露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势

收稿日期：2010-07-11

基金项目：国家基金重点项目（No. 51034001）；国家自然科学基金（No. 10872046，No. 50874024）；博士点基金（No. 200801450003）；东北大学团队项目（No. 90101001）；沈阳科学技术计划项目（No.F10-148-9-00）。

第一作者简介：杨天鸿，男，1968年生，教授，主要从事岩石力学方面的研究工作。E-mail:yangtianhong@mail.neu.edu.cn

文章编号：1000－7598 (2011) 05－1437－16

露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势

杨天鸿1，张锋春1，于庆磊1，蔡美峰2，李海洲1

（1.东北大学 资源与土木工程学院，沈阳 110819；2.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083）

摘 要：在收集整理国内外相关资料的基础上，从边坡稳定性分析方法、边坡监测、预测预报方法等方面总结了目前边坡稳定性研究方法及预测预报研究现状，分析露天矿边坡的工程特点，指出当前露天矿边坡稳定性研究存在的问题，提出“边坡岩体渐进损伤破坏是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路，认为边坡稳定性及预测预报研究发展趋势为建立基于微震监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型，提出露天矿边坡岩体强度参数识别表征方法和动态稳定性评价方法，寻求边坡失稳过程岩体内部“空间”损伤劣化的微震活动性、强度弱化与边坡动态失稳之间的联系，以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据，实现露天矿边坡稳定性动态分析预测。 关 键 词：边坡稳定性分析；微震监测；参数反演；数值模拟 中图分类号：TU 43 文献标识码：A

Research situation of open-pit mining high and steep

slope stability and its developing trend

YANG Tian-hong 1, ZHANG Feng-chun 1, YU Qing-lei 1, CAI Mei-feng 2, LI Hai-zhou 1

(1. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;

2 School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: Based on the collection and review of the domestic and foreign literatures related to rock slopes, the situations and future development of slope stability analysis and monitoring are summarized in the aspect of methods for rock slope analysis, monitoring and forecast approaches. And especially, the characteristics of open-pit slope are analyzed in detail. The questions existing in the studies of open-pit slope stability are also pointed out. Further, a thought that the progressive damage evolution namely acoustic emission is the nature of rock slope instability is proposed; and the future development of studies of rock stability as well as forecasting methods are given. Firstly, the model which can calculate damage of rock slope from back analysis of the basis of microseismic monitoring data should be built; and the characterization methods of strength parameters of rock mass and evaluation methods of dynamic stability in open-pit slope engineering should be developed. These can give objective evidence to the strength reduction method for rock slope and provide mechanical basis for microseismic monitoring. Secondly, the relationship between microseismic activity, degradation of rock mass strength and slope dynamic instability will be investigated. Finally, precursory information of microseism and safety factor of slope are selected to form combined unstable criterion; and the prediction of rock slope instability and dynamic analysis of open-pit slope stability can be realized.

Key words: slope stability analysis; microseismic monitoring; parameter inversion; numerical simulation

1 引 言

至上个世纪以来，国内外露天矿开采所占的矿石产量比重相当大。对于我国来讲[1]，金属矿山露天开采的铁矿约占80%～90%，有色金属矿约占40%～50%，化工材料占70%，建筑材料占100%，

露天煤矿开采比重一直在5%左右，近年来随着神华、神东矿区一些大型露天矿的上马，表明未来露天开采的发展潜力十分巨大。

从20世纪90年代到本世纪初，随着资源的不断开发利用，深凹露天矿成为世界上露天矿山的发展趋势，目前世界上最大的露天矿—美国犹他州宾

汉姆铜矿（Bingham Canyon copper mine），宽为4 000 m，深为1 200 m，面积为7.7 km2；规模较大的智利丘基卡玛塔（Chuquicamata）铜矿，目前矿深达850 m，到2020年将达到1 100 m；俄罗斯的乌达企纳亚（Udachnaya pipe）钻石矿，开采深度也已超过600 m。我国现有的16座大型冶金露天矿山已全部转入深部凹陷开采，最大凹陷深度将达到或超过500 m，如首钢水厂铁矿最终边坡垂直高度为760 m、最终凹陷开采深度为540 m。深凹开采过程中，随着边坡的加高和开采深度的增加，一方面，边坡稳定性和安全性越来越差；另一方面，对大型露天矿山，提高边坡角又是充分回收资源、降低生产成本、增加开采效益的重要手段之一。如1981年6月，攀钢石灰石矿采场西部发生1 100×104t 的大滑坡，迫使该矿山企业投入巨资进行滑坡体处理和重新设计、改造。20世纪90年代抚顺西露天矿北帮边坡大规模倾倒滑移变形[2]，国内外罕见，严重影响地面工业、民用建筑的安全，国家投资几个亿开展大规模滑坡治理。据统计[3]，一个大型高边坡总体坡角加陡一度，可节省剥岩费用数以千万元乃至亿元人民币。因此，露天矿深部开采过程中确保边坡安全和提高经济效益的矛盾日益突出。深入开展矿山高大岩质边坡失稳机制及预测预报的基础研究，对于推动我国未来的边坡治理技术发展、防治高大岩质边坡诱发的地质灾害、保证矿山安全生产具有重要的理论与实际意义。

