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摘要：伴随着我国社会经济的飞速发展，露天煤矿开采工作得到了人们的重点关注，其中露天煤矿的边坡稳定性也逐渐得到了人们的重视。露天煤矿边坡稳定性容易受到很多因素的影响，我们需要认真了解不同的影响因素，然后采取科学的对策不断提升露天煤矿边坡稳定性，从而有效提升露天煤矿开采水平，推动露天煤矿的可持续发展。
关键词：近水平露天煤矿；边坡稳定性；提升
引言
针对满足内排条件的近水平露天煤矿开采过程中，开挖导致的采场工作帮与内排土场都会给露天煤矿的边坡稳定性造成一定的负面影响，我们需要不断调整边坡露出的长度，从而有效提升边坡稳定性。如何有效利用这种效应，构筑有利于安全稳定的边坡空间形态，最大限度地回采端帮下压煤是露天开采领域致力解决的空间力学难题。从工程应用的角度来看，露天矿边坡稳定性分析仍广泛采用二维方法。该类方法的实质是平面应变问题，不能体现边坡的三维效应，导致设计的边坡偏于保守，造成端帮压煤。其实，早在20世纪60年代末开始认识到边坡稳定性的三维效应，并开展了三维稳定性计算方法及其应用的研究工作。尽管如此，由于存在问题静定可解性与空间力系分析这两大难点，各种三维稳定性计算方法以均质或类均质边坡为研究对象且大量的假定，对于受采场工作帮与内排土场双重约束下的近水平露天矿端帮边坡的适用性尚有待验证。随着计算机技术的飞速发展，以有限元法、有限差分、离散元法等为代表的数值计算方法应用越来越广泛，成为解决岩体工程空间变形与三维稳定性问题的有效手段。笔者以某露天矿为工程背景，借助数值模拟手段，对其西端帮边坡的三维稳定性进行研究，分析并揭示边坡暴露长度对边坡稳定性的影响，为露天矿开采设计提供依据，为类似边坡工程提供借鉴。
1某露天煤矿的边坡周围地质情况研究
通过实地调查不难发现，某露天煤矿的地形较为平缓，西北地势比东南地势高，区域内的地层分为几种不同的层次，其中一层主要以粉细砂、粉土为主要组成部分；另一层主要以砂砾为主要组成部分；还有一层以泥岩、煤、炭质泥岩为主要组成部分，在煤层顶板发育有炭质泥岩弱层，吸水性和持水性较强、软化程度较高。原设计西端帮边坡高度约90m，坡体内赋存一大型顺倾正断层FX1，与边坡走向基本一致、倾角46°～64°、落差大于200m，走向延长5km以上。为最大限度回采边坡压煤，露天矿拟利用采场工作帮与内排土场的支挡作用，深部台阶采用并段式开采，自FX1断层与6号煤层底板交线以上，将上盘煤全部采出，此时局部留设约35m高的台阶，整体边坡角由原设计的27°加陡为33°，存在一定的安全隐患。为此，需研究不同采场、内排土场追踪距离条件下边坡变形与稳定性变化规律，阐明边坡稳定性的尺度效应，为剥采工程设计与安全实施提供依据。
2露天煤矿边坡三维稳定性数值模拟分析
2.1露天煤矿边坡稳定性的相关模拟模型创建
露天煤矿的边坡稳定性相关模拟模型创建主要是有采场工作帮、内排土场以及西端帮组成的，由于模型的创建较为繁琐，需要工作人员更加认真仔细。岩土体采用带拉剪复合屈服判据的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，单元类型为8节点、4面体单元。为尽可能反映西端帮边坡稳定性的尺寸效应，按照不同采场、内排土场追踪距离（简称“追踪距离”）分别为50、100、150、200m，建立了4种工况下的模拟模型。每个模型包括西端帮、采场工作帮和内排土场三个部分。不同模型的高度H、宽度D、工作帮坡角φ、内排土场边坡角β以及西端帮开挖形态保持不变（H=320m、D=1550m、φ=23°、β=11°），仅改变追踪距离L。需要注意的是，为避免边界效应对计算结果的影响，模型的尺寸应满足Goodman建议要求，模型的西端帮坡面、工作帮坡面与内排土场坡面为自由面，模型四周与底部分别采用水平和垂直位移约束；此外，模型中的工作帮与内排土场只起到对端帮边坡的支挡作用，因此赋予了较大的变形与強度参数，泥岩的黏聚力为50kPa、内摩擦角为25°、容重为19.6kN/m3、弹性模量为680MPa、泊松比为0.27。
