【正文】 索性研究，提出了基于陡幫開采條件下設置凹溝、臺階外部設置擋土墻的新型邊坡安全清掃平臺模型。并從土力學靜荷載計算、ANSYS程序模擬和現(xiàn)場試驗等方面，驗證了利用邊坡 自然特征形成的模型結構的穩(wěn)定性、可靠性。工程概況及現(xiàn)有陡幫開采存在的問題 礦山生產能力為90104 t/a，設計服務年限為22 a。露天采場下盤邊坡(4～31線，+325 m～180 m走向傾角為 40176?！?0176。；目前，已經開挖至48 m水平，為我國少見的火型高陡邊坡。邊坡體成分主要為寨山組和高驪山組砂巖、閃長玢巖，五通組砂頁巖等，部分為第四系(Q4 )的殘坡堆積(QPI)、風化堆積層 。部分地段表現(xiàn)出典型的散體結構邊坡性征。據(jù)記載，該礦已發(fā)生12次大面積的滑塌，最大一次滑塌量約為 50104 m3 。邊坡的安全已經直接關系到礦山的生存和發(fā)展。 根據(jù)設計要求，下盤最終邊坡角為41176。，其中，+36 m標高以上為39176。，+36 m標高以下為 42176。下盤的臺階坡面角：+36 m 以上為 50176。，+36m以下為55176。安全平臺下盤寬度為 12～15 m，清掃平臺寬度為 12～15 m，運輸線的最大坡度為 8%。為了有效地減少底板邊坡的剝離量，研究部門在有關理論和試驗的基礎上，提出了將下部3個臺階并為1個中段 ，保持臺階坡面角不變，取消每1個臺階設置的安全平臺，改為每 1個中段集中設置1個清掃安全平臺的陡幫開采技術措施。現(xiàn)場實踐表明，陡幫開采帶來新的問題：平坦的安全平臺不能有效地阻擋上部的垮塌的滑石(體)，采坑底部作業(yè)面很容易受到滑體的沖擊；廢石堆積導致礦石的貧化率提高：滑體沖擊加大了邊坡體的損傷；水溝截面積過小容易堵塞：上部臺階匯水容易沖蝕結構面的軟弱夾層，從而誘發(fā)邊坡體的災變。于邊坡緩傾斜，臺階的上下外沿水平投影達13 m，遠遠超出目前的采礦工藝、鉆孔設備負擔的最大抵抗線，在爆破過程中，使外緣底根無法清除，只能采用特殊爆破。為了處理這個問題，現(xiàn)場采取的辦法是：(1)增加孔網密度。(2)增加單位炮孔線 裝藥密度。(3)穿孔設備外移。(4 進行二次作業(yè)。帶來的后果是：炸藥量的增加，增大了邊坡的動荷載，直接損傷了邊坡的結構面；增加了穿孔設備的工程量；穿孔設備作業(yè)時重心的外移，增加了不安全的因數(shù)；二次作業(yè)處理底根，增加了費用和影響了生產進度。 新型安全清掃平臺模型 如圖 1所示的安全清掃平臺結構容易克服上面提到的缺陷，同時，使緩傾斜邊坡抵抗線過大難爆的缺點變?yōu)橛欣蛩?，自然形成的擋土墻，有效地減輕了最終臺階形成過程中，爆破動荷載對邊坡體結構的損傷。這種新型結構的功效為：(1)在確保安全可靠的情況下，有效地支持了臺階合并段，每個中段減少了2個安全平臺的寬度，增火了邊坡最終邊坡角，減少無效的剝離土石量3%～5%。(2)減少了礦石的貧化率。(3)有效地阻擋了上部中段滑體對底部作面的沖擊，減輕了對邊坡的沖擊損傷，減少了清掃、搬運費垌。(4)上部臺階的匯水截排，減輕了雨水對邊坡體的沖刷和軟弱夾層的浸蝕。經過計算，開挖新型清掃安全平臺，雖然增加了部分費用 ，但從宏觀方面綜合考慮，新型結構可增大邊坡角，減少無效邊坡的剝離量，保證了礦山22 a服務期內生產正常進行 ，經濟效益是明顯的。 擋土墻模型安全驗證 擋土墻安全穩(wěn)定性分析可分為靜力荷載、沖擊荷載和現(xiàn)場驗證 3個方面進行。由于新型結構安全清掃平臺的擋土墻是自然邊坡開挖后預留形成的，雖受到爆破應力波的擠壓和挖掘設備的擾動侵蝕，內部介質發(fā)生了較小的變化，但和人工構建各種擋土墻相比有很大的不同。這里可以假定其為均勻結構性剛體，在剪切應力計算取值時取上限。 