有限排土空間增高擴容及安全控制研究

楊海春，孫 寬，閆 杰，周 游

（1.中煤平朔集團 東露天礦，山西 朔州 036006；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.煤炭科學技術研究有限公司 安全分院，北京 100013）

排土場增高擴容可有效擴大其收納能力，降低土地的占用量，進而減少運距節，降低運營成本。在保證邊坡安全基礎上，如何實現內排土場的增高擴容，進而發揮其最大經濟效益，是排土場增高擴容的核心問題。蘇文賢[1]在早期介紹了國外露天礦高臺階排土技術的發展，介紹了高臺階排土場變形特征及其控制方法;蔡明祥[2]分析了黑山露天煤礦北排土場變形模式，運用極限平衡法對增高擴容后方案進行穩定性計算，確定了合理的安全系數；王俊[3]和楊秀等[4]分別以安太堡露天礦南寺溝排土場擴容為例，分一樣黃土基地的承載力特征與單臺階高度、邊坡角與穩定性的關系；馬明等[5]通過研究單臺階排土參數，提出了適合于排土場邊坡參數的優化方法；孫家愷[6]通過分析黃土基底增高問題，研究了外排土場附加應力引起穩定性變化；羅懷廷等[7]和周永利[8]針對哈爾烏素露天煤礦內排土場增高問題，對基底工程地質勘察，確定了基底巖土體物理力學推薦指標，分析了擴容階段存在的破壞模式及排土場承載高度與穩定性關系；李偉[9]運用數值模擬方法分析了陰灣排土場邊坡變形破壞機理；張巖等[10]在工程與水文地質條件基礎上，建立外排土場工程地質模型，采用數值分析和極限平衡分析方法，研究了排土場變形破壞模式及失穩機理，及邊坡穩定性，提出了邊坡變形破壞的防治措施。以上研究排土場邊坡安全問題，使用數值模擬方法，分析排土場的破壞區域和變形規律，采用極限平衡計算方法，驗算排土場穩定性規律；而對排土場基底承載能力控制下的排棄高度及變形特征未進行深入研究。為此，研究排土場第一級臺階高度與基底的承載能力關系特征、變形邊界及安全系數選取原則，并結合現場實例，分析影響排土場的主要因素及排土安全控制技術。

2 基底承載力及排棄高度

1）基底承載力。基底承載力可由載荷試驗或其他原位測試、公式計算，并結合工程實踐經驗等方法確定。巖石地基承載力標準值fa為：

式中：Frk為飽和單軸抗壓強度標準值，kPa；ψr為折減系數，取值范圍為0.5～0.1；fa為巖石地基承載力標準值，kPa。

2）排棄高度。內排土場安全主要由內排土場基底穩定性和排棄物料內部穩定性構成，在近水平露天礦山中，由于生產工藝特征，內排土場隨采礦活動影響向前移動，形成移動式排土場。若按照“建筑地基基礎設計規范”標準設計時，強度折減系數ψr為0.5，對應基底儲備系數Kj為2，對于近水平動態變化的內排土場，存在選取保守問題。在露天煤礦相關規范中要求服務期限小于10 年內排土場邊坡穩定K 為1.2，排土場位于基底上部。因此，考基底儲備系數Kj選取應大于內排土場邊坡穩定系數K，選取Kj為1.3，則折減系數ψr應為0.77，確定的地基承載力。由式（2）可以反算第一級臺階的許可排棄高度值h。

式中：r 為排棄物料密度，t/m3；h 為內排土場排棄高度，m。

3 工程實例

3.1 排土場工程現狀

平朔東露天礦地層傾角2°～7°，屬近水平露天礦山，采深200～220 m，最下層可采煤層底板標高為1 140 m，已實現全內排作業。內排土場基底主要為泥巖－砂巖互層組，煤層直接底板為泥巖層，厚約為5 m，其下為10 m 厚砂巖層。礦區工程地質模型圖如圖1。

圖1 排土場工程地質模型圖

排土場基底砂巖破壞荷載為89.754 MPa，黏聚力為3.11 MPa，摩擦角為33.7°，抗拉破壞荷載1.842 MPa，為內排土場主要持力層；煤層底板泥巖飽和抗壓強度為2.50 MPa，屬于軟弱巖層。

礦區剝離巖體主要為泥巖與砂巖類，原巖經過爆破、采裝、排棄等環節，排棄巖塊尺寸一般分布在0.2 m3以下。礦區標準排棄高度30 m，排土平盤寬度40 m，按設計高度排土時，巖塊分層不明顯。

排土物料為松散巖體，安息角既為排氣物料的摩擦角，通過測量坡堆角度可獲取摩擦角強度。現場測量，排土場高段臺階高度為60～90 m，臺階角度為26°～38°，整體邊坡角約為13°～16°左右。第1 級臺階高度91 m，第2 級臺階高度25 m，2 級臺階之間排土平盤臺階寬度僅為7 m，形成組合排土臺階。在冬季第2 級臺階保安平盤形成多條平行裂縫，分布位置主要位于排土臺階邊緣、平盤中部及第3 級臺階下部，每段長度超過20 m，沿排土平盤裂縫寬度約25～30 cm 。