2.2露天煤矿边坡稳定性的模拟结果研究
通过分析露天煤矿边坡稳定性的模拟结果不难看出，不同内排模式下的边坡稳定性各不相同，在岩土体自重及开挖卸荷的双重作用下，边坡岩体发生向采空区的大变形，变形量与变形范围随着追踪距离的增大而增大；受上部岩体挤压，高台阶部分的变形相对明显，表明滑坡的力学成因类型为推动式；边坡变形受到潜在滑体两侧岩体的钳制作用影响而呈现中间大、两侧小的趋势，追踪距离愈小，这种效应愈加显著，表明减小追踪距离是控制边坡变形和提高其稳定性的有效途径；滑体的平面形态基本上为椭圆形，且其长轴与短轴随追踪距离的增大近线性增大，表明影响边坡三维破坏模式的外在因素主要是边坡的断面形态与暴露长度。
3研究露天煤矿的边坡三维稳定性计算模型的创建
结合露天煤矿西端帮的相关情况可以发现，左右的滑体都是有几个不同的空间曲面包围起来的封闭式的空间，这些空间曲面包括台阶坡面和平盘构成的边坡面、地表面、圆弧滑面及侧界面，通过分析各个曲面的形态，即可确定描述出滑体的空间形态，进而建立起计算模型。根据FLAC3D数值模拟得出的滑裂面位置和形态，分别建立了不同追踪距离条件下的西端帮三维模型。结合FLAC3D数值模拟结果，同时考虑到实际滑面的形状是变化的，且在空间表现出一定的起伏，直接用平面去近似会带来较大误差。因此，通过对剖面图上滑面的空间坐标进行采样和曲面拟合，可实现滑裂面三维空间几何形态的准确描述。
4结论
第一，受到采场和内排土场的影响，进水平露天煤矿端帮边坡稳定性出现了一定的变化，通过降低采场、内排土壤追踪距离能够有效提升边坡稳定性，可按《煤炭工业露天矿设计规范》要求，追踪距离为50m。第二，露天矿端帮边坡变形受到潜在滑体两侧岩体的夹持作用影响而呈现中间大、两侧小的趋势，且这种夹持作用随着采场、内排土场追踪距离减小而增大；边坡稳定系数随追踪距离的增大呈负指数规律下降，当追踪距离不超过100m时，可满足安全要求；当追踪距离达到200m时，边坡稳定性的尺寸效应基本消失。第三，露天矿西端帮边坡的滑裂面近似一椭球面，其长轴与短轴均随着采场、内排土场追踪距离的增大近线性增大；受上部岩体挤压，高台阶部分的变形相对明显，表明滑坡的力学成因类型为推动式。
参考文献：
[1]刘明新.胜利东二露天煤矿内排土场边坡稳定性研究[J].内蒙古煤炭经济，2018（24）：16-19.
关键词：近水平露天煤矿；边坡稳定性；提升
引言
针对满足内排条件的近水平露天煤矿开采过程中，开挖导致的采场工作帮与内排土场都会给露天煤矿的边坡稳定性造成一定的负面影响，我们需要不断调整边坡露出的长度，从而有效提升边坡稳定性。如何有效利用这种效应，构筑有利于安全稳定的边坡空间形态，最大限度地回采端帮下压煤是露天开采领域致力解决的空间力学难题。从工程应用的角度来看，露天矿边坡稳定性分析仍广泛采用二维方法。该类方法的实质是平面应变问题，不能体现边坡的三维效应，导致设计的边坡偏于保守，造成端帮压煤。其实，早在20世纪60年代末开始认识到边坡稳定性的三维效应，并开展了三维稳定性计算方法及其应用的研究工作。尽管如此，由于存在问题静定可解性与空间力系分析这两大难点，各种三维稳定性计算方法以均质或类均质边坡为研究对象且大量的假定，对于受采场工作帮与内排土场双重约束下的近水平露天矿端帮边坡的适用性尚有待验证。随着计算机技术的飞速发展，以有限元法、有限差分、离散元法等为代表的数值计算方法应用越来越广泛，成为解决岩体工程空间变形与三维稳定性问题的有效手段。笔者以某露天矿为工程背景，借助数值模拟手段，对其西端帮边坡的三维稳定性进行研究，分析并揭示边坡暴露长度对边坡稳定性的影响，为露天矿开采设计提供依据，为类似边坡工程提供借鉴。
1某露天煤矿的边坡周围地质情况研究