2 国内外研究现状及分析

露天矿边坡稳定性研究历来是露天矿安全生产的关键技术问题，并一直是岩石力学等相关学科的基本命题。回顾历史，露天矿边坡稳定性研究经历了由经验到理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论和方法到新理论、新方法、新技术的发展过程[4]，对确保矿山边坡稳定起到巨大作用。

2.1 边坡稳定性分析方法研究现状

2.1.1 工程地质分析法

工程地质分析法是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及力学机制、变形地质体的成因及其演化史进行分析，得到边坡稳定性状况及其发展趋势的定性说明与解释，其理论基础是地质成因演化论、工程地质类比法及岩体结构控制理论[5－7]。对于地质条件复杂的矿山岩质边坡，该法在确定滑坡模式和机制方面独具价值[6, 8]，为定量研究边坡稳定性奠定了基础。2.1.2 极限平衡分析法

极限平衡法是纳入设计规程的边坡稳定分析的重要和最常用方法，从广义上来说，该方法也属于数值分析方法的一种，但由于其通用性和实用性，人们将其作为单独的一类方法列出。极限平衡法假设边坡出现滑动面且处于极限平衡状态，然后将边坡离散成有垂直边界的刚体条块，建立条块之间的静力平衡方程，通过求解静力平衡方程得到边坡的安全系数。

早期的极限平衡条分法是1916年由瑞典人彼德森提出，后来Fellenius，Taylor，Bishop，Janbu，Morgenstern和Price，Spencer，Sarma[9－10]，陈祖煜[11]等很多学者致力于对条分法的改进。目前，刚体极限平衡方法已经从二维发展到了三维，我国学者陈祖煜[12]、朱大勇[13]、郑宏[14]在理论计算方面做出了突出的贡献。

刚体极限平衡法其力学模型简单，可对边坡稳定性进行定量评价，但不能考虑坡体中的应力-应变状态，只是给出所有可能的危险滑动范围，对于均匀土质边坡计算结果较好。但该方法需对滑坡边界条件进行简化，人为假定条块之间的作用力方向和位置，对于由复杂介质和边界组成的岩质滑坡体，计算结果与实际相比有很大误差。

2.1.3极限分析法

塑性极限分析法将滑坡体看作服从流动法则的理想塑性材料，以极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上、下限定理，求得边坡极限荷载与安全系数。塑性极限分析最早由Drucker和Prager于1952年提出，70年代潘家铮[15－16]提出了滑坡极限分析的两条基本原理——极大和极小值原理，Donald[17]和陈祖煜[18]从变形协调出发建立运动许可速度场，根据外力功和内能耗散的原理确定安全系数。塑性极限分析方法得出的是安全系数的一个范围，而且只能得出非常理想条件下边坡稳定的解析解；另外，极限分析法很难考虑复杂荷载及渗流等因素影响。

2.1.4 数值分析方法

随着计算机的普及和发展，数值计算方法发展迅速：有限差分法、有限单元法、边界元法、无单元法、无网格法、离散单元法、不连续变形分析方法、快速拉格朗日插值方法、流形元方法等方法在边坡稳定性分析中得到普遍应用。离散单元法[19]和FLAC-3D（快速拉格朗日法）[20]是美国学者Cundall 教授提出的两种计算方法，在解决离散的、非连续的问题和大变形问题方面有着极其广泛的应用范围

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与发展前途[21－23]，其不足之处是缺乏严密的理论基础。一些不连续变形分析方法[24]、流形元[25]、PFC （particle flow code）[26]、RFPA（realistic failure process analysis）[27]等数值方法广泛应用于边坡稳定性分析中，促进了人们对边坡破坏失稳机制的认识。

