含水弱膠結(jié)外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究

馬 力，張建國，肖雙雙，張 杰，楊 傲

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.格里菲斯大學(xué) 工程和信息技術(shù)學(xué)院，澳大利亞 昆士蘭黃金海岸 4222)

0 引 言

露天礦生產(chǎn)過程中剝離大量無用土巖，需選擇合適場(chǎng)所用作排土場(chǎng)堆置排棄物，占用大量的土地資源。從占地費(fèi)用及運(yùn)距角度考慮，露天礦剝離物實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)排是減少開采土地占用和節(jié)約生產(chǎn)成本的重要途徑，在條件適宜時(shí)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)排土[1]。然而，對(duì)傾斜礦床的露天礦而言，通常采用沿礦層傾向推進(jìn)，礦層開采深度由淺部向深部發(fā)展，由于開采初期礦層底板傾角較大，無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)排[2-3]；另一方面，當(dāng)傾斜礦層露天礦開采到底部境界時(shí)，底部空間呈水平狀，并使開采工程位置推出一定距離后方具備內(nèi)排空間。因此，傾斜露天礦在能實(shí)現(xiàn)內(nèi)排土前期需額外增置或啟用外排土場(chǎng)。外排土場(chǎng)場(chǎng)址大多選擇在靠近采場(chǎng)的空閑場(chǎng)地，且排土場(chǎng)內(nèi)物料松散、膠結(jié)程度差，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性是影響露天礦生產(chǎn)的重大安全問題[4-6]。尤其是受到大氣降雨及地表水的影響下，極易造成松散體邊坡失穩(wěn)[7-8]。

五林油頁巖露天礦年生產(chǎn)油頁巖0.6 Mt/a，主要開采6，7，8號(hào)礦層，礦層傾角7°～15°.五林河流經(jīng)礦區(qū)中部，地下水來源以大氣降水為主。礦層埋藏較淺且?guī)r石由砂泥巖和第四系構(gòu)成，巖層物理力學(xué)性質(zhì)較弱，巖石膠結(jié)物主要為泥質(zhì)膠結(jié)，特別是軟弱巖層，膠結(jié)程度較低[9-11]。該礦物料含水率在2%左右受地下水和巖層性質(zhì)影響，邊坡穩(wěn)定性問題是露天礦生產(chǎn)中最重要的安全問題[12-14]。弱膠結(jié)軟巖是在中國西部礦山白堊系、侏羅系地層中廣泛存在的一類特殊軟巖[15]，這類軟巖具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)：強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易風(fēng)化、遇水泥化、低凍脹性[16-18]。因此，由弱膠結(jié)松散物料強(qiáng)度更低，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性極難控制，分析含水條件下弱膠結(jié)物料構(gòu)成的排土場(chǎng)的穩(wěn)定性影響因素及優(yōu)化研究排土場(chǎng)參數(shù)具有重要意義。

表1 外排土場(chǎng)物料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials in external-dump

該礦外排土場(chǎng)基底巖石為第四系，巖性強(qiáng)度較低，再加上松散物料的膠結(jié)程度較差，尤其是在水的作用影響下，極易引起排土場(chǎng)變形失穩(wěn)，物料物理力學(xué)參數(shù)見表1.由于基底較軟，滑弧可穿過基底，其滑動(dòng)模式是圓弧滑坡。研究掌握影響含水弱膠質(zhì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，并依據(jù)其確定最佳排土參數(shù)，對(duì)保證排土場(chǎng)安全具有重要意義。

1 排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素分析

1.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

Bishop法是計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的一種有效的計(jì)算方法[19-20]，以極限平衡法為基礎(chǔ)，則穩(wěn)定系數(shù)表示為

(1)

圖1 Bishop法條塊受力分析Fig.1 Block stress analysis of Bishop

Bishop法的基本思想是：取條塊豎直方向的合力為零，則有

Wi+(Ti-Ti+1)-Sisinαi-Nicosαi-Uilicosαi=0

(2)

