排土場不同邊坡角度對安全系數的影響*

王創業　趙少東　薛瑞雄

(內蒙古科技大學礦業研究院)

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排土場不同邊坡角度對安全系數的影響*

王創業趙少東薛瑞雄

(內蒙古科技大學礦業研究院)

摘要在對邊坡工程地質條件進行勘察和對排土場巖土物理力學性質進行研究的基礎上，利用FLAC(3D)數值模擬軟件對黑岱溝露天礦排土場不同邊坡角度對其安全系數的影響進行了研究。認為邊坡角度的大小與安全系數成負相關關系，并建立了兩者的量化關系，對于確保露天礦安全生產有一定的參考價值。

關鍵詞排土場邊坡角度安全系數數值模擬FLAC(3D)

準格爾煤田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部，對于緩解華北地區能源短缺的問題發揮了重大作用。為提高礦山經濟效益，減小排土場征地面積，相當一部分礦山最大限度地利用排土場已有的占地，增加堆高，建設超高臺階排土場，雖然最大限度地利用了排土場的占地面積，但增加了排土場邊坡的安全隱患，一旦失穩，造成的損失相當嚴重[1-3]。大量學者對排土場邊坡角度與穩定性的關系進行了研究，但研究成果普適性不強[4-5]。為此，本研究以準格爾煤田黑代岱溝露天礦排土場為例，對其邊坡角度與安全系數的關系進行詳細分析。

1礦區概況

準格爾煤田東起煤層露頭，西至6#煤層600 m底板等高線，東西寬21 km，北至煤層露頭，南至黃河之濱，南北長65 km，面積1 022 km2，煤巖傾角一般小于5°，巖性屬中等硬度，區內屬大陸性半干燥氣候，降水量較小，蒸發量較大，常有春旱現象。黑岱溝露天礦的黃土層平均厚約49 m，采用輪斗連續開采工藝。露天礦有內排土場、外排土場，內排土場基底較平緩，基底巖性為砂巖或砂質泥巖，強度較高；外排土場的地形坡度5°～10°，基底為黃土，強度較低，排棄物的內摩擦角23°，凝聚力30 kPa，密度1.8 t/m3。

2模擬結果分析

FLAC3D數值模擬軟件，本構模型采用摩爾-庫倫準則[6]，以黑岱溝排土場為例，建立邊坡角度分別為30°、34°、38°、42°、46°的5個模型，排土場基底高20 m，排土場高92 m。固定模型底部邊界，左、右邊界施加水平約束，并且所有邊界施加y方向約束。數值模擬結果如圖1所示。

由圖1可知：隨著邊坡角度的增加，安全系數逐漸減小，可明顯看到塑性貫通區域，即潛在的滑動面；當邊坡角度為42°時，安全系數為1.01，排土場很有可能出現滑坡現象，即達到危險狀態；當邊坡角度為46°時，安全系數(0.94)小于1，說明排土場不穩定。

邊坡角度與安全系數的關系見圖2。

由圖2可知：隨著邊坡角度的增加，安全系數逐漸降低，降低的幅度先減小，后增加，最后再減小。

邊坡角度與安全系數的關系可表示為

K=3.065 5-0.075α+6.25×10-4α2,

式中，K為安全系數；α為排土場邊坡角度，(°)。

在已知邊坡角度的情況下，用上式可計算出安全系數，從而可估測排土場的安全性，若超出了允許范圍，可提前采取措施，避免人員的傷亡和建筑物的損害。

3結語

以黑岱溝露天礦排土場為例，基于FLAC3D數值模擬軟件分析并建立了其不同邊坡角度與安全系數的量化關系，據此可預先估測排土場的安全程度，對于確保該露天礦排土場的安全穩定運行有一定的參考價值。

參考文獻

[1]黃敏，李夕兵，付玉華，等.江西省永平銅礦西部排土場極限堆載高度確定[J].中國地質災害與防治學報，2008，19(2)：109-112.

圖1　不同邊坡角度對應的剪切應變增量

圖2　邊坡角度與安全系數的關系

[2]翟文龍，周漢民.簡化Bishop法和余推力法在高臺階排土場穩定性計算中的應用[J].現代礦業，2015(8)：168-170.

[3]米子軍.礦山排土場穩定性主動調控機制研究[J].金屬礦山，2014(9)：1-6.

[4]廖國華，潘長良.邊坡穩定[M].北京：冶金工業出版社，1995.

[5]顏榮貴，賀躍光，劉文鈺，等.排土場極限高度確定方法研究及工程實例[J].礦冶工程，1996(2)：7-10.

[6]王琰.基于摩爾-庫倫準側的邊坡穩定性分析[J].現代礦業，2016(1)：196-198.

(收稿日期2016-01-18)

*國家自然科學基金項目(編號：51464036，51564038)；內蒙古自然科學基金項目(編號：2012MS0718)。

王創業(1976—)，男，副教授，014010 內蒙古自治區包頭市昆區阿爾丁大街7號。