有限元法是一种较成熟的数值方法，在边坡岩土体的稳定性分析中应用最早于1967年，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。有限元法能够考虑滑体的应力-应变关系，保持了严密的理论体系，能够模拟滑体与支护的共同作用，对于滑体变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。但它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题。边坡稳定性分析的有限元法大体上可以分为两类：一是基于滑面应力分析的有限元法（slip surface stress analysis，简称SSA），它是将极限平衡原理与有限元计算结果相结合的一种方法（Zou等[28]；Duncan[29]），以有限元应力分析为基础，用不同的优化方法确定最危险滑动面，计算过程简单，便于实际应用，缺点是在理论上有缺陷，不能反映滑体最容易出现破坏的区域和破坏演进过程。二是基于强度折减的有限元法（strength reduction method，简称SRM），是一种直接的方法，最早由Zienkiewice于1975年提出，其基本原理是将强度折减概念、极限平衡原理与有限元原理相结合，首先对边坡强度参数进行折减，得到一组新的强度参数值；然后以这组新值作为输入参数进行有限元计算，对计算过程中的某些数学特征进行分析，直至据这些数学特征认为边坡失稳，此时对应的折减系数值就是边坡的最小安全系数。许多学者在这方面做了大量的工作[30－33]。流形元法综合吸收了有限元法与DDA 法各自的优点，可有效地计算连续体的小变形到不连续体大变形的发展过程。

滑坡演化是一个从联系变形到非联系破坏乃至分离的过程，把有限元法等连续介质方法和离散单元法等不连续介质方法结合起来，是数值计算方法的发展趋势。

2.1.5 可靠性分析方法

由于岩土介质的特殊性（岩土体参数的离散性、随机性），在工程设计、施工、使用过程中具有种种影响工程安全、使用的不确定性因素，所以在工程设计中采用确定性方法进行边坡安全性能评估是不科学的。边坡工程的可靠性分析方法正是借鉴了结构工程可靠性分析理论的方法，结合边坡工程的特点，把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模型等视为随机变量，结合某些合理的分布函数来描述它们，用可靠指标和破坏概率评价边坡的安全度的理论体系。把工程设计和现有工程的安全性评价建立在可靠性分析的基础上是当前的发展趋势[34]。

可靠度理论应用于边坡工程是从20世纪70年代后期开始的[35－36]，许多学者对边坡可靠度的研究做出了卓有成效的贡献[37－42]。尤其是祝玉学的《边坡可靠性分析》[35]和王家臣[43]的《边坡工程随机分析原理》专著的出版，标志着我国对于边坡可靠性理论方面的研究进入了一个崭新的阶段。

边坡可靠性分析所常用的方法有[44－47]：蒙特卡洛模拟法（Monte Carlo）、一次二阶矩法（又称rosenblueth法）、统计矩法、随机有限元法。近些年有很多学者致力于可靠性分析方法的应用研究，在大冶铁矿东露天扩帮区边坡稳定性分析[46]、黄河山东堤段边坡稳定性分析[48]、三峡库区滑坡[49]和小浪底进水口边坡稳定性分析[50]中得到成功应用。

由于边坡岩体性质、地质构造等多方面的差异，实际边坡的渐进破坏与理论模型有一定的差距[51]。郑颍人[52]院士指出：“边坡的稳定分析、参数选用，至今仍是一大技术难题，特别是岩质边坡尚没有实用的分析方法”。

2.2 边坡监测研究现状

岩质边坡地质条件和影响因素的复杂性决定了边坡稳定性分析必须依靠边坡监测手段来监控和验证。从目前边坡监测分析来看，国内外采用的传统的监测仪器和方法有：（1）坡表大地测量（经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等）；（2）GPS监测[53]；（3）位移计；（4）红外遥感监测法；（5）激光微小位移监测[54]；（6）合成孔径雷达干涉测量（SAR interferometry，INSAR）[55]；（7）时间域反射测试（TDR）技术；（8）坡体内部的钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等；（9）声发射监测技术等。

但这些边坡监测系统中，（1）～（7）主要从边坡的外表进行监测，（8）～（9）对于滑坡体地表以下的深部进行监测。其中目前采用时间域反射测试光纤技术（TDR），通过监测埋入崩滑体监测钻孔内同轴电缆的变形状态，可获取崩滑体地表以下的变形信息，具有定位准确、全孔连续观测等优点[56－57]。随着科技水平的日益提高，从坡表变形监测到坡体内部空间非接触、全遥控、高智能、高精度的综合监测技术应用是未来边坡监测的发展趋势。

