新疆天池能源南露天煤礦高段排土場建設方案

董蒙蒙

（新疆天池能源有限責任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

排土場是露天煤礦重要組成部分[1]，近水平露天煤礦和橫向開采的傾斜露天煤礦有在采場內部建立內排土場的條件，內排土場相對外排土場具有運距短、占地少等特點[2]，并可以在露天煤礦開采過程中起到對端幫的控制作用[3]，其建立對礦山具有積極意義。但露天煤礦內排土場排土重心往往低于工作幫剝離重心[4]，排棄過程存在物料下運問題，一般采場上部工作平盤工作線較長，剝離物料下運時折返次數少，視野開闊，運輸過程中安全風險低。而采場下部工作平盤工作線短，運輸過程中折返次數多，運輸起點與終點高差大，存在較大安全隱患。因此，在排土場下部建立高段排土臺階在解決物料折返下運問題中有著重要意義，同時能夠有效對排土容量提高。現有研究中，王光進[5]對德興銅礦高臺階排土場展開研究，借助元胞自動機模擬了高臺階排土場的粒徑分級的不均勻與隨機性；田華[6]采用有限元模擬分析準東露天礦不同形態排土臺階最大安全高度；宋仁忠[7]根據排土場重塑特點對邊坡進行分層，提高了排土場建模和穩定性評價準確度，得到潛在危險滑面整體向上部偏移的現象。現有研究中鮮有改變內排土場部分臺階最大排棄高度研究，主要受制于剛體極限平衡法和有限元法在散體邊坡計算中的局限。為此，以新疆天池能源南露天煤礦內排土場高段排土場建設為背景，通過離散元數值模擬手段驗證不同高段排土場建設方案下的邊坡穩定性。

1 工程背景

天池能源南露天煤礦露天礦2019 年以前在首采區自北向南進行縱向開采，沿煤層底板降深，北幫為底幫、南幫為工作幫、東西兩側為端幫。2019 年底完成采區直角轉向后，東幫緩幫為工作幫、南北兩側為端幫，在原西幫邊坡建立內排土場。根據《新疆天池能源有限責任公司準東大井礦區南露天煤礦一期工程初步設計》中要求，西幫內排土場單臺階最大排棄高度為30 m，排土平盤寬度為75 m，物料自然安息角（即臺階坡面角）為33°。根據2020 年11 月驗收圖，內排土場最大排棄標高為565 m 水平，坑底為325 m 水平，坑底長度100 m，內排土場總高度240 m，邊坡角15.23°，由7 個30 m 臺階、1 個15 m 臺階、1 個10～20 m 的臺階組成，其中10～20 m 臺階排土標高為340 m 水平，臺階高度伴隨底板變化。南露天煤礦內排前后采場變化如圖1。

2 試樣力學參數

排土場是破碎顆粒在重力作用下膠結形成的散體邊坡[8]，內部裂隙發育，離散元數值模擬方法能夠很好體現這一特性。離散元基本思想和有限單元法相似，即先將研究對象視為由若干微小單元構成，再進行求解。但是離散元具有離散性，運動過程中，顆粒間允許接觸與分離，單元間不要求滿足幾何連續和變形協調條件，適合大變形和非連續介質結構問題求解[9]。離散元求解時不需要假定本構關系，介質力學本構關系體現在顆粒間細觀接觸。顆粒間相互作用力滿足力和位移關系，每個顆粒運動則根據所受不平衡力和不平衡力矩按牛頓第二運動定律確定。選用離散元作為排土場邊坡數值模擬方法中，顆粒間接觸選用線性接觸黏結模型，離散元線性接觸黏結模型與力學元件如圖2。

采用離散元法進行邊坡穩定性計算前需要對排土場物料進行物理力學試驗，獲得試樣彈性模型、抗壓強度等力學特性，而后通過模擬軟件進行相同尺寸比例下的力學試驗，還原實驗室試驗過程與應力-應變曲線，得到顆粒間細觀參數：有效模量、剛度比、拉伸強度、剪切強度及摩擦系數。

實驗室試驗分為2 部分，單杠桿固結試驗和無側限抗壓強度試驗。單杠桿固結試驗所選用WG-1型單杠桿固結儀，模具內徑50 mm，對內排土場獲取試料進行相似級配縮尺處理后進行分級加載固結試驗，每級加載76 kPa，在試樣不再產生沉降后加載下一級載荷，并保證試樣在最大載荷加載的時間滿足24 h。試驗中最大載荷結合排土場現狀分為9 級，這種方法的計算結果能夠更貼合排土場現場情況[7]。以往測試中可得南露天煤礦排棄物料密度為1.98～2.21 g/cm3[10]，為簡化試驗設計，密度取為2.00 g/cm3，重力加速度取10 N/kg，固結試驗中最大載荷以重塑壓力600 kPa 作為分層依據，為細化計算結果將表層按600 kPa 分為3 層，排土場不同深度試樣上覆載荷見表1。

