PAUL D K等[4]考虑建筑物载荷，通过Newton-Raphson迭代法对边坡进行稳定性分析，推导出外载荷影响下的边坡安全系数计算公式.赵尚毅[5]等以岩土侧压力为研究对象，提出基于强度折减法的坡体侧压力计算的方法.

在露天矿工程与实践中，众多学者针对工作帮、端帮和排土场进行了不同工况下的边坡受载荷情况下的稳定性分析，主要以车辆载荷和爆破振动载荷为主[6-8].韩流[9]等针对车辆载荷对露天矿边坡的影响，分析了坡顶受载荷对边坡稳定性影响的机理，以此为基础进行CAD的二次开发，搜索卡车后退排土的极限位置，并在中国内蒙古胜利矿区露天煤矿进行应用.以矿山满载自卸卡车为例，搜索卡车距离坡顶线最小距离.白忠荣[10]等在对边坡施加运输载荷后，得到边坡潜在滑坡区域，并给出相应的防治措施，为矿山安全生产提供保障.韦伟[11]等采用极限平衡法对车辆动静载荷对边坡稳定性的影响进行理论分析，同时应用极限平衡分析软件，对端帮边坡及内排土场受运输载荷下边坡进行稳定性评价.孟祥甜[12]研究了露天矿山不同震动波的传播特征和动力作用特征，分工况对实测震动波信号进行了数值模拟，发现边坡受动载作用下的应力，会根据所受动力强弱、岩体力学参数大小等影响，模拟结果多矿山预裂爆破优化具有一定指导意义.杨宫涛[13]深入分析了露天矿山在生产过程中遇到的车辆和爆破动力载荷的特点，运用动力学方程分析其动位移、加速度、动应力随时间的响应过程，并建立了准确的三维矿山数值模拟模型，分析车辆和爆破动载荷对边坡稳定性的影响.而针对带式输送机载荷对露天煤矿台阶稳定性影响的研究成果较少.

以国内某露天煤矿南端帮为例，对大倾角带式输送机架设对台阶稳定性的影响规律进行研究.露天矿带式输送机，见图1.

图1 露天矿带式输送机 Fig.1 belt conveyor in open pit mine

1 带式输送机对台阶稳定性影响

坡顶均布载荷作用机理见图2.

图2 坡顶均布载荷作用机理 Fig.2 action mechanism of uniform load on slope top

由图2，利用条分法分析其受力状态，则每个条块的受力平衡状态为

忽略不计分界面上的剪力，即令(Ti-Ti+1)=0；取分条沿垂直方向合力为0，即(Ei-Ei+1)=0，同时忽略水压力Ui则有

由力矩平衡条件和莫尔库伦准则有

得到台阶顶部在均布载荷影响下的安全系数Fs的Bishop简化表达式为

图2、式（1）~式（4）中，Wi为条块重力，kN；Ti、Ti+1为竖直界面上剪切反力，kN；Ei、Ei+1为竖直界面上水平反力，kN；αi为条块底面中点处倾角，°；li为条块底斜面长度，m；Ui为底滑面上平均压强，kPa；c为滑面上单位黏聚力，kPa；φ为滑面上内摩擦角，°；q为均布载荷，kN/m；L为均布载荷长度，m；i为条块编号；m为施加均布载荷条块最大数；n为条块总数；Si，Ni为底滑面上剪切及垂直反力，kN.

由式（4）可知，台阶顶部受输送机支架底座均布载荷作用，其稳定性除受岩体本身物理力学参数影响外，还与均布载荷大小、被施加均布载荷的滑体范围有关.仅从刚体极限平衡研究台阶顶部均布载荷对台阶稳定性的影响，仍与实际不相符.刚体极限平衡法除需假定滑动面形态外，还会忽略滑动面外的载荷对滑面位置产生的影响，导致计算结果偏于保守.而强度折减法不需事先假定滑动面，使计算结果更加合理.

2 模型建立

2.1 地质条件

通过地质条件调查发现，该矿南端帮台阶岩性单一，基本不存在涌水现象，受地下水影响较小，因此在进行台阶稳定性分析时无需考虑水的影响.为了使计算结果适用于南帮所有台阶，现选取南帮岩石力学参数较弱的泥岩作为本次研究的台阶的岩性，经实验测得岩体力学参数见表1.

表1 泥岩力学参数 Tab.1 mechanical parameters of rock mass

2.2 计算模型

建立单台阶顶部均布载荷计算模型，见图3.

图3 台阶模型及支架架设示意 Fig.3 schematic of bench model and bracket erection

图3中，台阶高度为30 m，台阶坡面角70°.单个台阶放置一个支架，支架底座尺寸为2 m× 2 m，支架底座作用在台阶上均布载荷设为5.0×105N/m2.以台阶坡顶线为基准，输送机支架质心距同台阶坡顶线的安全距离S从1 m开始，逐渐向上级台阶的坡底线方向移动，移动方式见图3.并对输送机支架移动过程进行数值模拟.

