順傾基底高段排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)模式與控制對(duì)策

丁鑫品，李鳳明，劉博文，任 鵬

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083；）

排土場(chǎng)是露天礦山的重要配套設(shè)施，占整個(gè)礦山面積的30%～50%[1]。增高擴(kuò)容無(wú)疑是緩解排土場(chǎng)占地壓力的最有效方法，由于排棄物料一般包括腐植表土、巖石以及混合巖土，有時(shí)也包括可能回收的矸石、貧礦等，抗剪強(qiáng)度較低，隨著堆排高度的不斷增加，同時(shí)受降雨入滲、爆破振動(dòng)、基底強(qiáng)度等因素影響，排土場(chǎng)高邊坡安全問(wèn)題凸顯，一旦發(fā)生失穩(wěn)，不僅影響到礦山的正常生產(chǎn),也將使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

排土場(chǎng)在地震、爆破震動(dòng)、降雨以及人為因素作用下，坡體內(nèi)部薄弱位置抗剪強(qiáng)度抵抗不了自重的作用，逐漸發(fā)生蠕動(dòng)變形。隨著變形的逐漸增大，受牽連的土體逐漸增加，局部弱面逐漸擴(kuò)大成主滑面，隨后在邊坡后部產(chǎn)生張拉破壞，導(dǎo)致局部下沉，由于牽拉上部土體的質(zhì)量較大，在滑面的誘導(dǎo)下，對(duì)前部土體產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓作用，促使其產(chǎn)生劇烈破壞，從而促使滑面擴(kuò)張至前部土體，此時(shí)排土場(chǎng)邊坡就形成了上下貫通的滑面。根據(jù)滑面位置的不同，排土場(chǎng)的破壞模式大致可分為4 種：排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡、沿物料與基底接觸面滑坡、沿基底軟弱面滑坡以及持力層滑坡。當(dāng)排土場(chǎng)基底順傾程度較大，或者排土場(chǎng)物料與基底面之間嵌固、咬合力不足，物料與基底接觸面的摩擦強(qiáng)度低于物料本身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，極易發(fā)生沿物料與基底接觸面滑坡，此類(lèi)滑坡具有規(guī)模大、發(fā)生突然、危害嚴(yán)重的顯著特點(diǎn)[2-4]。因此，開(kāi)展順傾基底排土場(chǎng)高邊坡穩(wěn)定性與控制方法的研究。

1 研究區(qū)域工程地質(zhì)條件

平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模為22.00 Mt/a。在向東推進(jìn)的過(guò)程中，遇到樓子溝背斜構(gòu)造，煤系地層由近水平變?yōu)檠赝七M(jìn)方向順傾，煤層平均傾角8°～12°，局部最大傾角達(dá)到22°，不良地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致生產(chǎn)組織困難，工作效率低下，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡安全問(wèn)題凸顯[5]。根據(jù)整體發(fā)展規(guī)劃，剝采工作面需進(jìn)一步向工作幫下部平盤(pán)布置，同時(shí)工作幫南部要提高推進(jìn)強(qiáng)度，以加快新水平的準(zhǔn)備速度，剝離重心下移后導(dǎo)致現(xiàn)有南北幫及11#煤底板運(yùn)輸系統(tǒng)難以與新延深底部平盤(pán)搭接，物料運(yùn)輸受阻，同時(shí)，隨著南部縮界區(qū)排土平盤(pán)的逐步跟進(jìn)，礦坑總出入溝較不明晰，南部運(yùn)輸系統(tǒng)東段布置復(fù)雜，難以滿足下部剝離物料去往上部土場(chǎng)的需要。因此，亟需在北幫和南幫之間沿背斜軸延伸方向搭接1 條標(biāo)高自1 135 m 到1 300 m 的長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)缆?，由于道路南部爬升高度較大，導(dǎo)致其外側(cè)排土單臺(tái)階高度達(dá)到75 m，而該區(qū)域排土場(chǎng)基底順傾角度約為16°，對(duì)路基外側(cè)邊坡穩(wěn)定性極為不利，如果邊坡發(fā)生失穩(wěn)，將引起內(nèi)排運(yùn)輸?shù)缆分袛?，甚至發(fā)生更加嚴(yán)重的安全問(wèn)題。為此研究背斜影響區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)順傾基底高邊坡的穩(wěn)定性，提出科學(xué)合理的預(yù)控方案，對(duì)于有效緩解安太堡露天礦因復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造形成的排土壓力，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)具有重要實(shí)際意義。