作为一种时空动态监测方法，近年来声发射（微震）监测技术[58]能够及时发现岩体内部破裂，可作

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为评价岩体稳定性的重要监测工具。通过运用声发射监测系统，人们己经实现了声发射区域监测、声发射源的位置定位，实时在线监测等功能。从而在工程的稳定性评价、预测预报大面积地质灾害等方面取得了可喜的成就[59－65]。美国、加拿大、澳大利亚、前苏联等国家早在70年代就把微震监测方法应用于矿山岩爆等灾害预测，国内徐州矿务局三河间等煤矿[66]、凡口铅锌矿等冶金矿山[67]针对岩爆或冲击地压也进行了微震监测研究。岩石声发射技术在边坡监测方面的应用刚刚起步[59－60]，文献[68－69]用声发射和位移桩相结合监测边坡的稳定性，并根据声发射事件密度确定滑坡临界值。尤其是Cai M[70－71]结合现场实例，应用声发射监测技术反分析隧道围岩体强度分布。研究表明，微震监测数据不但可以分析围岩破坏位置，而且可以进一步反演分析岩体强度，为围岩破坏失稳预测预报提供了科学理论方法，具有重大的科学价值。

由于滑坡属于岩体破裂过程失稳问题，经历连续变形到非连续破坏的过程。若能把传统的坡表位移监测方法和监测坡体内部损伤破坏的声发射方法有机结合起来，从不同角度监测边坡失稳全过程，必将对于边坡稳定性评价和失稳预测研究具有重要的指导作用。

2.3 边坡岩体损伤劣化动态分析及参数反演

2.3.1 边坡渐进损伤劣化动态分析

滑坡是在弱层、结构面等地质内因条件下，在降雨、爆破震动乃至地震等外因触发作用下，渐进损伤劣化引起的强度随时间衰减的结果。由于边坡渐进损伤劣化机制和时间演化趋势十分复杂，人们提出描述边坡动态失稳的流变元件模型、经验模型和损伤力学模型[72－78]。Geeralt等[73]采用黏-弹塑性有限元模型描述大型蠕变边坡的力学行为。Christopher 等[74]提出了滑坡的突变-破裂模型，认为灾难性滑坡是岩石强度从峰值到残余值快速降低和灾难所需最小滑动体积两者综合的结果。陈卫兵等[75]采用强度折减原理，分析了岩土体流变特性对边坡变形及稳定的影响。郑东健等[76]在深入分析边坡变形的影响因素及因子模式的基础上，通过融合回归分析和递推模型的优点，建立了边坡变形的多因素回归时变预测模型。张我华等[77]根据检测损伤岩石有效弹性模量的统计值来估计随机损伤变量的均值和标准差，提出用随机损伤力学的观点和方法分析随机损伤岩石边坡稳定性的失效概率与可靠性问题。王家臣等[78]通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定了基础。

边坡失稳的演化过程中，宏观蠕动变形是坡体内部渐进损伤劣化的结果，损伤使得岩体材料的力学特性不断劣化。因此，边坡中岩体的损伤状态可通过特性参数如有效抗剪强度参数（c、ϕ）的时效变化来估计。据此，根据边坡岩体损伤的时效特性，建立边坡岩体力学参数反演方法和损伤演化动态稳定性评价模型，是认清滑坡机制的关键。

2.3.2 边坡岩体力学参数反演

由于边坡失稳机制十分复杂，所以采用反分析法来研究边坡系统的失稳也是发展的一大趋势[79]，目前有限元数值方法和最优化方法相结合，岩土边坡弹性变形参数（E、µ）的识别方法比较成熟[80]。而搜索边坡岩体强度参数（c、f），其反演的目标函数难以确定。

由于露天矿开挖本身就是一种最有效、最直接的工程岩体揭露与勘察，边坡岩体揭露的大量结构面为测量统计提供详尽的数据。所以目前国际上强调边坡岩体抗剪强度指标选取严格建立在岩体节理统计和质量分级的基础上[81]。无论是各种分级系统还是Hoek-brown破坏准则[82]、破坏概率分析[83]，随机-模糊分析[84]等方法，都是对室内试验强度指标的适当折减和加权平均，Lysandros Pantelidis[85]对各种岩体分级系统的进行系统回顾，分析各分级系统这间的相似性及其差异，并讨论各分级系统的可靠性，认为“岩体分级系统只是考虑了岩体破坏的静态影响因素（水、地应力），而忽略了岩体破坏的动态触发因素”