將Si=(Cli+Nitanφ)/Fs代入式(2)并整理得

(3)

將Ni的表達(dá)式代入Fs的定義式得

Fs=

(4)

(5)

式中 Wi為滑體重力；Ui為底部滑面上水的平均壓強(qiáng)；Ei和Ei+1為垂直界面上的水平反力；Ti和Ti+1垂直界面上的剪切反力；Ni為底滑面上的垂直反力。

從邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式可以看出，滑體重力和臺(tái)階坡面角是影響穩(wěn)定性的重要外部因素，而含水率的變化直接影響滑體的重度

γ=γd(1+ω)

(6)

式中 γ為邊坡土體重度，t/m3；γd為土的干重度，t/m3；ω為含水率，%.

1.2 排土場(chǎng)邊坡構(gòu)成特征

露天礦排土場(chǎng)邊坡的形成有2種典型方式：①先形成下部排土臺(tái)階，再依次向上逐水平形成排土臺(tái)階；②當(dāng)下部排土臺(tái)階發(fā)展具有最小平盤寬度后，上部排土臺(tái)階與其同時(shí)發(fā)展。排土場(chǎng)的形成方式要根據(jù)排棄物料強(qiáng)度及排土場(chǎng)基底性質(zhì)確定，從式(7)可以看出，臺(tái)階高度和平盤寬度直接影響邊坡角度的大小。

圖2 排土場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)Fig.2 Slope structure of external-dump

(7)

式中α為排土場(chǎng)最終邊坡角，(°)；h為臺(tái)階高度，m；β為臺(tái)階坡面角，(°)；b為平盤寬度，m；H為排土場(chǎng)總高度，m；n為臺(tái)階數(shù)目，個(gè)。

1.3 影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性因素

1.3.1 臺(tái)階坡面角

各排土臺(tái)階是構(gòu)成排土場(chǎng)總高度的基本單元，保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的首要任務(wù)是保持單個(gè)臺(tái)階的穩(wěn)定。分析在10 m臺(tái)階高度及干燥條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與臺(tái)階坡面角的關(guān)系，其結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨臺(tái)階坡面角的增大，穩(wěn)定系數(shù)呈負(fù)指數(shù)趨勢(shì)減小。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)與臺(tái)階坡面角的關(guān)系Fig.3 Relation of stability factor with bench slope angle

圖4 穩(wěn)定系數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.4 Relation of stability factor with moisture content

1.3.2 含水率

水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的重要因素，尤其是對(duì)弱膠質(zhì)物料而言，本身巖性強(qiáng)度較低，物料極具吸水性，坡體物料含水率的變化直接影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。分析10 m臺(tái)階高度及臺(tái)階坡面角為25°時(shí)穩(wěn)定系數(shù)與含水率變化關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，穩(wěn)定系數(shù)與含水率呈直線關(guān)系下降。

1.3.3 平盤寬度

排土場(chǎng)邊坡角為最下部臺(tái)階的坡底線與最上部臺(tái)階坡頂線的連線與水平面的夾角，平盤寬度直接影響到邊坡角度的大小。平盤寬度增大使邊坡角度變小，進(jìn)而使邊坡穩(wěn)定性有所提高(圖5)，但是卻使排土空間容量降低。

圖5 穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系與平盤寬度Fig.5 Relation of stability factor with bench flat width

1.3.4 臺(tái)階高度

為保證排土場(chǎng)的穩(wěn)定，首要的是需保證單臺(tái)階的穩(wěn)定。圖6分析了臺(tái)階高度增大對(duì)臺(tái)階穩(wěn)定性的影響，隨臺(tái)階高度的增大，臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；另外，在排土場(chǎng)總高度和排土平盤寬度不變的情況下，臺(tái)階高度的增大同時(shí)使排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性降低，如圖7所示。

圖6 單臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)與臺(tái)階高度關(guān)系Fig.6 Relation of stability factor with bench height of single bench

圖7 排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)與臺(tái)階高度關(guān)系Fig.7 Relation of dump stability factor with bench height

2 邊坡穩(wěn)定性的正交試驗(yàn)?zāi)M

為確定各因素對(duì)穩(wěn)定性的影響程度，需進(jìn)行多因素敏感性分析。假定各影響因素具有3個(gè)水平，分別為+10%，0，-10%，敏感性因素各水平值見表1.

