內蒙某礦內排土場穩定性分析及優化

魯 寧，韓 猛，于 玲，陳亞飛，馬詩文

（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2．煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

剝離工作是露天煤礦正常生產不可或缺的關鍵環節。一般大型露天礦的剝離土方量要比采出的煤炭量大出數倍[1]。剝離土方的排棄需要占用大量的運輸車輛及人力；同時，外排土場還會占用大面積的耕地造成環境污染。相比之下，內排土場相對于外排具有節省運距和勞動成本，減少耕地占用等優勢。因此，無論從經濟效益角度還是從安全生產角度，對露天礦內排土場穩定性給予準確的評價顯得尤為重要。

1 工程概況

研究區煤田出露地層由下往上主要有：中生界白堊系下統龍江組（K11）的陸相中酸性火山-沉積巖組合，白堊系下統梅勒圖組（K1m）的中基性火山巖夾中酸性火山碎屑巖及火山碎屑沉積巖（主要巖性為氣孔狀、杏仁狀、致密塊狀玄武巖、安山玄武巖及少量碎屑巖），白堊系下統大磨拐河組（K1d）的含煤碎屑巖層，白堊系下統伊敏河組（K1ym）的含煤地層及第四系海拉爾組（Qh）的松散沉積物。

研究區主要可采煤層為9#煤層：9#煤層發育在礦區西部，其賦存形態呈盆地狀，是本區的主采煤層，可采面積約7.68 km2，占含煤面積97．91%，埋藏深度最小22．0 m，最大270．0 m，平均138．93 m。煤層可采厚度最小5．10 m，最大50．94 m，平均31．94 m。煤層結構復雜，含有1～9 層夾矸，夾矸厚度在0．35～8．48 m 之間，平均2．94 m，夾矸巖性多為碳質泥巖。煤層的變化趨勢總體上看是中部及東北部較厚，向西及西南部煤層厚度逐漸變薄，該煤層屬局部可采的基本穩定煤層。煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖。

煤層整體開采方向為自東向西逐漸降高開采，由于邊坡穩定性較差，因此在東部內排土場最低端留有一定厚度的支擋煤壁作為防止內排下滑的一種手段。現狀內排示意圖如圖1。

圖1 現狀內排示意圖

2 內排土場穩定性分析

2.1 內排土場破壞模式

研究礦區內排土場屬于順傾巖層，基底順傾的排土場邊坡的破壞模式共有3 類： 第1 類就是沿排土場內部發生的滑移破壞[2]，這類破壞一般多發在處于梅雨季節的排土場，由于降雨的下滲造成排土場排棄物力學指標下降，正常條件下較穩定的邊坡在雨水下滲和破體內地下水滲流的作用下發展成為欠穩定邊坡，最終發生滑坡變形；第2 類是沿著排土場基底的滑移破壞[3]，該類變形破壞的前提條件是排土場下部具有不透水的軟弱巖層，一般為軟弱泥巖層,在正常干燥條件下，泥巖的強度較大，此時排土場的穩定性較高, 當降雨進入排土場內部后對排土場基底部不斷浸泡，泥巖在雨水的浸泡下強度不斷降低，形成軟弱滑動帶發生滑移；第3 類是沿著排土場基底內部的滑移破壞[4]，由于排土場基底巖層并不均勻，可能在基底以下一定深度存在軟弱夾層,在排棄高度不斷增加的情況下，排土場存在著沿著基底內部的軟弱夾層滑移，并在基底最薄弱區沿一定的剪切角剪出的破壞形式。

2.2 內排土場穩定性

預留煤柱雖然可以起到安全的作用，但是在煤柱回首時會造成一定量的壓煤損失，考慮到這一點，對于排土場設計應首先考慮在不預留支擋煤壁的條件下內排土場的穩定情況，設計的內排示意圖如圖2,設計內排計算結果如圖3～圖5。

圖2 設計的內排示意圖

圖3 沿排土場內部滑移

圖4 沿排土場基底滑移

圖5 沿排土場基底內滑動

當沿著排土場內部滑動時，邊坡穩定性系數Fs=1.304(圖3)；當沿著排土場基底滑動時，邊坡穩定性系數Fs=0.893（圖4）；當沿著排土場基底內部弱層滑動時，邊坡穩定性系數Fs=0.974（圖5）。根據計算結果可知沿排土場內部滑移的穩定性系數滿足永久內排土場1.30 的安全儲備要求，說明該內排土場設計邊坡角較為合理。沿排土場基底和基底內弱層的穩定性系數達不到極限平衡狀態1.00 的要求，說明由于排土場底部基巖巖性較差，使得排土場在未采取任何加固手段或措施的前提下直接排棄，不能滿足安全儲備要求。

