扎哈淖爾露天煤礦軟弱基底排土場變形區治理研究

劉敬玉，趙立春

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業公司，內蒙古 通遼 029100）

由于排土場不能人為的自由選址，加之排土運距、征地困難和環境保護等條件限制，排土場的變形破壞、邊坡穩定性是影響露天煤礦安全生產的重要因素[1-2]。我國多數露天煤礦對排土場地未經嚴格勘察和設計，因而這些排土場邊坡時常發生失穩破壞，嚴重影響了礦山的正常生產與安全。歷史上排土場邊坡發生失穩曾有慘痛的教訓，因此有必要對現有排土場邊坡進行穩定性分析及評價，從而為采取合理的治理措施提供依據[3-6]。

1 排土場穩定性影響因素及潛在的滑坡模式

1）穩定性影響因素。排土場邊坡的內部不存在結構面，其穩定性的主要受排土場基底的工程性質、形態、排土場的高度及角度等因素的影響。排土場覆蓋范圍內基底形態大體分為近水平、順傾、逆傾3 種形態。當排土場基底面的傾向與排棄物邊坡傾向相反時邊坡穩定性較好，相同時穩定性差[7-8]。

2）潛在的滑坡模式分析。確定滑坡模式是邊坡穩定性分析的前提，排土場邊坡是由松散的碎石土人工堆積而成，因而在本質上可以認為是碎石土材料，這類邊坡的穩定性不僅取決于材料本身的強度，而且更重要受到排土場基底巖土體抗剪強度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響，如果基底為軟弱巖層而且力學性質低于排棄物料的力學性質時，則軟基底在排土場荷載作用下必產生地鼓，發展到一定程度然后導致排土場滑坡[9]。根據扎哈淖爾露天煤礦排土場現狀和基底巖性考慮，確定其以過主滑線位置的剖面為例，判斷其潛在的滑坡模式為推動式的部分切層－順層－擠出性滑動。

2 排土場數值模擬

結合軟弱基底排土場潛在滑坡模式，考慮到排土場潛在變形區破壞位置確定的復雜性，采用SIGMA/W 有限元軟件數值模擬的方法對排土場的穩定性進行分析，通過有限元法應力－應變位移云圖來判斷變形區的發展過程進而確定最危險的變形破壞區。

2.1 模型建立

根據排土場的排土現狀、軟弱基底形態和基巖頂板等高線等地層信息建立數值模擬模型，采用四邊形和三角形相結合節點有限元網格，模型共有網格1 094 個節點，1 009 個單元，模型排土場高度為70 m、砂層厚度45 m，新近系厚度9 m，南北長為1 950 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風化泥巖帶。

2.2 現狀排土場變形

通過SIGMA/W 有限元軟件數值模擬得到的軟弱基底排土場變形云圖如圖1。

圖1 軟弱基底排土場變形云圖

受第四系、新近系軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑移為主。其中模型最大滑移量為24.3 m，坡頂滑移區影響范圍0～350 m，坡底滑移區影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區影響范圍0～730 m，坡底滑移區影響范圍0～200 m。在現階段排棄高度下，邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在排土場邊坡上部的推動作用下，中、下部土體出現變形，受軟弱基底的影響，形成類橢球形的變形區，其中邊坡中部的變形區滑移量大于沉降量。

2.3 排土場穩定性

軟弱基底排土場邊坡穩定性計算結果圖如圖2。

圖2 軟弱基底排土場邊坡穩定性計算結果圖

由于前期通過擴大產能、發展建設速度和經濟原因考慮，排土場基底一般不做水文地質和工程地質勘查，這樣造成對排土場基底地層賦存、軟弱基底結構面產狀和巖性指標等情況都不甚清楚，這也增加了軟弱基底排土場邊坡問題研究的難度。在現階段排棄高度下，通過計算得到邊坡的穩定系數為0.958，處于欠穩定狀態，現狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動，當排土場邊坡暴露時間過長、大氣降雨量與降雨強度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結合實施治理工程措施。

3 排土場邊坡變形區邊坡治理

結合以往邊坡工程治理實踐可知，邊坡滑坡治理措施包括3 大類，即卸荷減載、坡角處壓腳；增強、增大邊坡巖體強度；利用三維效應，制造支擋物。扎哈淖爾露天煤礦排土場邊坡已經形成多年，對于未排之前的防治措施（破壞弱層回填巖石、爆破滑面等）來說并不適用；采用錨索、抗滑樁及擋墻等方式進行人工加固時，適用硬巖基底邊坡，不建議采用。針對軟弱基底排土場邊坡的變形，唯一有效可行的措施是對邊坡進行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進一步提高邊坡穩定性。

排土場坡坡底滑移區影響范圍0～320 m，而采、排場之間的安全距離為300 m，若在排土場坡底進行壓腳工程，將影響采場邊坡穩定。所以排土場邊坡變形區邊坡治理方案為排土場坡頂卸荷減載方案，北排場卸載方案為卸載為10、20 m 2 種。計算得出的不同卸載高度下排土場坡底位移、排土場坡頂位移、采場邊界位移和排土場穩定系數見表1。排土場邊坡卸荷減載后變形云圖如圖3，排土場邊坡卸荷減載后穩定性計算結果圖如圖4，排土場和采場不同卸載高度下變形量如圖5。

表1 不同卸載高度下排土場變形量和穩定系數結果表

圖3 排土場邊坡卸荷減載后變形云圖

圖4 排土場邊坡卸荷減載后穩定性計算結果圖

圖5 排土場和采場不同卸載高度下變形量圖

由圖5 可知，隨著排土場卸載高度的增加，排土場坡底位移、排土場坡頂位移采場邊界位移值均成減小趨勢，排土場邊坡穩定系數成升高趨勢，因此，綜合考慮排土場邊坡變形和穩定性，排土場卸載20 m，變形和穩定性均能滿足規范要求。

4 結語

1）通過有限元法極限平衡計算可知，排土場邊坡的穩定系數為0.958，處于不穩定狀態，現狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動。

2）通過排土場坡坡底滑移區影響范圍0～320 m，而采、排場之間的安全距離為300 m，若在排土場坡底進行壓腳工程，將影響采場邊坡穩定，不建議采用壓腳工程治理措施。

3）隨著排土場卸載高度的增加，排土場坡底位移、排土場坡頂位移采場邊界位移值均成減小趨勢，排土場邊坡穩定系數成升高趨勢。

4）綜合考慮排土場邊坡變形和穩定性，排土場卸載20 m，變形和穩定性均能滿足規范要求。