（水压变化、爆破震动、工程开挖等），该学者提出今后发展趋势：要综合考虑动态触发因素和岩体破坏程度。作者认为，基于岩体质量分级得到的抗剪强度只是初步的取值范围和对岩体初始损伤的粗略估计，而微震监测是岩体损伤演化的有效监测方法和手段，需要通过微震等手段进一步对边坡岩体损伤程度进行动态监测，才能真实实现岩体强度的实时标定。

MS/AE监测数据可以捕捉到岩体峰前、峰值、峰后的应力变化，提供了岩体变形阶段性能的有用信息，目标函数可以定义为岩体应力阶段、峰值强度的声发射门槛值，这样能够从岩体破坏机制方面认识边坡岩体失稳孕育过程强度演化规律[68]。

大量的岩石力学AE试验研究[68]认识到声发射率和塑性应变率有一定的对应关系，声发射率可以被用来确定岩石试样的初始损伤（Kaiser效应）和

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损伤积累。室内试验可以建立声发射事件及声发射门槛值与载荷水平及单轴抗压强度的关系。在岩石介质中传播的声发射（AE）信号波绝大部分在1～500 kHz之间。对于工程岩体，信号频率在0.1～10 kHz或更低范围的称为微震（MS）事件。虽然室内岩块和现场岩体MS/AE频率、波速和事件数量不同，但都客观反映了其损伤积累，裂纹贯通和微裂隙能量的传播，所以现场微震信号MS与室内试样声发射AE信号规律具有相似性，都具有MS 初始门槛值和损伤临界门槛值。但由于工程岩体复杂性和现场监测的局限性，微震用于岩体破坏监测存在很多技术问题，在时空方面将产生较大测试误差，需要进行校正工作——反演分析。

2.4 边坡失稳预测预报研究现状

通过边坡岩体力学参数测试反演、稳定性评价和变形破坏监测，最终目的是进行边坡失稳预测及滑坡预报，是矿山生产实践必须回答的问题，也是岩石力学领域的研究热点和难题。由于边坡地质条件和变形破坏过程的机制十分复杂，且对各种影响因素的交互效应和时空效应还不能进行可靠的定量描述，因此，掌握边坡破坏规律和进行滑坡预测预报的难度较大。虽然有像新滩滑坡等令人鼓舞的成功预报，但更多地是滑坡灾害发生的惨痛教训。目前常用的预测预报方法主要有以下几种。

2.4.1 统计归纳法

其代表为斋藤法和曲线拟合法，主要以现象预报和经验预报为主。其中斋腾法，以土体蠕变理论为基础，以应变速率为基本参数，建立了加速蠕变的微分方程，可对崩塌性滑坡发生时间进行预测，在滑坡预测理论研究上是一次突破性进展[86]。曲线拟合法，是利用滑坡变形曲线的形态和趋势进行外延并推求滑动时间的外延法[87]。晏同珍[88]于19年应用二次回归曲线拟合Vajont水库滑坡位移速度v随时间t变化的动态规律，得出回归方程并进行反演拟合预报，得到满意的结果。

2.4.2 灰色系统理论

邓聚龙教授1980年首次提出灰色系统预报方法[]；灰色理论利用较少的或不确切的表示系统行为特征的原始数据序列作生成变换后建立微分方程，从而确定系统在未来发展变化的趋势，揭示了系统内部事物连续发展变化的过程。1988年，陈明东、王兰生教授[90]首次将灰色系统理论中的GM （1，1）模型法引入滑坡位移-时间曲线的拟合外推，提出利用滤波灰色分析法进行滑坡预报；蒋刚，林鲁生等考虑了观测资料的非等间隔性，利用灰色系统理论建立边坡变形观测资料的GM（l，1）模型，模型较好地反映了边坡变形的趋势[91]。常用的灰色模型GM（1,1）模型描述了一个随时间t按指数规律递增（0

a<）或衰减（0

a>）的过程，但不排斥由于随机干扰所引起的局部波动，对于岩质边坡这种复杂动态系统而言，必须不断补充信息，预测才有实际意义。

2.4.3 时序分析法

时间序列分析是概率统计学科的一个分支，它是运用概率统计的理论和方法来分析随机数据序列（或称动态数据序列），并对其建立数学模型，并借助一定规则来推测未来。郝小员等[92]以滑坡位移时序观测资料为依据，引用非平稳时间序列理论对边坡变形位移观测数据进行了分析，对边坡变形发展趋势做出预报。周创兵等[93]根据边坡位移时间序列的非线性性质，应用基于相空间重构的实时预测方法，充分利用时间序列信息，预测各种边坡变形演化趋势。还有许多学者也在该领域做出了贡献[94－97]。该方法要求数据序列为平稳、正态的序列，而在边坡工程的实测中，测得位移序列一般不可能为平稳、正态的随机序列，这些特点大大了时间序列模型的应用。