通过实地调查不难发现，某露天煤矿的地形较为平缓，西北地势比东南地势高，区域内的地层分为几种不同的层次，其中一层主要以粉细砂、粉土为主要组成部分；另一层主要以砂砾为主要组成部分；还有一层以泥岩、煤、炭质泥岩为主要组成部分，在煤层顶板发育有炭质泥岩弱层，吸水性和持水性较强、软化程度较高。原设计西端帮边坡高度约90m，坡体内赋存一大型顺倾正断层FX1，与边坡走向基本一致、倾角46°～64°、落差大于200m，走向延长5km以上。为最大限度回采边坡压煤，露天矿拟利用采场工作帮与内排土场的支挡作用，深部台阶采用并段式开采，自FX1断层与6号煤层底板交线以上，将上盘煤全部采出，此时局部留设约35m高的台阶，整体边坡角由原设计的27°加陡为33°，存在一定的安全隐患。为此，需研究不同采场、内排土场追踪距离条件下边坡变形与稳定性变化规律，阐明边坡稳定性的尺度效应，为剥采工程设计与安全实施提供依据。
2露天煤矿边坡三维稳定性数值模拟分析
2.1露天煤矿边坡稳定性的相关模拟模型创建
露天煤矿的边坡稳定性相关模拟模型创建主要是有采场工作帮、内排土场以及西端帮组成的，由于模型的创建较为繁琐，需要工作人员更加认真仔细。岩土体采用带拉剪复合屈服判据的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，单元类型为8节点、4面体单元。为尽可能反映西端帮边坡稳定性的尺寸效应，按照不同采场、内排土场追踪距离（简称“追踪距离”）分别为50、100、150、200m，建立了4种工况下的模拟模型。每个模型包括西端帮、采场工作帮和内排土场三个部分。不同模型的高度H、宽度D、工作帮坡角φ、内排土场边坡角β以及西端帮开挖形态保持不变（H=320m、D=1550m、φ=23°、β=11°），仅改变追踪距离L。需要注意的是，为避免边界效应对计算结果的影响，模型的尺寸应满足Goodman建议要求，模型的西端帮坡面、工作帮坡面与内排土场坡面为自由面，模型四周与底部分别采用水平和垂直位移约束；此外，模型中的工作帮与内排土场只起到对端帮边坡的支挡作用，因此赋予了较大的变形与強度参数，泥岩的黏聚力为50kPa、内摩擦角为25°、容重为19.6kN/m3、弹性模量为680MPa、泊松比为0.27。
2.2露天煤矿边坡稳定性的模拟结果研究
通过分析露天煤矿边坡稳定性的模拟结果不难看出，不同内排模式下的边坡稳定性各不相同，在岩土体自重及开挖卸荷的双重作用下，边坡岩体发生向采空区的大变形，变形量与变形范围随着追踪距离的增大而增大；受上部岩体挤压，高台阶部分的变形相对明显，表明滑坡的力学成因类型为推动式；边坡变形受到潜在滑体两侧岩体的钳制作用影响而呈现中间大、两侧小的趋势，追踪距离愈小，这种效应愈加显著，表明减小追踪距离是控制边坡变形和提高其稳定性的有效途径；滑体的平面形态基本上为椭圆形，且其长轴与短轴随追踪距离的增大近线性增大，表明影响边坡三维破坏模式的外在因素主要是边坡的断面形态与暴露长度。
3研究露天煤矿的边坡三维稳定性计算模型的创建
结合露天煤矿西端帮的相关情况可以发现，左右的滑体都是有几个不同的空间曲面包围起来的封闭式的空间，这些空间曲面包括台阶坡面和平盘构成的边坡面、地表面、圆弧滑面及侧界面，通过分析各个曲面的形态，即可确定描述出滑体的空间形态，进而建立起计算模型。根据FLAC3D数值模拟得出的滑裂面位置和形态，分别建立了不同追踪距离条件下的西端帮三维模型。结合FLAC3D数值模拟结果，同时考虑到实际滑面的形状是变化的，且在空间表现出一定的起伏，直接用平面去近似会带来较大误差。因此，通过对剖面图上滑面的空间坐标进行采样和曲面拟合，可实现滑裂面三维空间几何形态的准确描述。
4结论
第一，受到采场和内排土场的影响，进水平露天煤矿端帮边坡稳定性出现了一定的变化，通过降低采场、内排土壤追踪距离能够有效提升边坡稳定性，可按《煤炭工业露天矿设计规范》要求，追踪距离为50m。第二，露天矿端帮边坡变形受到潜在滑体两侧岩体的夹持作用影响而呈现中间大、两侧小的趋势，且这种夹持作用随着采场、内排土场追踪距离减小而增大；边坡稳定系数随追踪距离的增大呈负指数规律下降，当追踪距离不超过100m时，可满足安全要求；当追踪距离达到200m时，边坡稳定性的尺寸效应基本消失。第三，露天矿西端帮边坡的滑裂面近似一椭球面，其长轴与短轴均随着采场、内排土场追踪距离的增大近线性增大；受上部岩体挤压，高台阶部分的变形相对明显，表明滑坡的力学成因类型为推动式。
参考文献：
[1]刘明新.胜利东二露天煤矿内排土场边坡稳定性研究[J].内蒙古煤炭经济，2018（24）：16-19.