2 邊坡破壞模式與穩(wěn)定性

2.1 數(shù)值分析模型和巖土體參數(shù)指標(biāo)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，基于安太堡露天礦樓子溝背斜區(qū)典型工程地質(zhì)模型（ATB-P1 剖面），建立FLAC3D數(shù)值分析模型，模型長(zhǎng)度為1 500 m，高度為350 m，由9 717 個(gè)節(jié)點(diǎn)和35 744 個(gè)網(wǎng)格組成。由于慣性和阻尼對(duì)邊坡整體的影響并不顯著，因此運(yùn)輸載荷簡(jiǎn)化為靜載施加于干道路面。通過(guò)分析邊坡水平位移場(chǎng)、豎直位移場(chǎng)、切應(yīng)變?cè)隽繄D、塑性破壞區(qū)分布圖以及位移矢量圖，揭示干道附近區(qū)域邊坡變形破壞模式，為邊坡安全定量評(píng)價(jià)和控制措施確立提供依據(jù)。模型前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以y 方向位移約束，模型左、右方向以x 方向位移約束，模型的底部以z 方向位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡。分析過(guò)程中巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則描述。

為保證研究過(guò)程中采用土體參數(shù)指標(biāo)的客觀性及合理性，基于安太堡露天礦及周邊礦井已有巖土體強(qiáng)度研究成果[6-7]，結(jié)合工程地質(zhì)類(lèi)比和滑坡反分析，獲得研究所需的各類(lèi)巖土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，分析中采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值分析中采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass used in numerical analysis

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖1。由圖1 可知，以基底順傾巖土接觸面為界，運(yùn)輸干道外側(cè)坡面距坡頂線約30 m 范圍內(nèi)剪應(yīng)力集中程度明顯，剪應(yīng)變?cè)隽康戎稻€在坡體內(nèi)呈圓弧狀，逐漸過(guò)渡為順巖土接觸面方向，最終沿坡腳處剪出。分析原因?yàn)樵撐恢眠吰聠闻_(tái)階高度過(guò)大、且基底面順傾，排棄物料與基底接觸面的摩擦強(qiáng)度低于物料本身的抗剪強(qiáng)度，受重力作用影響，物料不斷沉降壓實(shí)并發(fā)生蠕滑變形，最終發(fā)生圓弧-順層組合滑動(dòng)失穩(wěn)。

圖1 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.1 The cloud chart of shear strain increment

塑性區(qū)分布云圖如圖2。由圖2 可知，邊坡各臺(tái)階坡腳位置均存在不同程度的剪切破壞，運(yùn)輸干道外側(cè)坡體內(nèi)和坡腳巖土接觸面區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的剪切破壞和拉伸破壞，破壞塊體沿順傾基底基本貫通。這表明在實(shí)際工程中，該區(qū)域一旦發(fā)生滑坡，滑動(dòng)面將沿順傾基底剪出。

圖2 塑性區(qū)分布云圖Fig.2 The distribution cloud chart of plastic zone

水平位移云圖如圖3，豎直位移云圖如圖4。由圖3 和圖4 可知，運(yùn)輸干道外側(cè)坡體沿基底順傾面發(fā)生單臺(tái)階圓弧滑動(dòng)特征明顯，滑動(dòng)面已經(jīng)貫通，失穩(wěn)已經(jīng)成為必然，同時(shí)不能排除滑面后方排棄物料發(fā)生大范圍滑動(dòng)可能。邊坡變形失穩(wěn)模式為“圓弧-順層”坐落式組合滑動(dòng)。

圖3 水平位移云圖Fig.3 The cloud chart of horizontal displacement

圖4 豎直位移云圖Fig.4 The cloud chart of vertical displacement

2.3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

采用極限平衡分析法對(duì)排土參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs是邊分析過(guò)程中的一個(gè)定量參數(shù)，它直接關(guān)系到邊坡參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性與安全性[8-10]?！睹禾抗I(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.8 條明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍[11]，結(jié)合安太堡露天礦實(shí)際情況，選取排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs定為1.1，即Fs＜1.1 時(shí)，即認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性不滿足要求。安太堡露天礦1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果圖5。由圖5 可知，安太堡露天礦1 135～1 300 m 主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.932，明顯小于1.1，不滿足邊坡穩(wěn)定要求，若必須進(jìn)行南北幫搭路，建議采取專(zhuān)門(mén)邊坡安全控制措施。

