含基底軟弱層的露天煤礦內(nèi)排土場邊坡形態(tài)動態(tài)優(yōu)化

劉 干，馬婧佳

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

含基底軟弱層的排土場邊坡失穩(wěn)是露天煤礦常見邊坡災(zāi)害之一，弱層本身性質(zhì)較其它巖性小，且具有流變性，物理力學(xué)性質(zhì)隨著時(shí)間的推移緩慢降低，對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響程度高[1]。內(nèi)排土場邊坡主要的失穩(wěn)模式有：沿排土場地表接觸面滑動、沿排土場軟弱層的滑坡、內(nèi)排土場表層的局部坍塌以及沿排土場邊坡內(nèi)部滑面形成的滑坡。因此，內(nèi)排土場基底含有弱層，將直接影響內(nèi)排土場的滑坡模式[2]，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中滑動破壞方式的選擇。若弱層問題處理不好，將會使得內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性降低，進(jìn)而對內(nèi)排相關(guān)參數(shù)及內(nèi)排容量產(chǎn)生影響，甚至影響到露天礦山的生產(chǎn)安全。開展含軟弱基底內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算[3-4]是確定露天煤礦合理排土場高度與角度，進(jìn)而確定排棄量的前提，是保證露天礦山安全有序的排土工作和煤炭資源安全經(jīng)濟(jì)回采的重要條件。

以扎哈淖爾露天礦為工程背景，扎哈淖爾露天礦內(nèi)排土場為基底含有軟弱層的邊坡，巖體力學(xué)性能較差。針對軟弱基底露天礦排土場普遍存在的變形破壞問題[5]，結(jié)合扎哈淖爾露天礦內(nèi)排土場邊坡的工程實(shí)際，基于極限平衡理論，選取安全儲備系數(shù)與典型計(jì)算剖面，分析了內(nèi)排角度及內(nèi)排土場發(fā)展至不同工程位置對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響。對動態(tài)發(fā)展的內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，對不滿足安全要求的邊坡參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對于露天礦下一步的排土場的發(fā)展，改善內(nèi)排土場參數(shù)，增加內(nèi)排土場容量[6]，掌握內(nèi)排土場邊坡的滑動破壞模式[7]，指導(dǎo)露天礦山內(nèi)排工作安全生產(chǎn)，有著重要的意義。

1 露天礦排土工程概況

1.1 露天礦排土工程概述

根據(jù)設(shè)計(jì)選定的開采工藝，露天礦的排棄方式分為2 種：排土機(jī)排土場和推土機(jī)排土場。排土機(jī)排土場承擔(dān)連續(xù)工藝和半連續(xù)工藝系統(tǒng)剝離物的排棄，推土機(jī)排土場承擔(dān)單斗-卡車工藝系統(tǒng)剝離物的排棄，在礦山內(nèi)排土場排棄工作，以上2 種排棄方式均有采用。

橫采條件下[8]，隨著剝采工程發(fā)展，內(nèi)排土場向北、向西發(fā)展。隨著采場北幫逐步到界實(shí)現(xiàn)壓北幫內(nèi)排，在此之前均為留溝內(nèi)排，內(nèi)排土場基底順傾，不利于邊坡穩(wěn)定性，而且其壓幫傾向長度將影響到采場南幫邊坡的長期穩(wěn)定性，隨著內(nèi)排土場向西向北發(fā)展，邊坡高度逐漸增大，因而有必要分析其發(fā)展至不同工程位置時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)對采礦設(shè)計(jì)中的內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，有必要時(shí)對內(nèi)排參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 露天礦內(nèi)排土場工程地質(zhì)條件分析

內(nèi)排土場邊坡主要由松散排棄物料及基底組成，內(nèi)排土場基底為煤層底板泥巖弱層，且向北傾斜，橫采條件下，隨著剝采工程發(fā)展，內(nèi)排土場向北、向西發(fā)展。隨著采場北幫逐步到界實(shí)現(xiàn)壓北幫內(nèi)排，在此之前均為留溝內(nèi)排，內(nèi)排土場基底順傾。排土場基底地層巖性的差異，也是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。對于基底順傾的內(nèi)排土場邊坡來說，基底弱層的賦存情況、弱層的巖土體物理力學(xué)參數(shù)以及弱層的含水率等條件對內(nèi)排邊坡穩(wěn)定性的影響顯著。

綜上所述，由于礦山含有軟弱基底，隨著排棄高度增加，當(dāng)坡體的自身荷載超過下部軟弱層的承載力時(shí)，內(nèi)排土場邊坡具有沿著場地下部的軟弱層產(chǎn)生滑動的趨勢，滑動模式為圓弧-折線式。

2 露天礦內(nèi)排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化

2.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

極限平衡方法是最常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法[9]，常用的極限平衡分析法主要有剩余推力法、瑞典圓弧法、簡化Bishop 法等。扎哈淖爾露天礦內(nèi)排土場的潛在滑坡模式為以IVC 煤層底板為底界面的切層-順層滑動，滑動面形狀為圓弧-折線復(fù)合型，基于Bishop 法與剩余推力法2 種算法的原理，進(jìn)行計(jì)算軟件的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了上部圓弧-下部斜切的組合滑動面穩(wěn)定性計(jì)算。

2.2 邊坡安全儲備系數(shù)確定

按照GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，內(nèi)排土場小于10 年的安全儲備系數(shù)宜為1.2，內(nèi)排土場大于等于10 年的安全儲備系數(shù)宜為1.3。考慮到礦山內(nèi)排的實(shí)際情況與內(nèi)排跟進(jìn)速度，綜合確定內(nèi)排土場的安全儲備系數(shù)為1.2。邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs值見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs值

