露天煤礦外排土場邊坡滑坡治理

喬東亮，張永貴，商啟蒙，張冉昊，王智慧，段曉磊

（北方魏家峁煤電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

露天礦排土場邊坡穩定性是露天開采領域中重要的問題，隨著露天礦產量規模的不斷增大，排土場排棄容量增加，排棄高度加大，排土場邊坡穩定性問題更為突出。魏家峁露天煤礦東一排土場于2015 年排棄到界停止使用。由于幫坡角較大及近幾年的雨水浸泡、沖刷，東一排土場西南側局部邊坡出現沖溝、裂縫、管涌和片幫，有局部邊坡滑坡的征兆[1]。該處邊坡下部1060 平盤有1 條村民道路，常有村民和車輛經過，此處滑坡將掩埋村民道路，造成出行不便甚至是人身傷亡事故。村民道路緊臨罐子溝河道，若滑坡方量大將堵塞罐子溝河道，影響露天煤礦發展和當地居民生活。所以治理魏家峁露天煤礦東一排土場邊坡滑坡尤為必要[2]。

1 礦山概況

魏家峁露天煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗東部，是一座現代化大型露天煤礦，該礦一期設計規模6 Mt/a，二期規模為12 Mt/a，平均剝采比為7.04 m3/t。魏家峁露天礦是國內地形條件較復雜的露天煤礦。突出特點為黃土高原沖溝多、梁峁多[3]。魏家峁露天礦共設計了3 個外排土場，分別為東一、東二、西南外排土場。設計東一排土場最大幫坡角為18°，下部水平標高1 060 m，頂部水平標高1 220 m，總高程160 m，每個臺階高度20 m，自然安息角33°，每個臺階寬度為40 m。東一排土場最終幫坡角為19°，1060 臺階、1080 臺階、1100 臺階3 個臺階組成的局部幫坡角為33°。另外，排水系統不佳，邊坡常年受到雨水沖刷，多個臺階形成了大小不一的沖溝，1060 平盤出現裂縫且平盤邊緣沉降嚴重；1080平盤寬度窄、無反坡且已產生橫向嚴重裂縫；3 個臺階不同程度存在坡面沖溝、片幫垮塌[4]。

2 邊坡穩定性

2.1 影響因素

排土場邊坡是由松散的土和巖石混合排棄后堆積形成，其穩定性不但受制于混合物料的強度和排棄后空間的分布規律，而且還受到排土場地地表斜率、場地基礎巖土體抗剪強度、堆積坡度和高度、排棄巖土體的化學成分、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響。東一外排土場邊坡屬典型的土質邊坡，主要受載荷和降水影響[5]。

1）載荷影響。邊坡的穩定性在一定程度上受到荷載的影響。東一外排土場失穩區涉及1060、1080、1100 3 個臺階。1060 臺階～1080 臺階高度約20 m，頂部平盤寬度7～11 m；1080 臺階～1100 臺階高度約20 m，頂部平盤寬度6～15 m；1100 臺階～1120 臺階高度約23 m，頂部平盤寬度68～84 m。1100 臺階～1120 臺階荷載較大，是造成排土場邊坡失穩的重要因素之一[6]。

2）水的作用。水是影響邊坡穩定的重要因素，排土場50 %以上滑坡受水流影響，大部分滑坡發生在雨后。邊坡受到水的威脅主要表現在：巖石被軟化、強度被降低，以及水產生的靜水壓力與動水壓力對邊坡作用。靜水壓力是飽水巖體受到浮力而產生浮重，減輕了邊坡本身的質量，當邊坡的穩定性不足以被邊坡的自重維持時，邊坡的穩定性就會下降，動水壓力作為體積力是指巖石顆粒受到在流通過程中滲流水的滲透力的作用，動水壓力的方向與流線方向平行，坡體的內部會因為常年的侵蝕和流動而被掏空，降低了邊坡的穩定性，失穩現象容易發生[7]。

3）時間效應。露天礦邊坡的變形和破壞大多與巖體中軟弱夾層的時效蠕變特征有著較大的關系，其抗剪強度隨時間的增加而降低。如剪力不超過層面的長期剪切強度時，邊坡處于穩定狀態；如剪力超過層面的長期抗剪強度時，邊坡便發生不穩定蠕變，最后達到加速蠕變而發生滑坡。東一外排土場排棄到界已4 年，時間效應是影響其滑坡原因之一[8]。

2.2 穩定性系數

分析東一外排土場西南側邊坡工程地質條件，該處邊坡排棄物料為松散黃土，邊坡基底為原始沉積形成的第四系黃土，黃土下伏黏土層、泥巖層。計算所選取的物料力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數表

