排土場邊坡結構參數優化及失穩風險評估

王 勝

(遼寧建筑職業學院，遼寧 遼陽 111000)

伊敏露天礦工程地質條件復雜，目前開采及內排跟進區域滲水嚴重，且受斷層影響，局部還伴有褶曲、斷裂等小構造。同時通過采區內已揭露地層觀察、分析，16#煤層底板存在軟弱夾層。在地下水、不利構造、軟弱夾層的多重影響下，極易誘發內排土場邊坡滑動。為控制排土場邊坡滑坡風險，應充分了解該內排土場邊坡結構參數與邊坡穩定性之間的關系，從而在滿足邊坡穩定的基礎上，實現排土場增容擴高、增加經濟效益的目的。國內學者針對排土場邊坡參數已有較為深入的研究。毛權生等[1]計算了不同臺階高度和不同平臺寬度下多臺階覆蓋式排土場臺階邊坡和整體邊坡的穩定性。路洪斌[2]、駱貞江[3]則在考慮滲流耦合作用工況下，采用多種計算方法確定最優總體邊坡角。丁鑫品等[4-8]在保證生產正常接續的基礎上，實現排土場最大限度增加排土容量，降低了運營成本，提高了經濟效益。此外，傅能武[9]將邊坡結構參數研究擴展到銅礦，通過對不同最終邊坡角的邊坡穩定性進行敏感性分析，得出挖潛方案。綜上，已有研究較少在考慮邊坡動態加載情況下，分析邊坡角度與穩定系數關系。本文以動態加載模擬及多因素綜合分析為研究手段，結合現階段伊敏露天礦內排土場實際情況，探討排棄高度、邊坡角與排土場安全之間的關系，從而實現排土場邊坡的失穩風險控制。

1 地質背景

根據礦區已有基礎資料，區內地層由老到新發育地層為：古生界的寒武系(∈)、泥盆系(D)、石炭二迭系(C、P)，中生界(MZ)的侏羅系上統(J3)，新生界(KZ)的第三系(E3)、第四系(Q)。其中寒武系(∈)主要為泥巖、凝灰巖、砂巖、千枚巖、片麻巖和石英巖；泥盆系(D)主要為凝灰巖、粉砂巖、泥巖，細砂巖和安山玢巖；石炭二迭系(C、P)主要為礫巖、砂巖，凝灰砂巖、泥巖；侏羅系上統(J3)主要為礫巖、玄武巖、凝灰巖、粉砂巖、細砂巖；第三系(E3)主要為礫巖、粗砂巖、泥巖、細砂巖；第四系(Q)主要為腐植土、砂質粘土、粘土、砂礫石。其中第四系及伊敏組地層對該露天礦邊坡穩定影響較大。伊敏組為本露天開采目的層，全區發育，由礫巖，粉砂巖、泥巖，砂巖、含礫粗砂巖、煤組成，厚20～450m，含5層煤，可采煤層為16#下煤。內排土場坐落于16#煤底板以上，16#煤底板存在穩定泥巖隔水層，本層泥巖為軟弱巖層，對內排土場邊坡穩定性影響較大。

通過對內排土場基底及排土物料進行現場取樣、力學試驗，考慮到地下水對基底泥巖及排棄物下部影響較大，對巖土物理力學參數進行弱化，得出本次邊坡巖土物理力學性質評價指標[10，11]，見表1。

表1 巖土物理力學性質評價指標

2 排土場失穩破壞模式

當露天礦內排土場基底工程地質條件較差或邊坡排棄高度超限、邊坡角度較大、邊坡較陡時，極易出現滑動，形成滑坡。根據滑動面相對物理空間位置，可將排土場滑動變形分為3類，即：基底滑動、沿基底內軟弱結構面滑動和排棄物料內部滑動[12-14]。

1)基底滑動。基底滑動主要影響因素有二：一是基底與排棄物料接合面的抗剪強度；二是基底面傾角。該種變形破壞模式大多是在承載能力較低的浸水塑性巖層或沼澤地帶，沿著排土場基底表面發生剪切滑動。為避免產生此類滑動，可以通過控制物料排棄方式來提高基底與排棄物料接合面的抗剪強度，另外，要注意觀察基底外部特征，當基底出現底鼓時，應及時采取控制措施。

2)沿基底內軟弱結構面滑動。沿基底內軟弱結構面滑動主要影響因素有二：一是軟弱結構面的抗剪強度；二是軟弱結構面的傾角。當軟弱結構面的傾向與邊坡傾向一致時，其抗剪強度較小，極易發生此類滑動。