4．1 靜荷載計算 在靜荷載計算時，從最大荷載的角度考慮，假定松散巖土體依照 自然安息角一次堆滿凹溝，人工不進行鏟裝運搬處理 。擋士墻的安全驗算主要根據(jù)庫侖定律和相關公式，擋土墻后的主動土壓力不僅與墻后堆積物的物理力學性質有關。還與堆積物的邊界條件密切相關。墻高為H的墻后主動土壓力合力 F為 (1)式 中：,H分別為滑體的容重、擋士墻高；為堆積物的等效摩擦角；為墻后堆積物傾斜的坡角。 堆積物主動壓力在墻底的彎矩為 (2) (1)抗剪斷穩(wěn)定驗證 擋土墻受力分布及尺寸如圖2所示，圖中，為基座的水平抗剪切力。根據(jù) 《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定滿足抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks≥。經計算， (3)式中：W為擋土墻自重；為堆積物的豎向壓力分力；為堆積物的水平壓力分力；為假定的基底摩擦系數(shù) ，取值為 0．65。 (4)式中：C為粘聚力，為擋土墻石英砂巖內摩擦角，S為擋土墻的單寬面積。(2)抗傾覆穩(wěn)定驗證 根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定，抗傾覆穩(wěn)定的安全系數(shù)Kt≥。 經計算， (5)式中：a，b，h分別為，對O點的力臂，在圖2中。 從土靜力學庫侖理論分析結果看，自然形成的擋土墻性能穩(wěn)定，能夠承受下滑散體堆積擠壓，不會發(fā)生滑動和傾覆災變。 4．2 有限元抗沖擊動荷載安全驗證 沖擊載荷作用下結構的動態(tài)響應是工程中常遇到的問題，接觸、沖擊以及動態(tài)響應起著重要作用，但因碰撞物理過程短暫，作用力不確定，變化劇烈復雜，很難通過實驗獲得相關數(shù)據(jù)?；麦w沖擊下的邊坡動態(tài)響應是一個復雜的瞬態(tài)過程。有限元法(ANSYS)是工程上比較常用的數(shù)值方法，它能夠有效地模擬沖擊以及動態(tài)響應之間的變形關系。4．2．1計算基本條件 高陡邊坡的崩(垮)塌滑體順著臺階坡面向下運動過程中，主要受到坡面摩擦力的作用。滑體在到達新型結構安全清掃平臺時，與水平面發(fā)生碰撞，然后作用擋土墻上。由于運動方向發(fā)生變化，能量出現(xiàn)部分損耗。為了避免模擬的系統(tǒng)誤差，最大限度地保證其可靠性，在計算沖擊力時，忽略坡面摩擦力在滑體運動過程中的作用以及與安全清掃平臺水平面發(fā)生碰撞的能量損失。(1)假定崩(垮)體做無阻尼運動，并直接撞擊擋土墻截面 。 (2)按近似平面應變問題處理。由擋士墻的受力特征知 ，擋土墻長度方向的尺寸遠大于其他兩個方向的尺寸，沖擊力作用于墻背面，平行于橫截面， 體力也平行于橫截面且不沿長度而變化。 (3)約束條件的處理。由于擋土墻是開挖后自然形成的，墻趾、墻體與邊坡體為一個整體，約束力為零。 (4)由于雨水及時截流外排，不考慮水力滲透耦合浮力的作用，同時不考慮溫度應力場的作 。 4．2．2動荷載安全驗證 依照前面分析，用 ，擋土墻的主要成分為石英砂巖組，介質的相關參數(shù)取值見表1所示。為了最大限度地保證模擬的實用性，假定滑體截面為5 m5 m，從上部中段頂點開始運動，滑體分別從36 m(1個中段)、108 m(3倍中段)、180 m(5倍中段)、252 m(7倍中段)、360 m(10倍中段)高度下滑，沿著邊坡坡度方向直接沖擊擋土墻，沖擊截面的平均時間為 s，沖擊力平均作用于擋土墻上。根據(jù)動量守恒原理 ，經過計算，， MPa。模型有限元網格剖分圖如3所示，部分擋土墻截面的平均最大變形及剪切應力分布如圖4～6所示，部分結果如表2和圖3～7所示。