表1 排土場不同深度試樣上覆載荷

試樣固結重塑后脫模并切削成高度100 mm 的標準試樣，進行無側限單軸抗壓試驗，試驗選用WDW-300 型微機控制電子式萬能試驗機，以位移控制方式進行加載，試驗速度0.5 mm/min，結束方式為9.5%應變率。數值模擬選用室內試驗相同的加載速率和結束條件。通過室內試驗與數值模擬得到試樣力學參數，不同固結壓力下土石混合體細觀參數見表2。

表2 不同固結壓力下土石混合體力學參數

3 西幫既有內排土場邊坡穩定性分析

采用強度折減法對邊坡安全穩定性系數進行計算，在離散元邊坡模型中，影響穩定性的參數主要為顆粒間的拉伸強度、剪切強度與摩擦系數。同時折減這3 個參數直至邊坡達到臨界破壞狀態，此時折減系數為邊坡安全穩定系數。在邊坡臨界破壞狀態判斷中，離散元一般采用位移分析法[9]，通過累計位移確定邊坡破壞程度。參考南露天煤礦一號邊坡雷達對北幫相對固定的內排土場所設定報警閾值，將坡面速度超過0.005 m/h 作為內排土場失穩判據。西幫內排土場邊坡穩定性計算如圖3，內排土場邊坡不同折減系數下各區域平均速度曲線如圖4。

圖4 內排土場邊坡不同折減系數下各區域平均速度曲線

西幫內排土場邊坡剖面中可得邊坡共由9 種不同類型物料組成，西幫排土場邊坡監測區域如圖3（a）。通過強度折減法計算得到西幫排土場邊坡的安全穩定系數為1.223，在折減系數為1.224 時計算得到位移云圖如圖3（b）。圖3（b）中，邊坡在565～460 m 水平排土臺階產生位移較大，在0.021～0.056 m之間。滑體后緣滑移，并從490 排土場的坡底處剪出，致使490 排土臺階出現小范圍滑坡，坡腳處位移量為0.105～0.140 m。

由圖4 可知，折減系數為1.223 時各區域平均速度在短暫增大后降低，在25 000 步時均小于0.005 m/h。折減系數為1.224 時，490 排土場平均速度在5 000～15 000 計算步長時出現小規模波動，表現出單臺階小規模滑坡特征。

4 西幫高段排土方案

西幫邊坡經過穩定性計算后，進一步對排土場高段排土方案展開討論，目前南露天煤礦剝離物下運高程一般在15～45 m。由于南露天煤礦在采區轉向后對南端幫進行了靠幫開采，南端幫下部400、370 m 水平煤臺階被收為5 m 保安平盤，原經端幫運輸的物料需從工作幫進行折返運輸運往內排土場。結合露天礦2020—2021 年采排計劃，得到工作幫400、385 m 水平臺階共有2.9 萬m3物料需要以這種方式運往最下部340 排土臺階，下運高程分別為60 m 和45 m。同時采場下部空間有限，運輸期間車輛面臨重車下坡、視野受限、與運煤卡車交匯等問題，因此高段排土場建設首先要考慮如何降低安全風險。

根據礦山實際情況提出3 種高段排土方案：①方案1：建立370 m 水平45 m 排土場；②方案2：建立370 m 水平45 m 排土場后建立595～550 m 水平45 m 排土場；③方案3：建立370 m 水平45 m 排土場后建立580～550 m 水平30 m 排土場。方案1 用來降低礦山運輸安全風險，方案2、方案3 用來提高南露天煤礦內排土場排土容量。

4.1 方案1

方案1 是在西幫邊坡的模型的基礎上，并段370、340 m 水平排土臺階，建立370 m 水平45 m 高段排土臺階。通過強度折減法計算得到方案1 工況下邊坡安全穩定系數為1.216。方案1 中不同折減系數邊坡位移云圖如圖5，方案1 不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線如圖6。