3)排棄物料內部滑動。排棄物料內部滑動的破壞條件有二：一是排棄物料內部的某一弱面平行于排棄物料的自然安息角；二是排棄物料抗剪強度低于排土場基底抗剪強度。當上部排棄物加壓，超過排棄物料抗剪強度且未達到排土場基底抗剪強度時，便在排棄物料內部產生滑動。此種變形破壞主要有“圓弧破壞”和“坐落—滑移式破壞”兩種模式，實際工程可參考我國義馬北露天煤礦。為避免產生此類滑動，可通過控制排棄物料內部弱面角度實現，即合理設計排土場堆置方式與堆置時間、排棄物排棄方式等，再通過對排土場邊坡結構參數優化，進一步降低此類滑坡發生風險。

3 邊坡結構參數與邊坡穩定性的敏感性分析

根據以往勘查資料及排土場邊坡變形破壞調查，該露天礦排土場破壞模式為沿排土場基底滑動。本文通過模擬內排土場邊坡不同排棄高度、不同角度的邊坡角對邊坡穩定系數的敏感性[15，16]分析邊坡結構參數與邊坡穩定性之間的相關性，并通過線性回歸，確定滿足邊坡安全儲備系數下的排棄高度及邊坡角。本文選取的剖面位置如圖1所示。

圖1 剖面位置

3.1 內排土場不同排棄高度敏感性分析

目前該露天礦內排土場設計最大排棄標高為710m，單臺階高度為10～20m。在保持整體邊坡角不變的條件下，分別模擬不同排棄高度，計算內排土場邊坡穩定系數，通過分析二者關系，判別排棄高度與內排土場邊坡穩定的關系。

選取PJ1典型工程地質剖面，排棄高度分別增加15m、30m、45m和60m，即內排標高分別增加至725m、740m、755m和770m。PJ1剖面如圖2所示。

圖2 不同排棄高度條件下的剖面地質模型圖

對不同排棄高度下的邊坡按照滑動面和切入-剪出位置的不同分別進行穩定性計算，并對不同排棄高度的邊坡穩定系數進行回歸，確定內排土場所允許的排棄高度。增加不同排棄高度所計算出的各邊坡穩定系數結果統計見表2，不同排棄高度和邊坡穩定系數回歸如圖3、圖4所示。

由表2和圖3、圖4可知：無論排土場沿物料內部還是基底滑出，邊坡穩定系數均隨著內排土場邊坡排棄高度的增加而逐漸降低；當排土場沿物料內部滑動時，邊坡穩定系數均大于1.7；當排土場沿基底滑動時，當排棄高度在725m水平至740m水平之間時，邊坡穩定系數變化最為明顯，單位高度內邊坡穩定系數變化最為敏感。

表2 內排土場增高邊坡穩定系數

圖3 排棄高度和邊坡穩定系數回歸(沿排土場內部滑動)

圖4 排棄高度和邊坡穩定系數回歸(沿排土場基底滑動)

3.2 內排土場不同邊坡角敏感性分析

露天礦內排土場設計整體邊坡角為11°，單臺階坡面角為35°。在設計邊坡的基礎上，在保持內排高度不變的條件下，通過調整平盤寬度等技術手段，進一步優化內排參數，改善邊坡穩定狀況。

選取PJ2工程地質剖面，整體邊坡角分別增加1°、2°、3°和4°，即內排邊坡坡面角分別增加至12°、13°、14°和15°。PJ2剖面如圖5所示。

圖5 不同邊坡角條件下的剖面地質模型

提高整體邊坡角所計算出的各邊坡穩定系數結果統計見表3，不同邊坡角和邊坡穩定系數回歸如圖6和圖7所示。

由表3和圖6、圖7可知：隨著整體邊坡角的加大，邊坡穩定系數總體上逐漸降低；當排土場沿物料內部滑動時，邊坡角12°時為邊坡穩定系數的拐點；沿內排土場基底滑動時，邊坡角從11°提高到至 14°時，邊坡穩定系數變化相對較為敏感，且邊坡穩定系數全都小于或略等于1.15，排土場滑坡的可能性較大。

表3 提高整體邊坡角后的邊坡穩定系數

圖6 整體邊坡角和邊坡穩定系數回歸(沿排土場內部滑動)

圖7 整體邊坡角和邊坡穩定系數回歸(沿排土場基底滑動)