3.2 內排土場高段排土臺階穩定性

內排土場高段排土臺階穩定性分析如圖2，排土場排棄物料密度2.04 t/m3，基底為泥巖層，軟弱層，載荷強度2.50 MPa，由式（2）理論極限高度為：122.5 m。若基底安全系數選取為2 時，軟巖基底對應排棄高度為61.25 m；安全系數設計為1.3 時，對應高度為94.2 m。現場排土第1 級臺階91 m，符合地基承載力驗算要求。使用SLOPE 軟件，采用極限平衡方法，對現狀排土場邊坡進行穩定性分析。分別模擬了現場邊坡在第1 級臺階出現裂縫，第2 級臺階在中部和臺階最內側區域形成裂縫時邊坡的穩定性。現狀邊坡臺階上部出現裂縫邊坡處于變形階段，邊坡穩定性系數選取在1.0～1.05。

圖2 內排土場高段排土臺階穩定性分析

通過計算可知：第1 級臺階排棄物料內部滑動時穩定系數為1.039，處于變形階段；第2 級臺階中部滑動時穩定性為1.054 處于滑動邊緣；而第2 級臺階沿排土場中部-基底型滑動時穩定性為1.160，沿最內側滑動時穩定性為1.120。內排土場邊坡滑動時的主要滑動模式為排棄物料內部滑動型，沿基底滑動穩定系數大于排棄物料內部的滑動模式；同時，排棄物料滑弧隨滑動面長度和埋深越深的增加，邊坡穩定性越高。排土場變形主要為為排棄物料強度不足承擔排土強度而誘發的排棄物料內部滑動，而裂縫主發生在冬季，因此，冬季氣溫降低影響了排棄物料摩擦角強度，致使排土場形成裂縫。

3.3 排土場單臺階增高分析

單臺階排棄段高為30、60、90、120 m 時，排棄物料內摩擦角從25°～35°過程中臺階排棄高度與內摩擦角之間的穩定性關系如圖3。

圖3 臺階高度與內摩擦角對應穩定性

由圖3 可知：內摩擦角度相同時，排棄臺階越高，排土場穩定性越低；排棄臺階高度相等時，內摩擦角越小穩定性越低。單臺階高度和摩擦角與邊坡安全系數構成單面函數。結合現場臺階邊坡角26°～38°，單臺階排棄高度越小，臺階角度越大；礦區第1 級臺階排棄90 m 時，分析對應內摩擦角最小為28°以上。

排棄邊坡角為25°、27°、29°、32°、35°時，單臺階高度與邊坡角關系圖如圖4。由圖4 可知：排棄角度相同時，單臺階排棄高度越高，則邊坡穩定性越低；單臺階排棄高度相同時，臺階排棄角度越大穩定性越低。

圖4 單臺階高度與邊坡角關系圖

排棄臺階由于坡面排棄物自鎖，其穩定性為1.0；考慮礦區排棄設備為大型設備，考慮高段排土時設備安全作業問題，建議設備卸排區域穩定性應達到1.1 以上。通過臺階高度與坡面角度關系，可知單臺階在60 m 以下時，可以直接進行排土作業。在90 m 高段排土及以上排土時，排土場自鎖邊坡角為35°，卸排區域穩定性大于1.1 時對應角度為31.5°，即90 m 高段對于安全卸排距離為30 m。

因此，在高段排土時，為保證車輛及排土設備安全，建議排土留設卸安全距離，安全距離根據排土高度進行留設。

4 排土場穩定性安全控制方法

1）排土場基底處理。內排土為巖石基底，不存在松軟土層問題，但由于爆破、車輛碾壓及礦坑底部匯水坑等不利條件影響，破壞基底巖體的完整性，需要對基底進行清理。

2）高段排土禁止一坡到底。采用分層排棄。一坡到底排棄易形成巖塊按照粒徑分層，排棄物料形成不良土體，易形成不均勻沉降。采用分層排棄，逐層壓實，減少巖塊分層，減輕后期非均勻沉降。

3）控制排土推進強度。排土場在排棄初期形成較大沉降位移，每個分層臺階充分固結后，再進行增高排土。

4）排土場周圍修筑排水系統。禁止在排土平臺修建放水口。

5）坡腳修建防滾石擋墻，防止對下部作業設計及人員造成傷害。

6）加強排土場巡查及監測工作，出現變形及裂縫及時處理。

5 結語

1）通過研究地基承載力可以理論計算排土場高度。對平朔東露天礦內排土場增高進行了研究，基底承載力安全系數1.3 時，第1 級臺階排土高度94.2 m。

2）內排土場基底為11#煤底板巖層，地層為泥巖-砂巖互層組結構，內排土場直接基底為泥巖層，1 級、2 級組合臺階高度為116 m，現狀排棄物料內部穩定性為1.054，而沿深部泥巖層滑動時穩定性為1.160。

3）以單臺階排棄高度為基礎，分別研究了排棄物料摩擦角與單臺階坡面角與排棄高度的關系，確定了高段排土時，安全排土距離和排棄高度。