2.4.4 非线性理论方法

边坡作为一个地质系统，不仅内部结构复杂，而且不断通过水循环、热交换、风化、剥蚀卸荷等作用与外界进行物质和能量交换，使系统不断地实现无序到有序、平衡态到衡态再到远离平衡态的演化和发展，是一种复杂自组织演化过程。随着系统科学和非线性科学的发展，非线性科学被引入到地质灾害的研究中，提出了一些基于神经网络[98－103]、突变理论[104]、协同理论[105]、重正化群理论[106]、混沌理论[107]等非线性理论的预测模型。由于滑坡演变的复杂性及外界环境的多变性，要建立滑坡孕育过程的非线性动力学方程决非易事，但作为观念上的更新，对今后进一步的研究将产生很大影响[108]。2.4.5 系统理论方法

由于边坡岩体是一三维空间随机介质，影响因素十分复杂，边坡的破坏具有渐进发展规律，所以边坡工程是一个系统工程[109]，这些特点需要应用可靠性和随机性方法进行系统研究。边坡稳定分析的系统方法主要理论依据是边坡变形破坏行为所表现出的非线性[110－111]（岩石材料的无序分布，影响边坡稳定的因素很多，岩石破坏的非线性不可逆过程）。现代系统理论作为一种方，可以很好地阐释边坡系统演化的内在规律与发展机制。以系统工

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程分析方法为指导的边坡稳定性研究途径正在形成和完善。

2.4.6 多元信息融合法

随着信息科学技术的发展，在20世纪70～80年代产生了一个称为“数据融合”的全新概念，即将多传感器获得的数据进行所谓的“融合处理”，可以得到比任何单一传感器所获得数据更多的有用信息。称为“多源信息融合”[112]。谢谟文、蔡美峰[113]提出了“信息边坡工程学”的概念，在文献中，将最新的GIS等信息技术与边坡稳定性分析的力学方法相结合，将传统的力学分析方法向信息化、可视化及时空四维化转换，形成了一个新兴的研究领域—信息边坡工程学。

对于复杂的边坡工程问题，其三维空间稳定性取决于复杂空间分布的地形、地层、岩土力学参数及地下水等因素，但这些空间分布的信息很难在一般的边坡（三维）稳定性分析系统中处理；同时考虑到边坡岩体及其稳定性的时间效应，边坡稳定性实质上是一个时空四维问题。GIS恰好提供了一个公用的平台来处理这些复杂的时空四维信息。信息边坡工程学将边坡工程与信息技术紧密结合，以现代高新信息技术GIS为平台，研究边坡的时空四维稳定、灾害控制及环境影响等稳定性相关问题。利用现代高精尖测量监测技术进行边坡快速实时信息获取及分析处理，为边坡稳定性分析与评价综合信息和数据的实时、自动采集和更新提供了有力的工具[113－122]。

滑坡孕育过程分不同阶段，所以滑坡预报分中长期预报、短期预报和临滑预报。滑动面形成之后的预报为短期预报和临滑预报，采用统计归纳法、灰色系统理论、时序分析法和非线性理论方法比较适合。而滑动面未知及影响因素不确定情况下的预报比较复杂，采用系统理论方法和多元信息融合法比较合理。

综上所述，当前滑坡综合预测预报的思路为（郑颖人，2008）：动态、多手段、全过程、分阶段动态评价预测，从定性、定量、定势的角度，通过滑坡宏观现象观察，监测数据分析与数值计算等多种手段，建立全过程标准体系，引进稳定安全系数定量标准，进行持续、全过程的综合分析分阶段进行预报。

3 露天矿边坡工程的特点

露天矿边坡工程有其自身的特点[1]，不同于水利水电工程、公路工程等其他岩体边坡，只有深刻认识这些特点，才能准确地开展滑坡稳定性研究，其特点主要有如下几个方面：

3.1 工程活动的多样性和影响因素的复杂性

露天矿边坡工程的复杂性除了表现在地质结构空间分布的随机性之外，还突出表现在：（1）工程活动的多样性，体现在露天开采和井工开采的复合作用，很多露天矿上部边坡加陡、到界、闭坑、内部排土等，同时下面井工采动或露天转井下开采，使得边坡几乎全部处于采矿岩移扰动范围内。（2）影响因素的耦合作用，体现在降雨诱发的水压变化和爆破震动引起的岩体损伤破坏。