根據東一排土場工程地質模型，選取失穩區剖面進行數值分析。剖面計算模型沿邊坡傾向長度為411 m，計算中排棄物料、黃土、泥巖和基底均采用摩爾庫倫模型。

剖面上層為排棄物料，密度較大，中間層屬于黃土層，底下夾雜1 層黏土層。邊坡的塑性區主要分布在下伏黃土層以及排棄物料的坡面上，因排土場下伏黃土較厚，本身黃土的抗壓力相對較小，與基底夾雜的黏土層抗滑力較弱，隨著排棄堆載高度的增大，黃土基底發生沉降，造成此處坡面發生剪切破壞。計算中排棄物料、黃土、泥巖和基底均采用摩爾庫倫模型計算，以利用FLAC3D軟件模擬豎直張裂縫-近圓弧形破壞的邊坡破壞模式進行計算論證，論證結果顯示邊坡整體穩定性系數FS＝1.39，滿足規范要求。但邊坡下部3 個臺階組成的局部邊坡最危險滑面穩定性系數FS＝1.02，小于設計規范1.2～1.5 的邊坡穩定性系數，邊坡易沿原始沉積黃土層坡面發生剪切破壞，進而引起上部排棄形成的黃土臺階跟隨滑動產生整體滑坡。

3 綜合治理方案

綜合考慮村民道路通行安全、減小邊坡載荷、減少大氣降水影響，經實地勘察，對于東一排土場滑坡采用村民道路改道、削坡減載、完善排水系統的綜合治理方案。

3.1 村民道路改道

原村民路自西向東環繞東一排土場，從東一排土場最下部1 060 m 水平逐漸爬升至1 120 m 水平平盤，村民道路寬6 m。實地觀測，偶有村民及車輛從下部經過，存在很大安全隱患。所以決定將原村民路進行改道處理。村民改道充分利用原有坡道和地形條件，根據現場實際情況定出改道后路線，改道后村民路長為1 000 m，路寬為6 m，從高危邊坡西側1 070 m 水平處利用原坡道折返至1 120 m 水平平盤，再經聯絡路、1120 平盤，最后于1120 平盤東側與原村民路相接。改道所需坡度需填方8 940 m3。改道后村民路需用矸石鋪墊、平整、碾壓，砂石鋪墊厚度0.7 m。同時，東一排土場入口經1100 平盤至新修村民路也需修1 條寬為6 m 道路，道路長度為1 300 m，砂石鋪墊厚度0.7 m，也需用矸石鋪墊、平整、碾壓。2 條道路所需砂石量9 660 m3。總工程量1.86 萬m3。

3.2 削坡減載

削坡減載措施綜合考慮后續改路、削坡物料就近處理、已形成臺階坡底不動的原則，將1100 臺階～1120 臺階施工形成2 個10 m 高的臺階，形成的中間平盤標高為1 110 m 水平，形成的臺階坡面33°，削坡完成后1100 臺階～1110 臺階保留原剩余坡面。削坡總挖方量約6.2 萬m3，挖方量用于連通南北2個1 120 m 水平平盤，運輸距離100 m。連通段寬度30 m，基本實現挖填平衡，連通后道路需用設備推平碾壓，削坡后臺階需用反鏟刷坡[9]。

在邊坡進行削坡減載后，整體邊坡角由33°減小到25°，經過用FLAC3D軟件進行驗算，得到邊坡穩定性系數由治理前的1.02 提高到1.22，滿足露天礦設計規范中外排土場邊坡穩定性系數的相關標準。

3.3 防治水措施

東一排土場排水系統不完善，常年受雨水沖刷，形成多條沖溝。東一排土場1160 臺階、1140 臺階、1120 臺階、1100 臺階、1080 臺階都有較大沖溝，有的臺階不止1 個沖溝。為避免發生失穩，防治水措施必不可少。

從經濟有效的角度出發，先行填堵沖溝位置，再采用截堵措施。凡是有沖溝的地方全部進行回填，1160 平盤、1140 平盤、1120 平盤、1100 平盤、1080 平盤邊緣做擋墻和反坡，平盤中間做圍梗，平盤上修筑1 條道路方便綠化施工和邊坡巡視。沖溝回填和圍梗采用就地取土方式，填完沖溝需推平碾壓，圍埂需用鏟斗拍壓整形。

道路用砂石鋪墊、平整、碾壓，砂石來源于采場，砂石運輸費用包含在剝離項目中。擋墻高度同原擋墻高度不低于1.5 m；平盤邊緣反坡坡度3%～5%；圍梗上頂寬度0.5 m，下底寬度1.5 m，高度0.5 m，圍梗間距50 m，遇較窄平盤，可根據實際情況進行加密處理。計劃沖溝填方5.13 萬m3，圍梗工程量為2 110 m3。平盤道路長3 807 m，寬6 m，厚0.45 m，工程量1.028 萬m3。

通過東一外排土場西南側邊坡綜合治理，提高了邊坡穩定性，降低了邊坡失穩風險，保障了下部行人車輛安全，消除了滑坡物料堵塞罐子溝河道的安全隱患。提高了村民道路的路面質量，方便了附近村民安全出行，企業在當地社會贏得了較好的口碑。同時，通過施工治理，排土場平臺和邊坡得到綜合防治，水土流失得到有效控制，調水保土效益顯著。

4 結語

對魏家峁露天煤礦東一外排土場西南側邊坡重要性進行了論述，計算了失穩邊坡穩定性系數為1.02。通過分析此處邊坡失穩的主要影響因素，針對性的采取了削坡減載、建立排水系統、村民路改道措施，將此區域邊坡穩定性系數提高至1.22，提高了邊坡穩定性，降低了邊坡滑坡風險，同時，水土流失得到有效控制，調水保土效益顯著。所采用的研究方法及所得結論對類似礦山到界外排土場失穩邊坡治理有一定實踐價值。