圖5 方案1 中不同折減系數邊坡位移云圖

圖6 方案1 不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線

不同折減系數下邊坡位移云圖的變化較為微小，均表現出邊坡上部（565～520 排土臺階）位移較大，位移量在0.1～0.2 m。同時在460 m 水平排土臺階處有少數顆粒滾落至坡底，出現與未進行高段排土時西幫邊坡類似的小范圍滑坡。參考不同折減系數下各區域平均速度曲線同樣得到：折減系數為1.216 時，各區域的邊坡速度在2 500 步長之后收斂，平均速度曲線波動較小；折減系數為1.217 時，460 排土場平均速度在5 000 步長之后升高，表現出滑坡特征，平均速度最大為0.352 m/h。

4.2 方案2

在驗證得到方案1 具有可行性后，方案2 提出建立595 m 水平45 m 排土臺階。通過計算得到方案2 工況下，邊坡安全穩定系數為1.168。邊坡在折減系數為1.169 時在595 m 水平排土臺階發生滑坡。方案2 中不同折減系數邊坡位移云圖如圖7，方案2不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線如圖8。

圖7 方案2 中不同折減系數邊坡位移云圖

圖8 方案2 不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線

由圖7 可知，折減系數為1.168 時，邊坡位移集中在0.02 以內，存在595 排土場坡頂為剪入口、400排土場坡腳為剪出口形成圓弧形滑坡運動趨勢。折減系數為1.169 時，595 m 水平排土臺階發生滑坡，顆粒位移22.4～32 m，并有向520、490 排土場形成更大范圍滑坡趨勢。

由圖8 可知，折減系數為1.168 時，邊坡各區域速度曲線與之前類似，即在10 000 步長之前速度提高，此后開始收斂。折減系數為1.169 時，595 排土場坡面處速度在5 000 步長后不斷提高，12 500 步長時達到最大值1 179 mm/h，550 m 水平排土臺階速度在7 500 步長后也開始增大，在18 700 步長時達到最大值236 mm/h。同時，520、490、460 m 水平排土臺階坡面速度均有一定提高，邊坡呈整體滑動趨勢。

4.3 方案3

方案3 是在方案2 基礎上，將595 m 水平排土臺階由45 m 降低為30 m，由580 m 水平開始進行內排。計算得到安全穩定系數為1.209，邊坡在折減系數為1.210 時580 排土場失穩，影響580、550 m水平與490 m 水平排土臺階，邊坡破壞程度相比方案2 較小。方案3 在不同折減系數下的位移云圖如圖9。方案3 不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線如圖10。

圖9 方案3 在不同折減系數下的位移云圖

圖10 方案3 不同折減系數下邊坡各區域平均速度曲線

方案3 中邊坡在1.209 的折減系數下表現出穩定的特征。在折減系數為1.210 時，580 排土場首先出現失穩特征，平均速度曲線波動幅度較大，限制計算時間結束時速度仍在257 mm/h。同時，在計算過程中490 排土臺階速度在11 000 步長時也出現一定提高，剩余區域較1.209 折減系數時平均速度曲線提升較大。

4.4 3 種方案對比

對比3 種高段排土方案可知：方案1 中工作幫物料運輸計算得到共節省運輸費用20.4 萬元，可在同年短期增大排土容量7 075 萬m3，有效解決了采場下部重車下坡與車輛交匯問題；方案2 在方案1的基礎上，得到595 m 水平排土臺階建成后預計在首采區可多容納物料5.13 億m3；方案3 在方案1 的基礎上，得到580 m 水平排土臺階建成后預計在首采區可多容納物料3.47 億m3。

從安全與經濟的角度出發，最終優選方案3 為高段排土場建設方案。

5 結語

1）通過離散元法對邊坡穩定性計算，能夠結合邊坡雷達速度報警閾值來判定邊坡失穩狀態，邊坡在失穩時速度曲線與穩定時差異較大，可通過此方法得到邊坡的安全穩定系數。

2）現有西幫內排土場邊坡安全穩定系數為1.223，建立370 m 水平45 m 排土臺階后安全穩定系數為1.216，在下部建立高段排土臺階對邊坡整體穩定性影響較小。

3）結合西幫內排土場與3 種高段排土方案的滑坡位置與模式可得，滑坡范圍集中在460 排土臺階上部，并在595 m 水平建立45 m 高段排土臺階后邊坡有整體滑動趨勢，邊坡上部建立高段排土臺階對邊坡整體穩定性影響較大。

4）高段排土方案中優選方案3 作為最終高段排土場建設方案，方案在下部建立高段排土臺階能夠有效解決物料下運與卡車交匯問題，并在短期內提高內排土場容量，在上部建立30 m 排土臺階可以長期提高排土容量。