我国露天煤矿边坡研究现状及发展趋势_韩猛.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 我国露天煤矿边坡研究现状及发展趋势 韩猛 1,2， 封海洋1,2， 李金典1,2， 王海洋1,2， 纪玉石1,2 （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） 摘要 归纳总结了我国边坡稳定研究现状， 介绍了边坡监测手段及设备的发展过程、 特点、 适 用条件， 分析了监测预警预报技术的方法、 预警模型及适用范围， 对边坡加固技术的各种方法进 行了系统介绍， 同时对典型复杂边坡问题进行了论述。在总结现阶段边坡研究存在的问题基础 上， 从边坡理论研究深入化、 边坡稳定控制精益化、 边坡监测技术智能化等方面对未来发展趋势 进行了展望， 阐述了未来露天煤矿边坡研究的主导方向。 关键词 露天矿边坡； 边坡稳定； 监测预警； 边坡加固； 复杂边坡 中图分类号 TD824.7文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0276-05 Research Status and Development Trend of Open-pit Coal Mine Slope in China HAN Meng1,2, FENG Haiyang1,2, LI Jindian1,2, WANG Haiyang1,2, JI Yushi1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safely Technology, Fushun 113122, China） Abstract This article summarizes the current status of slope stability research in China, introduces the development process, characteristics, and applicable conditions of slope monitoring s and equipment, analyzes the s, early warning models, and application scope of monitoring, early warning and forecasting technology, and various s of slope reinforcement technology are systematically introduced, and typical complex slope problems are discussed. On the basis of summarizing the existing problems of slope research, the future development trend is prospected from the aspects of in-depth slope theory research, lean slope stability control, intelligent slope monitoring technology, etc. The main direction of future open-pit mine slope research is expounded. Key words open-pit mine slope; slope stability; monitoring and early warning; slope reinforcement; complex slope 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 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.047 韩猛， 封海洋， 李金典， 等.我国露天煤矿边坡研究现状及发展趋势 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 276-280， 284. HAN Meng, FENG Haiyang, LI Jindian, et al. Research Status and Development Trend of Open-pit Coal Mine Slope in China［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 276-280,284.移动扫码阅读 基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资 助 项 目 （2018- 2- MS023） ； 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2017YFC1503106） 276 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 条件下的条分法，经过后人的改进出现了如 Felle－ nius 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 Scan－ ning） 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 Ac－ celeration 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 Reflec－ tometry） 、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 277 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 表 2滑坡预警模型及预警方法 Table 2Early warning model and of landslide 滑坡预报模型方法适用条件 确定性模型 统计模型 非线性模型 宏观预报模型 极限平衡法 斋藤迪孝方法 适用于长期预警 适用于临滑预警 Verhulst 模型 Verhulst 反函数模型 指数平滑法 灰色 GM （1, 1 ） 模型 适用于短临预警 适用于短临预警 适用于短临预警 适用于短临预警 BP 神经网络模型 3 次多项式 适用于中短期预警 适用于短临预警 模糊评判法 加权平均法 适用于中短期预警 适用于中短期预警 表 1边坡监测技术特点及适用范围 Table 1Technical characteristics and applicable scope of slope monitoring 监测方法特点适用范围 传统大地 测量法 成本低、 监测效率低、 工作 量大、 周期长、 受环境气候及 地形影响大、 不可自动监测 边坡地表变形监测 测量机器人 技术 高精度、 方便快捷、 远程无接 触监测、 测量效率高、 成本低、 不可自动监测 边坡地表变形监测 “3S” 技术 远程、 全天候、 自动化监测， 测点间无需通视， 实时， 高速， 定位精度较高 边坡地表变形监测 地面三维激 光扫描技术 无接触测量、 数据分布均匀、 操作简单、 测量速度快、 点密度高、 精度相对较低 边坡地表变形监测及 大变形边坡监测 InSAR 技术 监测范围大、 分辨率高、 全天候、 设站灵活、 实时连续观测 边坡地表变形监测及 大变形边坡监测 数字近景摄 影测量技术 无接触快速测量、 大数据量、 精度较低 边坡地表变形监测 电荷耦合器 件技术 系统成本较低、 远程控制、 精度高 边坡地下变形监测及 长期监测 时域反射 技术 监测成本低、 经济实用、 连续观测 边坡地下变形监测 分布式光纤 传感技术 精度高、 投入高、 分布式监测、 远程监控 边坡地下变形监测 阵列式位 移计 精度高、 稳定性高、 远程自动 化监测 边坡地下变形监测及 小变形边坡监测 声发射及微 震监测技术 实时、 长期、 高精度、 高投入、 提前预警 边坡地下变形监测 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。 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 278 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 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。 279 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 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。 参考文献 ［1］ 陆晓敏， 任青文.基于有限元与块体元法的地下洞室 变形及稳定分析 ［J］ .工程力学， 2001 （4） 60-66. ［2］ 周伟， 常晓林， 周创兵， 等.堆石体应力变形细观模拟 的随机散粒体不连续变形模型及应用 ［J］ .岩石力学 与工程学报， 2009， 28 （3） 491-499. ［3］ 常晓林， 胡超， 马刚， 等.模拟岩体失效全过程的连续- 非连续变形体离散元方法及应用 ［J］ .岩石力学与工 程学报， 2011， 30 （10） 2004-2011. ［4］ TANG Chun-an, TANG Shi-bin. 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