3.2 边坡工程的时效性

为了减少初期基建开拓工程量及其费用，缩短基建时间，使露天矿尽快投产，以便产生良好的技术经济效益，露天矿的边坡大多属于临时性边坡，服务年限长短不一，对其稳定性评价的要求亦就不尽相同，只要能保证相应期间的生产与安全即可。露天矿边坡工程的时效性决定了其稳定性评价也具有时效性。

3.3 边坡及岩体的可变形性

不但可以允许边坡岩体产生一定的变形，甚至可以允许产生一定的破坏，只要这种变形及破坏不致影响露天矿的安全生产即可。这样要求在保证在矿山的服务年限内不至于发生大滑坡前提下，确定使露天采矿能取得最大技术经济效益的、最陡的边坡角。

3.4 边坡稳定性认识的阶段性、循环性和动态稳定性[1]

露天矿开采活动贯穿于矿山服务期限的始终，而且露天矿开挖本身就是一种最有效、最直接的工程揭露与勘察，随着露天矿开采，对矿山工程地质条件的认识可以不断的深化，具有阶段性及循环性。可见边坡稳定是一个动态稳定的过程[123]，为此应尽可能地调节不同阶段的工程地质勘察、评价工作的内容与目标，以便与露天矿的生产及露天矿边坡稳定性评价的不同阶段相适应。

综上所述，露天矿边坡工程具有“动态性”特点，“动态”稳定性的内涵包括：（1）客观对象动态发展，必须跟踪监测其稳定性；（2）主观认识随采矿发展逐步深化，具有阶段性，需要不断修正计算的条件和参数，稳定性评价也是动态的；（3）矿山边坡的时效性（允许一定变形破坏）为“监测-计算互动”提供数据采集分析的客观条件；总之，边坡动态评价是一个理论计算和现场监测“互动“的不断循环过程，这才符合矿山边坡特点。

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4 露天矿边坡稳定性研究存在问题

及研究发展趋势

4.1 存在问题

（1）传统的矿山边坡稳定预测方法以坡体变形表观信息为监测对象，难以掌握滑坡预测所必需的坡体内部“时空前兆特征”（滑动面位置如何形成发展）

岩质边坡失稳的发生与其内部的微震活动有着必然联系，当岩质边坡表面发生了可监测到的位移时，实际上边坡岩体内部已经发生了微破裂。边坡坡表位移监测预测预报的“提前量”不足。作者认为，边坡位移的发生滞后于微震活动，微震活动是岩质边坡发生失稳破坏的前兆。传统的边坡表面位移监测，依据变形量、变形速度、变形加速度等指标判断位移曲线的发展趋势进行“时间”上的滑坡预测预报，不能考察边坡失稳前岩体内部微震活动的孕育、演化、繁衍对边坡失稳的影响，难以反映岩质边坡渐进破裂诱致失稳过程中微震活动规律及失稳机制的本质。

需要强调的是，露天矿开挖其应力释放与转移过程中，单个台阶边坡表层岩体破坏多是以松动变形破坏为主，露天矿许可小范围的破坏。但我们更关心的是多个台阶的整体边坡破坏，这种破坏规模大，灾害性强。目前一些露天矿边坡高度可达400～500 m，应力集中程度增大，整体破坏过程声发射与微震信号更明显，为微震监测设备应用提供广阔的空间。

（2）缺乏对地质环境劣化（卸荷、渗流、爆破震动载荷等）诱发滑坡内部渐进损伤演化过程时空标定方法和强度参数有效的表征分析方法。

露天矿边坡岩体，开挖卸荷及渗流、动载荷作用下，损伤扰动区是控制边坡的变形与失稳主要因素[124－126]，该区定义为开挖面附近由于开挖引起的岩石破裂、应力重分布、岩体失水等而使岩石性质或状况发生改变了的区域。位移反馈分析在考虑松动区因素后才能获得与观测值基本一致的成果[127－134]。边坡开挖松动区的研究目前尚较为欠缺，特别是在理论研究方面需要借鉴新的理论与方法，研究中也特别需要强调原生结构面在松动区形成与发展过程中的作用。由于岩体变形破坏实质上是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散主要用于岩体诱发损伤导致材料性质劣化和强度损失；能量释放是引发岩体突然破坏的内在原因[135－139]。深入研究开挖松动区的形成与损伤力学强度参数表征十分重要。