圖5 安太堡露天礦1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.5 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road of Antaibao Open-pit Mine

3 基于反向排土的邊坡穩(wěn)定控制方法

工程地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪成果表明，安太堡露天礦內(nèi)排土場(chǎng)單臺(tái)階坡面角約為37°，保持坡面角固定，計(jì)算不同高度（20～40 m）情況下的單臺(tái)階穩(wěn)定系數(shù)Fs，在單臺(tái)階排棄高度增大至30 m 時(shí)，F(xiàn)s值開(kāi)始小于1.1，因此建議極限單臺(tái)階排棄高度為30 m。

在排土場(chǎng)基底面與邊坡面順傾時(shí)，為了保證排土作業(yè)過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定性，酌情采取反向排土工藝，通過(guò)在潛在滑坡體前緣抗滑段及其以外回填土石，主動(dòng)減小邊坡臨空面范圍、增大抗滑力，從而降低邊坡沿順傾基底發(fā)生順層滑動(dòng)的可能性[12-13]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，該區(qū)域采用反向排土，不但可以保證運(yùn)輸干道外側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，而且有利于提前釋放內(nèi)排空間，縮短排土運(yùn)距，因此決定在該區(qū)域采用反向排土工藝。排土工作分為2 個(gè)階段進(jìn)行。

第1 階段施工方案：南幫超前靠幫區(qū)首先實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，由1120 運(yùn)輸平盤(pán)西端向西升坡至1 150 m水平，之后向南升坡至1 210 m 水平，在這個(gè)期間1 135～1 300 m 水平升坡范圍內(nèi)原煤自北向南優(yōu)先采出，1 150～1 210 m 水平升坡范圍內(nèi)原煤自南向北優(yōu)先采出。

第1 階段排土為第2 階段排土提供了條件，但運(yùn)輸干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性并未發(fā)生明顯變化，第2階段排土以保證干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定為前提，基于單臺(tái)階坡面角優(yōu)化分析結(jié)果，確定第2 階段最小排棄標(biāo)高為道路外側(cè)坡頂標(biāo)高以下30 m。

第2 階段施工方案：1 135～1 300 m 水平主干道向南部延伸，至1 150 m 水平時(shí)與第1 階段1 150～1 210 m 水平坡道進(jìn)行搭接，然后不斷升坡至1 300 m 水平，同時(shí)邊坡下部區(qū)域由1 225 m 水平逐漸提升至1 270 m 水平。

通過(guò)2 個(gè)階段排土施工，運(yùn)輸干道外側(cè)邊坡高度由75 m 減少至30 m?；谠摴こ痰刭|(zhì)模型建立極限平衡分析模型，在其它條件相同的情況下再次對(duì)1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，施工結(jié)束后1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖6。

圖6 施工結(jié)束后1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.6 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road after the construction

由圖6 可知，經(jīng)過(guò)2 個(gè)階段的反向排土，1 135～1 300 m 水平主干道外側(cè)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從0.932增大至1.103，大于1.1，滿足邊坡穩(wěn)定安全要求。以上排土方案的實(shí)施，不僅保證了內(nèi)排土場(chǎng)邊坡及道路運(yùn)輸安全，而且提前解放了南幫超前剝離區(qū)排土空間3.0×107 m3，有效縮短了內(nèi)排運(yùn)距，緩解了排土征地壓力，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造效益約3 000 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益與安全效益顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)順傾基底排土場(chǎng)極易發(fā)生沿物料與基底接觸面順層滑動(dòng)的問(wèn)題，以背斜構(gòu)造影響下的安太堡露天礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡為例，建立數(shù)值分析模型，通過(guò)對(duì)剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布及位移特征進(jìn)行綜合分析，探明順傾基底排土場(chǎng)邊坡變形失穩(wěn)模式為“圓弧-順層”組合滑動(dòng)。

2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出了基于反向排土的順傾基底排土場(chǎng)高邊坡穩(wěn)定控制方法，通過(guò)分階段排土施工，將運(yùn)輸干道外側(cè)邊坡高度由75 m 減小至30 m，不但保證了邊坡安全，而且提前釋放了內(nèi)排空間，有效縮短了內(nèi)排運(yùn)距。