表1 敏感性因素水平表Table 1 Sensibility factors level

各因素之間不存在相關(guān)性，按照正交試驗(yàn)原理選用表L9(34)，見表2.

表2 敏感性因素正交表Table 2 Orthogonal array of sensibility factors

從表2可以看出，由臺(tái)階坡面角25°，含水率20%，平盤寬度27 m和臺(tái)階高度9.9 m組成的方案5對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)最低。而通過極差分析，確定各因素的敏感性排序分別為：平盤寬度、臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角、含水率。

經(jīng)計(jì)算，在含水率20%條件下，五林礦排土場(chǎng)邊坡角度為21°時(shí)能達(dá)到的最低穩(wěn)定性1.2的要求。因此，五林礦排土場(chǎng)參數(shù)按照不超過21°的最終邊坡角進(jìn)行優(yōu)化。由于平盤寬度對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響程度最大，平盤寬度越大對(duì)穩(wěn)定性越有利。結(jié)合臺(tái)階高度和臺(tái)階坡面角對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響敏感性順序，并根據(jù)式(7)有：在邊坡角度一定的情況下，臺(tái)階高度越大則平盤寬度越大，臺(tái)階坡面角越大則可以增大平盤寬度及邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。

表3 多因素敏感性分析的極差統(tǒng)計(jì)Table 3 Range analysis statistics of multi-factors sensitivity analysis

圖8 五林礦排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)與邊坡角關(guān)系Fig.8 Relation of dump slop stability factor with slope angle of Wulin open-pit

在設(shè)備排棄能達(dá)到的排土臺(tái)階高度范圍內(nèi)對(duì)單臺(tái)階進(jìn)行分析，分別獲得對(duì)應(yīng)不同臺(tái)階高度且能滿足最低穩(wěn)定系數(shù)1.2的臺(tái)階坡面角，分析結(jié)果見表5，臺(tái)階高度18 m且臺(tái)階坡面角為23°確定為排土臺(tái)階最佳排棄參數(shù)。

表5 排土場(chǎng)單臺(tái)階分析結(jié)果Table 5 Stability factor analysis results for sigle bench of external-dump

依據(jù)公式(7)，確定平盤寬度為4.48 m，遠(yuǎn)低于按照排土平盤半徑最低15 m要求。以排土臺(tái)階高度18 m，臺(tái)階坡面角23°，平盤寬度15 m作為排棄參數(shù)，此時(shí)排土場(chǎng)邊坡角降低為18°，穩(wěn)定性系數(shù)能夠達(dá)到1.477.

3 結(jié) 論

1)影響含水弱膠結(jié)邊坡穩(wěn)定性的主要因素分別為臺(tái)階坡面角、含水率、平盤寬度和臺(tái)階高度；隨著臺(tái)階坡面角、含水率和臺(tái)階高度的增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，而平盤寬度的增大對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性有利；

2)通過構(gòu)建4因素3水平的正交模型，并模擬不同條件的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，通過極差分析，確定了各因素影響邊坡穩(wěn)定性的敏感排序?yàn)椋浩奖P寬度、臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角、含水率；

3)以五林油頁巖露天礦為例，對(duì)該礦以第四系為基底的排土場(chǎng)進(jìn)行了分析模擬，確定最佳排土參數(shù)為：臺(tái)階高度18 m，臺(tái)階坡面角23°，平盤寬度15 m.