4 內排土場邊坡穩定性的風險評估

采用摩根斯坦-普瑞斯(Morgenstern-Price)法來確定邊坡的安全系數。露天礦內排土場安全儲備系數的選擇關系著邊坡是否處于安全狀態，當邊坡穩定系數不滿足允許安全儲備系數時，應考慮從以下幾方面提高穩定性：①工程地質資料是否翔實，巖土物理力學參數是否合理；②模型是否合理；③工程服務年限；④滑坡后危害及損失的大小。根據上述因素，按照《露天煤礦工程設計規范》(GB 50197—2015)之有關規定，確定該露天礦內排土場邊坡安全儲備系數為1.20。

參考排棄高度及邊坡角與邊坡穩定性之間的關系進行排土場堆砌方案初選；結合基底承載力確定最終優化方案。

4.1 排棄高度的確定

排土場整體穩定影響因素較多，而排土場基底承載力便是重要影響因素之一，因此，有必要對排土場基底承載力進行系統研究[7]。由于排土場整體穩定地基極限承載力的計算方法還未統一。此處關于排土場基底極限承載力的分析計算，選擇引用太沙基(Terzaghi)關于土體整體剪切破壞的極限承載力理論進行，得出高大排土場整體穩定的承載力計算公式為：

pu=cNc+q1Nq

(1)

式中，q1為排土場壓底荷載，通常取壓底平盤的段高產生的垂直荷載，kPa；c為巖土體的內聚力，kPa；Nc、Nq、Nγ為與地基內摩擦角相關的量綱為1的系數，其中：Nc=eπtanφtan2(π/4+π/2)，Nq=(Nc-1)ctanφ。

通過計算該露天礦內排土場基底臨界承載力為359t/m2，允許排棄高度為191m。

基底臨界承載能力僅從承載物對基底的破壞臨界角度出發，針對露天礦排土場排棄高度設計而言，更重要的因素應從邊坡穩定角度出發，即設計高度既應滿足基底承載能力要求，又應滿足邊坡穩定要求。因此，該排棄高度不宜作為最終確定高度。

根據邊坡排棄高度與邊坡穩定性分析可知，隨著內排高度的增加邊坡穩定系數逐漸減小，邊坡沿內排土場內部及基底滑動的穩定系數較大，都大于安全儲備系數1.2；而邊坡沿16煤層底板泥巖層滑動的穩定系數當內排高度增加至725m時為1.212，大于1.2，當內排高度增加至740m時為1.173，則小于1.2，因此，內排土場建議排棄高度為不超過725m水平，該排棄高度既可以滿足基底承載要求，又可以滿足邊坡穩定要求。

4.2 合理邊坡角

當設計邊坡角為11°時，PJ2剖面的邊坡穩定系數略小于1.2，因此需對整體邊坡角進行適當調整。當邊坡角調整至10°時，邊坡穩定系數為1.207，可以滿足安全儲備要求。因此在設計邊坡(邊坡角為11°)的基礎上，將內排土場600m水平寬度向前延伸10m，580m水平寬度向前延伸40m，560m水平寬度向前延伸80m；則內排土場600、580、560平盤寬度分別調整至90m、100m和110m，如圖8所示。邊坡結構參數優化后的穩定性分析結果(圖9、圖10)可知：修正后的內排土場邊坡穩定系數均大于1.2，滿足安全要求。

圖8 邊坡結構參數優化后的模型

圖9 邊坡穩定性分析結構(沿排土場內部滑動)

圖10 邊坡穩定性分析結構(沿排土場基底滑動)

5 結 論

1)排土場邊坡穩定系數隨排棄高度的增加、邊坡角的增大而逐漸降低。當排棄高度在725m水平至740m水平之間時，邊坡穩定系數變化最為明顯，單位高度內邊坡穩定系數變化最為敏感。邊坡角12°時為邊坡穩定系數的拐點；沿內排土場基底滑動時，邊坡角從11°提高到至 14°時，邊坡穩定系數變化相對較為敏感，且邊坡穩定系數全都小于或略等于1.15，排土場滑坡的可能性較大。

2)在計算基底承載力的基礎上，參考排棄高度、邊坡角與邊坡穩定性的敏感性，確定該露天礦內排土場的最終堆砌方案：排棄高度不超過725m水

平，整體邊坡角為10°，600m、580m、560m平盤寬度分別調整至90m、100m和110m，此時內排土場邊坡穩定性為1.207，既滿足了排土場增容擴高、又實現了增加經濟效益的目的。