2.3 內排土場方案優化

由于設計邊坡不能滿足安全儲備要求，因此考慮采用合理手段對排土場進行優化從而提高排土場的穩定性使其滿足安全儲備的要求。在順傾邊坡開挖活動中，下部煤體對不僅整體邊坡起到支撐作用，而且對媒體下部巖體還起到了一定的壓腳配重作用。一旦下部煤體開挖，上部邊坡在失去支撐力的作用后會產生向下的變形趨勢，在這種趨勢的作用下坡腳底部會產生相應的應力集中區，當上部媒體被挖走，這種應力集中超出上部覆蓋巖體所能承受的強度極限，產生沿坡腳的剪出變形，發生滑坡。基于下部煤體對上部邊坡的支撐作用，及對下部巖體的配重壓腳作用，此次對內排土場的優化采用預留一定寬度和厚度的安全煤壁來提高內排土場的穩定性。內排優化示意圖如圖6，內排優化計算結果如圖7～圖10（預留15、20 m 安全煤壁結果圖略）。

圖6 內排優化示意圖

圖7 沿排土場基底滑動（預留10 m 安全煤壁）

圖8 沿排土場基底內滑動（預留10 m 安全煤壁）

圖9 沿排土場基底滑移（預留25 m 安全煤壁）

圖10 沿排土場基底內滑動（預留25 m 安全煤壁）

通過計算可知，以現狀煤層所在標高為準，當預留10 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩定性系數為Fs=0.989（圖7），沿排土場基底內部弱層滑動的穩定性系數為Fs=0.998（圖8）；當預留15 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩定性系數為Fs=0.997，沿排土場基底內部弱層滑動的穩定性系數為Fs=1.000；當預留20 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩定性系數為Fs=1.061，沿排土場基底內部弱層滑動的穩定性系數為Fs=1.002；當預留25 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩定性系數為Fs=1.085（圖9），沿排土場基底內部弱層滑動的穩定性系數為Fs=1.054（圖10）。各條件下穩定性系數表見表1。

表1 各條件下穩定性系數Fs 表

2.4 內排土場穩定性分析

根據變形圖可以看出內排土場無論沿基底發生變形還是沿基巖內部弱層發生變形，其剪切口位置均位于預留安全煤壁以下，說明即使是10 m 寬的安全煤壁也起到了防治內排土場將煤壁剪斷發生滑坡的可能[5]。但作為起壓腳配重作用的煤壁[6]，只有當煤壁寬度達25 m 時，其內排土場穩定性方可達到1.054，滿足臨時邊坡1.05 安全儲備[7]要求。因此對內排土場的排棄方案，采用在內排土場底部預留25 m 安全煤壁作為支擋，其上部的排棄方式不變的方法來提高內排土場的穩定性系數。

3 意見與建議

1）由于預留安全煤壁選擇的安全儲備為1.05，即臨時邊坡的安全儲備，因此宜在將煤壁回收后迅速回填并完成底部內排起到壓腳的作用[8]。

2）應在排土場布置若干監測點實時監測排土場的整體變形情況[9]。

3）在排土過程中應做好防排水工作，雨水對排土場基底的浸泡會造成基底泥巖的軟化影響內排土場的穩定性，因此應在排土之前事先設置好截水溝引流渠等防水構筑物[10]。

4 結 語

1）設計邊坡沿排土內部滑動的穩定性系數大于1.30 的安全儲備要求，內排土場邊坡角設計較為合理不需要另做調整。

2）設計內排土場沿基底滑移和基巖內部弱層滑移的穩定性系數小于1.00 屬于不穩定邊坡，因此采用預留安全支擋煤壁手段來提高邊坡穩定性。

3）通過計算可知當預留的支擋煤壁寬度達25 m時邊坡整體的穩定性系數大于1.05 臨時邊坡的安全儲備要求，因此選擇在內排土場坡腳預留25 m的支擋煤壁作為優化方案來提高邊坡整體穩定性。