2.3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)及剖面位置確定

扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用的巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)及其確定方法見表2。

表2 巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)及其確定方法

結(jié)合扎哈淖爾露天礦內(nèi)排土場邊坡的工程實(shí)際，以東西向剖面圖為例進(jìn)行分析，內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算剖面位置如圖1。

2.4 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算及形態(tài)優(yōu)化

由于礦山松散體物料與基底泥巖接觸時(shí)間短、黏結(jié)不充分，二者的接觸面可視為黏聚力極差、摩擦角較小的軟弱層面，因此，內(nèi)排土場的潛在滑坡模式為以IVC 煤層底板為底界面的切層-順層滑動。

圖1 內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算剖面位置

內(nèi)排土場發(fā)展為工作線平行布置，向西傾向推進(jìn)，以+850 m 水平作為服務(wù)分界線，卡車與排土機(jī)2 種排土方式并行排土。其中，+850 m 水平以下采用卡車排土，+850～+1 057 m 水平由3 套排土機(jī)進(jìn)行排土。

為驗(yàn)算內(nèi)排土場發(fā)展過程中的穩(wěn)定性，選取一走向剖面上的2 個(gè)典型工程位置進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算時(shí)分別考慮了存在基底弱層和弱層被破壞2 種工況，以工程位置I 基底弱層不被破壞時(shí)內(nèi)排土場為例，工程位置I 基底弱層不被破壞時(shí)內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2；工程位置II 基底弱層不破壞時(shí)內(nèi)排土場為例，工程位置II 基底弱層不破壞時(shí)內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖2 工程位置I 基底弱層不被破壞時(shí)內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖3 工程位置II 基底弱層不破壞時(shí)內(nèi)排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

分析內(nèi)排土場向西發(fā)展過程中典型位置的穩(wěn)定性可知，當(dāng)內(nèi)排土場基底弱層不被破壞時(shí)，存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，需要局部調(diào)整邊坡角度，或采取破壞底板等方式進(jìn)行處理；當(dāng)弱層被破壞后，內(nèi)排土場邊坡角12°，標(biāo)高增高至+1 057 m 水平時(shí)仍能夠滿足安全儲備系數(shù)1.2 的要求；另一方面，由于基底形態(tài)的起伏和各平盤寬度的不斷變化，內(nèi)排土場增高后的穩(wěn)定性不一定會降低。內(nèi)排土場西幫典型工程位置排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3。

2.5 2023 年內(nèi)排土場的構(gòu)成

2023 年內(nèi)排土場已經(jīng)形成卡車排土場、巖破排土場、輪斗排土場的連片排土場。西側(cè)卡車排土場是該礦橫采內(nèi)排形成的排土場，其推進(jìn)度受坑內(nèi)剝采工程進(jìn)度的影響，同時(shí)布置在坑內(nèi)的3 號煤破碎站也需及時(shí)移設(shè)，保證卡車內(nèi)排土場的跟進(jìn)。經(jīng)過內(nèi)排加高10 m 后，卡車排土場位于930 m 水平以下，排棄高度為24 m。

表3 內(nèi)排土場西幫典型工程位置排土場穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

中部為巖破排土機(jī)排土場，新增2 號巖破排土機(jī)平行排棄，計(jì)劃布置在970 m 水平，只有下排，下排高度為40 m，下排標(biāo)高930 m 水平，視根據(jù)推進(jìn)度和工作線長度確定。1 號巖破排土機(jī)扇形排棄，經(jīng)過內(nèi)排加高10 m 后，站立于1 000 m 水平，上排標(biāo)高為1 017 m 水平，下排標(biāo)高為970 m 水平。巖破排土機(jī)站立水平不改變，根據(jù)卡車內(nèi)排土場的推進(jìn)度適當(dāng)調(diào)整下排高度。

東部為輪斗排土機(jī)排土場，此時(shí)輪斗排土機(jī)由原有的北排土場逐年過渡至內(nèi)排土場，輪斗排土機(jī)扇形排棄，布置于1 050 m 水平，上排標(biāo)高為1 067 m 水平，下排標(biāo)高為1 017 m 水平。

3 結(jié)語

1）參照GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范，并綜合考慮邊坡重要性、服務(wù)年限以及工程地質(zhì)條件、力學(xué)參數(shù)掌握程度，確定內(nèi)排土場的邊坡安全儲備系數(shù)為1.2。

2）按照調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案，內(nèi)排土場向西發(fā)展過程中，當(dāng)基底弱層不被破壞時(shí)，在不同的工程位置，存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，需要局部調(diào)整邊坡角度，或采取破壞底板等方式進(jìn)行處理，保證內(nèi)排動態(tài)變化的過程中邊坡的穩(wěn)定性。

3）當(dāng)弱層被破壞后，內(nèi)排土場穩(wěn)定性系數(shù)明顯提高，內(nèi)排土場增高至+1 057 m 水平時(shí)仍能夠滿足安全儲備系數(shù)1.2 的要求。

4）建議在開采IVC 煤時(shí)，將其底板弱層進(jìn)行處理并回填巖性較好的大塊，以改善內(nèi)排土場穩(wěn)定性。建議做好排棄過程中邊坡監(jiān)測措施，同時(shí)露天礦生產(chǎn)過程中應(yīng)做好坑內(nèi)排水措施，防止內(nèi)排基底遇水泥化，強(qiáng)度減小而引起滑坡災(zāi)害。