降雨渗流和爆破振动对岩质高边坡稳定性的影响主要表现在以下几方面[140－141]：首先是“弱化”作用，即水侵蚀和爆破振动荷载的反复作用会导致岩体结构面抗剪强度参数降低。其次是“附加荷载”作用，即水压和爆破振动惯性力的作用使坡体整体下滑力增大，可能导致边坡的动力失稳。更复杂的是上述因素耦合起来作用，如何识别和表征这种岩体强度参数的弱化演化规律，目前偏重理论机制研究，缺乏实际有效的量化监测手段。

不管边坡岩体的影响因素和机制多么复杂，其结果最终都体现在岩体损伤破坏，由于每一个微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，对接收到的微震信号进行处理、分析，可作为评价岩体稳定性的依据。所以，采用微震手段标定和表征岩体损伤演化和强度指标具有重要的科学价值和实际意义。

4.2 研究发展趋势

综合边坡稳定性研究的发展趋势、露天矿边坡工程的特点和存在的问题，作者认为：

（1）从岩体失稳的监测实践角度来看，随着目前高科技的发展，从坡表到坡体内部的各种遥控、智能、高精度的监测技术日益完善，尤其是微震监测的数据是边坡岩体破裂和损伤引起破坏的指示器，其优点是可以实时观测和定位边坡岩体全部加载历史损伤演化过程，其缺点是提供的数据有限，如何处理和解释这些数据需要岩体损伤力学、波动力学方面的理论方法支持。

据此，建立岩体内部应力积累诱发岩体破坏演化规律与微震活动性之间的内在联系，探求岩体微震活动前兆信息，实现边坡失稳的预测分析。

（2）从岩体失稳的损伤理论及稳定性角度分析，基于损伤理论的数值分析手段优点是提供边坡稳定性的全面评价数据和机制解释，但缺点是参数确定和实际有一定的距离，目前建立的边坡岩体松动损伤演化模型及力学参数表征方法缺乏试验数据验证[142－144]。

据此，研究边坡岩体内部损伤破坏区的形成机制与强度参数表征方法，建立基于微震监测信息反演的岩体损伤演化力学模型（让强度折减法具有客观依据，让微震监测分析有牢固的力学基础）。

（3）从露天矿边坡工程的特点分析，其边坡工程具有时效性（允许一定程度的变形破坏），为“客观监测与主观理论分析计算”互动提供数据采集分析的客观条件，同时促进了理论与实践的有机结合。总之，边坡动态评价预测是一个理论计算和现场监测不断循环升华的过程，这才符合矿山边坡工程的特点。

作者提出“边坡岩体破坏（微震活动性）是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路，认为矿山边坡稳定研究的发展趋势为：建立基于微震监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型，提出露天矿边坡岩体强度参数识别表征方法（让强度折减法具有客观依据，让微震监测分析有牢固的力学基础）和动态稳定性评价方法，寻求边坡失稳过程岩体内部“空间”损伤劣化的微震活动性、强度弱化与边坡动态失稳之间的联系，以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据，实现露天矿边坡稳定性动态分析预测。

5 结论

（1）边坡失稳过程中内部渐进损伤演化过程时空标定方法不准和强度参数有效的表征不可靠，是导致理论上严谨的稳定性分析方法和实际状况脱节的原因。

（2）露天矿边坡客观对象是动态发展，必须跟踪监测其稳定性；同时主观的稳定性评价随采矿发展也是动态的。矿山边坡的时效性（允许一定变形破坏），为“客观监测与主观理论计算评价”相互动态修正提供了客观条件，促进了理论与实践的有机结合。总之，露天矿边坡动态评价是一个理论计算和现场监测“互动”的不断循环过程，这才符合矿山边坡的特点。

（3）提出“边坡岩体渐进损伤破坏（微震活动性）是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路，认为露天矿边坡预测预报研究发展趋势为建立基于微震监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型，提出露天矿边坡岩体强度参数识别表征方法（让强度折减法具有客观依据，让微震监测分析有牢固的力学基础）和动态稳定性评价方法，寻求边坡失稳过程岩体内部“空间”损伤劣化的微震活动性、强度弱化与边坡动态失稳之间的联系，以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据，实现露天矿边坡稳定性动态分析预测。

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