內(nèi)蒙某礦內(nèi)排土場穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

魯 寧，韓 猛，于 玲，陳亞飛，馬詩文

（1．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2．煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

剝離工作是露天煤礦正常生產(chǎn)不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)。一般大型露天礦的剝離土方量要比采出的煤炭量大出數(shù)倍[1]。剝離土方的排棄需要占用大量的運輸車輛及人力；同時，外排土場還會占用大面積的耕地造成環(huán)境污染。相比之下，內(nèi)排土場相對于外排具有節(jié)省運距和勞動成本，減少耕地占用等優(yōu)勢。因此，無論從經(jīng)濟效益角度還是從安全生產(chǎn)角度，對露天礦內(nèi)排土場穩(wěn)定性給予準確的評價顯得尤為重要。

1 工程概況

研究區(qū)煤田出露地層由下往上主要有：中生界白堊系下統(tǒng)龍江組（K11）的陸相中酸性火山-沉積巖組合，白堊系下統(tǒng)梅勒圖組（K1m）的中基性火山巖夾中酸性火山碎屑巖及火山碎屑沉積巖（主要巖性為氣孔狀、杏仁狀、致密塊狀玄武巖、安山玄武巖及少量碎屑巖），白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）的含煤碎屑巖層，白堊系下統(tǒng)伊敏河組（K1ym）的含煤地層及第四系海拉爾組（Qh）的松散沉積物。

研究區(qū)主要可采煤層為9#煤層：9#煤層發(fā)育在礦區(qū)西部，其賦存形態(tài)呈盆地狀，是本區(qū)的主采煤層，可采面積約7.68 km2，占含煤面積97．91%，埋藏深度最小22．0 m，最大270．0 m，平均138．93 m。煤層可采厚度最小5．10 m，最大50．94 m，平均31．94 m。煤層結(jié)構(gòu)復雜，含有1～9 層夾矸，夾矸厚度在0．35～8．48 m 之間，平均2．94 m，夾矸巖性多為碳質(zhì)泥巖。煤層的變化趨勢總體上看是中部及東北部較厚，向西及西南部煤層厚度逐漸變薄，該煤層屬局部可采的基本穩(wěn)定煤層。煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖。

煤層整體開采方向為自東向西逐漸降高開采，由于邊坡穩(wěn)定性較差，因此在東部內(nèi)排土場最低端留有一定厚度的支擋煤壁作為防止內(nèi)排下滑的一種手段?，F(xiàn)狀內(nèi)排示意圖如圖1。

圖1 現(xiàn)狀內(nèi)排示意圖

2 內(nèi)排土場穩(wěn)定性分析

2.1 內(nèi)排土場破壞模式

研究礦區(qū)內(nèi)排土場屬于順傾巖層，基底順傾的排土場邊坡的破壞模式共有3 類： 第1 類就是沿排土場內(nèi)部發(fā)生的滑移破壞[2]，這類破壞一般多發(fā)在處于梅雨季節(jié)的排土場，由于降雨的下滲造成排土場排棄物力學指標下降，正常條件下較穩(wěn)定的邊坡在雨水下滲和破體內(nèi)地下水滲流的作用下發(fā)展成為欠穩(wěn)定邊坡，最終發(fā)生滑坡變形；第2 類是沿著排土場基底的滑移破壞[3]，該類變形破壞的前提條件是排土場下部具有不透水的軟弱巖層，一般為軟弱泥巖層,在正常干燥條件下，泥巖的強度較大，此時排土場的穩(wěn)定性較高, 當降雨進入排土場內(nèi)部后對排土場基底部不斷浸泡，泥巖在雨水的浸泡下強度不斷降低，形成軟弱滑動帶發(fā)生滑移；第3 類是沿著排土場基底內(nèi)部的滑移破壞[4]，由于排土場基底巖層并不均勻，可能在基底以下一定深度存在軟弱夾層,在排棄高度不斷增加的情況下，排土場存在著沿著基底內(nèi)部的軟弱夾層滑移，并在基底最薄弱區(qū)沿一定的剪切角剪出的破壞形式。

2.2 內(nèi)排土場穩(wěn)定性

預留煤柱雖然可以起到安全的作用，但是在煤柱回首時會造成一定量的壓煤損失，考慮到這一點，對于排土場設計應首先考慮在不預留支擋煤壁的條件下內(nèi)排土場的穩(wěn)定情況，設計的內(nèi)排示意圖如圖2,設計內(nèi)排計算結(jié)果如圖3～圖5。

圖2 設計的內(nèi)排示意圖

圖3 沿排土場內(nèi)部滑移

圖4 沿排土場基底滑移

圖5 沿排土場基底內(nèi)滑動

當沿著排土場內(nèi)部滑動時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.304(圖3)；當沿著排土場基底滑動時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.893（圖4）；當沿著排土場基底內(nèi)部弱層滑動時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.974（圖5）。根據(jù)計算結(jié)果可知沿排土場內(nèi)部滑移的穩(wěn)定性系數(shù)滿足永久內(nèi)排土場1.30 的安全儲備要求，說明該內(nèi)排土場設計邊坡角較為合理。沿排土場基底和基底內(nèi)弱層的穩(wěn)定性系數(shù)達不到極限平衡狀態(tài)1.00 的要求，說明由于排土場底部基巖巖性較差，使得排土場在未采取任何加固手段或措施的前提下直接排棄，不能滿足安全儲備要求。