3 结果分析

3.1 剪应变增量状态分析

处于剪切破坏面上的岩土强度是逐渐发挥的，非均匀变形的发展也使得岩土的软化性状在整体上的表现是与剪切带产生的结构破坏直接相关的.大量的实例分析证明，岩体的破坏将沿剪应变最大部位发生[14].利用模拟得到的剪应变增量，结合台阶变形特征分析台阶的稳定性，可将台阶破坏的发生和发展过程、岩体内部应力应变关系、应力对边坡的影响等因素考虑进去，因此剪应变增量分布云图可直接反应坡体最薄弱部位，是判断坡体破坏模式的重要参考因素.输送机支架移动过程中，6个关键状态的台阶剪应变增量见图4，台阶状态分别为：未进行架设、S为1 m、S为13 m、S为21 m、S为23 m、S为27 m，对应图4中（a）~（f）.

图4 剪应变增量 Fig.4 shear strain increment

由强度折减法求得的台阶安全系数见表2.

表2 不同安全距离对应的台阶安全系数 Tab.2 safety factors of steps corresponding to different safety distances

由图4可见，台阶未放置支架时，剪应变增量呈圆弧形贯通坡面，台阶滑动面形态呈圆弧形.S≤ 1 m时，支架靠近临空面，由于临空面附近的岩体缺少围压，在竖向外载荷作用下，这部分岩体极易发生剪切屈服，因此在输送机载荷的影响下滑动面向坡顶收缩，输送机载荷并未改变台阶滑动面形态，仍为圆弧形，此时均布载荷完全作用于潜在滑体上，即台阶受力状态为对应情况，输送机通过支架传递的载荷全部作用在滑体上，台阶稳定性受输送机载荷影响最大.1 m＜S＜21 m时，滑动面形态为折线形，随着输送机支架的移动，最大剪应变增量也随之向坡后方转移，且此过程中台阶最大剪应变增量均在输送机支架所处位置附近，滑面后缘以剪切破坏为主，输送机载荷决定着台阶的破坏模式，此时均布载荷部分作用于潜在滑体上，即台阶受力状态对应情况，输送机通过支架传递的载荷部分作用在滑体上，台阶稳定性仍然受输送机载荷的影响，但影响程度有所减弱.S≥21 m时，台阶滑面形态转为圆弧形，且随着输送机支架远离临空面，最大剪应变增量由输送机支架附近转移至滑面，说明输送机载荷对台阶破坏模式不再起决定作用，此时均布载荷作用于潜在滑体之外，即台阶状态对应m=0情况，输送机通过支架传递的载荷完全作用在稳定体上，台阶稳定性不再受输送机载荷影响.

安全系数与安全距离的关系见图5.拟合式中，x为安全距离，y为安全系数.

图5 安全系数与安全距离的关系 Fig.5 relationship between safety factor and safety distance

由图5可见，台阶安全系数随安全距离S增大而逐渐升高，S=13 m时，台阶安全系数达到1.1，以此位置为分界点，当输送机支架处于分界点到同台阶坡顶线的范围内时，台阶安全系数小于1.1，此范围为危险区域；当输送机支架处于分界点到上个台阶坡底线的范围内时，台阶安全系数大于1.1，此范围为安全区域.当S=23 m时，台阶安全系数达到未进行支架放置时的1.2，继续增大安全距离S，台阶安全系数不再发生变化，即当S≥23 m时，大倾角输送机的架设将不会对台阶稳定性产生影响.

3.2 边坡变形状态分析

输送机支架移动过程中，6个关键状态的台阶变形见图6，台阶状态分别为：未进行架设、S为 1 m、S为13 m、S为21 m、S为23 m、S为27 m，对应图6中（a）～（f）.不同安全距离下对应的台阶破坏模式见表3.

表3 不同安全距离下的破坏模式 Tab 3 failure modes under different safety distances

图6 支架不同位置下的台阶变形（单位：m） Fig.6 step deformation under different positions of support (Unit: m)

由图6可见，滑体后缘在输送机支架载荷的作用下发生剪切破坏的同时，由于滑体的牵引作用发生拉张破坏，滑体后缘破坏模式为“剪切-拉裂破坏”，台阶此时的滑动模式由“圆弧型”转变为“坐落-推移式”；当支架距坡顶线21 m时，此时的安全系数为1.18，近似为1.2，此位置是外载荷对滑体形态不再产生影响的临界位置，支架附近岩体位移矢量偏向临空面的角度变小，台阶滑动模式由“坐落-推移式”转为“圆弧型”，即自此位置到上级台阶的坡底线区域内，输送机支架的放置不会再对台阶的安全系数产生影响.为证实上述结论，分别在安全距离S为23 m和27 m处进行了2次放置输送机支架的模拟计算，根据支架质心距坡顶线27 m时的模拟结果，支架附近岩体的位移矢量基本为竖直向下，不再指向临空面，且两次所得安全系数均为1.2.

4 结论

（1）通过极限平衡理论，推导出台阶顶部均布载荷影响下的安全系数.

（2）对大倾角带式输送机支架所处台阶各个位置的情况进行了数值模拟.结果表明，输送机支架架设位置的变化会改变台阶的滑动模式，且滑动模式的变化分别在S=13 m和S=21 m时，继续向后移动支架，台阶滑动模式不再发生变化，S=21 m位置是输送机支架影响台阶滑动模式的临界位置.

（3）以FLAC3D有限差分的强度折减法（SRM）计算得到输送机支架所处各个位置对应的台阶安全系数.输送机支架距离同台阶坡顶线越远，安全系数越大.当距离同台阶坡顶线21 m时，安全系数不再受输送机支架的影响.

（4）通过SRM法计算得出符合生产安全要求的临界位置（S=13 m），并以此为依据确定了安全区域和危险区域.