2.3 內(nèi)排土場方案優(yōu)化

由于設計邊坡不能滿足安全儲備要求，因此考慮采用合理手段對排土場進行優(yōu)化從而提高排土場的穩(wěn)定性使其滿足安全儲備的要求。在順傾邊坡開挖活動中，下部煤體對不僅整體邊坡起到支撐作用，而且對媒體下部巖體還起到了一定的壓腳配重作用。一旦下部煤體開挖，上部邊坡在失去支撐力的作用后會產(chǎn)生向下的變形趨勢，在這種趨勢的作用下坡腳底部會產(chǎn)生相應的應力集中區(qū)，當上部媒體被挖走，這種應力集中超出上部覆蓋巖體所能承受的強度極限，產(chǎn)生沿坡腳的剪出變形，發(fā)生滑坡?；谙虏棵后w對上部邊坡的支撐作用，及對下部巖體的配重壓腳作用，此次對內(nèi)排土場的優(yōu)化采用預留一定寬度和厚度的安全煤壁來提高內(nèi)排土場的穩(wěn)定性。內(nèi)排優(yōu)化示意圖如圖6，內(nèi)排優(yōu)化計算結(jié)果如圖7～圖10（預留15、20 m 安全煤壁結(jié)果圖略）。

圖6 內(nèi)排優(yōu)化示意圖

圖7 沿排土場基底滑動（預留10 m 安全煤壁）

圖8 沿排土場基底內(nèi)滑動（預留10 m 安全煤壁）

圖9 沿排土場基底滑移（預留25 m 安全煤壁）

圖10 沿排土場基底內(nèi)滑動（預留25 m 安全煤壁）

通過計算可知，以現(xiàn)狀煤層所在標高為準，當預留10 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=0.989（圖7），沿排土場基底內(nèi)部弱層滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=0.998（圖8）；當預留15 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=0.997，沿排土場基底內(nèi)部弱層滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.000；當預留20 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.061，沿排土場基底內(nèi)部弱層滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.002；當預留25 m 安全煤壁時，排土場沿基底滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.085（圖9），沿排土場基底內(nèi)部弱層滑動的穩(wěn)定性系數(shù)為Fs=1.054（圖10）。各條件下穩(wěn)定性系數(shù)表見表1。

表1 各條件下穩(wěn)定性系數(shù)Fs 表

2.4 內(nèi)排土場穩(wěn)定性分析

根據(jù)變形圖可以看出內(nèi)排土場無論沿基底發(fā)生變形還是沿基巖內(nèi)部弱層發(fā)生變形，其剪切口位置均位于預留安全煤壁以下，說明即使是10 m 寬的安全煤壁也起到了防治內(nèi)排土場將煤壁剪斷發(fā)生滑坡的可能[5]。但作為起壓腳配重作用的煤壁[6]，只有當煤壁寬度達25 m 時，其內(nèi)排土場穩(wěn)定性方可達到1.054，滿足臨時邊坡1.05 安全儲備[7]要求。因此對內(nèi)排土場的排棄方案，采用在內(nèi)排土場底部預留25 m 安全煤壁作為支擋，其上部的排棄方式不變的方法來提高內(nèi)排土場的穩(wěn)定性系數(shù)。

3 意見與建議

1）由于預留安全煤壁選擇的安全儲備為1.05，即臨時邊坡的安全儲備，因此宜在將煤壁回收后迅速回填并完成底部內(nèi)排起到壓腳的作用[8]。

2）應在排土場布置若干監(jiān)測點實時監(jiān)測排土場的整體變形情況[9]。

3）在排土過程中應做好防排水工作，雨水對排土場基底的浸泡會造成基底泥巖的軟化影響內(nèi)排土場的穩(wěn)定性，因此應在排土之前事先設置好截水溝引流渠等防水構(gòu)筑物[10]。

4 結(jié) 語

1）設計邊坡沿排土內(nèi)部滑動的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.30 的安全儲備要求，內(nèi)排土場邊坡角設計較為合理不需要另做調(diào)整。

2）設計內(nèi)排土場沿基底滑移和基巖內(nèi)部弱層滑移的穩(wěn)定性系數(shù)小于1.00 屬于不穩(wěn)定邊坡，因此采用預留安全支擋煤壁手段來提高邊坡穩(wěn)定性。

3）通過計算可知當預留的支擋煤壁寬度達25 m時邊坡整體的穩(wěn)定性系數(shù)大于1.05 臨時邊坡的安全儲備要求，因此選擇在內(nèi)排土場坡腳預留25 m的支擋煤壁作為優(yōu)化方案來提高邊坡整體穩(wěn)定性。