扎哈淖爾露天煤礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化研究

趙立春，王 崇，張佳琦，韓龍啟

（1.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古扎魯特旗 029100；2.霍林河露天煤業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古霍林郭勒 029200）

排土場邊坡穩(wěn)定性問題既是一個(gè)安全問題，又是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題[1]。排土場最終幫坡角越大，拋棄高度越大，排土場排棄量越大，占地越少，經(jīng)濟(jì)效益越好，但滑坡可能性增大，安全性下降，對露天礦安全生產(chǎn)及周邊設(shè)施的安全影響較大，反之亦然[2-3]。因此，對于露天煤礦而言，排土場邊坡穩(wěn)定不容忽視，合理的排土場邊坡形態(tài)是確保露天礦安全、持續(xù)生產(chǎn)及減少土地資源浪費(fèi)的前提和基礎(chǔ)。如何根據(jù)礦區(qū)特有的工程地質(zhì)條件，研究并掌握排土場邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制，科學(xué)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，優(yōu)化合理邊坡的形態(tài)，有效控制成本，提出合理的排土場優(yōu)化方案是采礦工程技術(shù)人員亟待解決的重大問題[4-6]。

1 工程背景和方法及參數(shù)

隨著扎哈淖爾露天礦內(nèi)排逐步推進(jìn)及重心向西發(fā)展，再加上南幫壓腳工程實(shí)施，導(dǎo)致內(nèi)排土場中下部局部邊坡角較大，對其邊坡穩(wěn)定極其不利，同時(shí)內(nèi)排土場物料為松散體，力學(xué)性能差，邊坡高陡存在一定的潛在滑坡危險(xiǎn)，為消除潛在滑坡帶來的安全隱患，切割了東西走向方向。

1）巖土層及煤層分布及特征。通過采場邊坡揭露情況和現(xiàn)場踏勘結(jié)果可知，內(nèi)排土場巖層、巖性分布與基底產(chǎn)狀簡單，典型地質(zhì)計(jì)算剖面如圖1。

圖1 典型地質(zhì)計(jì)算剖面圖

2）巖體物理力學(xué)參數(shù)。結(jié)合西安煤科院試驗(yàn)結(jié)果、扎哈淖爾露天礦初步設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)及遼寧工程技術(shù)報(bào)告，綜合確定到界北幫北邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用的巖體物理力學(xué)指標(biāo)，巖體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

3）安全儲(chǔ)備系數(shù)。按照GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，依據(jù)內(nèi)排土場邊坡的服務(wù)年限、內(nèi)排土場動(dòng)態(tài)發(fā)展等因素，確定內(nèi)排土場邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)均為1.2。

4）計(jì)算方法。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法有很多種，以二維方法中剛體極限平衡法應(yīng)用最為廣泛，計(jì)算準(zhǔn)確度更高。最常用極限平衡分析方法有簡化Bishop 法、剩余推力法、Fellenious 法、Janbu 法，其中Bishop 法適合圓弧滑動(dòng)計(jì)算，剩余推力法適用于任意滑面的滑坡計(jì)算[7]。

5）邊坡潛在滑坡模式。內(nèi)排土場邊坡一般由散體、破碎的巖體組成，將邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型定性為散體介質(zhì)邊坡，內(nèi)排土場基底層不存在軟弱結(jié)構(gòu)面。內(nèi)排土場潛在滑坡模式為圓弧滑動(dòng)[8]，適合于Bishop法計(jì)算的模型。

2 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化方案

2.1 120 m 內(nèi)排邊坡形態(tài)優(yōu)化

為了優(yōu)化排土場邊坡形態(tài)，確保排土場作業(yè)安全，消除忽略邊坡形態(tài)參數(shù)對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定影響，按照內(nèi)排土場排土參數(shù)，排土臺(tái)階高度24 m、臺(tái)階坡面角35°，研究了排棄高度120 m 情況下滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內(nèi)排土場形態(tài)參數(shù)，排棄高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果如圖2。

圖2 排棄高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果

通過計(jì)算可知，內(nèi)排土場邊坡高度在120 m 情況下，F(xiàn)s=1.0 極限平衡（1.002）條件下，確定極限平盤寬度為30 m，說明內(nèi)排土場邊坡高度在0～120 m范圍內(nèi)，內(nèi)排土場排土平盤寬度不小于30 m，才能確保內(nèi)排場邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于1；內(nèi)排土場邊坡高度在120 m 情況下，F(xiàn)s=1.2 儲(chǔ)備系數(shù)（1.2）條件下，確定極限平盤寬度為50 m，說明內(nèi)排土場邊坡高度在0～120 m 范圍內(nèi)，內(nèi)排土場排土平盤寬度不小于50 m，才能確保內(nèi)排場邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于1.2；通過以上2 種邊坡穩(wěn)定情況分析，在內(nèi)排土場高度在120 m、排土臺(tái)階高度24 m、臺(tái)階坡面角35°情況下，確定排土平盤寬度在30～50 m 范圍內(nèi)為最優(yōu)平盤寬度，內(nèi)排土場邊坡角在18°～22°，既能保證安全需要，又可以有效控制成本。

2.2 216 m 內(nèi)排邊坡形態(tài)優(yōu)化

按照內(nèi)排土場排土的參數(shù)，排土臺(tái)階高度為24 m、臺(tái)階坡面角為35°，研究了排棄高度216 m 情況下滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內(nèi)排土場態(tài)參數(shù)，排棄高度216 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果如圖3。

2.3 336 m 內(nèi)排邊坡形態(tài)優(yōu)化

按照內(nèi)排土場排土參數(shù)，排土臺(tái)階高度24 m、臺(tái)階坡面角35°，研究了排棄高度336 m 情況下滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0內(nèi)排土場形態(tài)參數(shù)，排棄高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果如圖4。

圖3 排棄高度216m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果

圖4 排棄高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與形態(tài)參數(shù)結(jié)果

3 排棄高度與邊坡角和平盤寬度的關(guān)系

通過SLOPE/W 軟件中剛體極限平衡法計(jì)算可知，內(nèi)排土場邊坡高度分別在120、216、336 m 情況，F(xiàn)s=1.0 極限平衡條件下，確定極限平盤寬度為分別為30、38、46 m，說明內(nèi)排土場邊坡高度在不大于120、216、336 m 范圍內(nèi)，內(nèi)排土場排土平盤寬度不小于30、38、46 m。Fs=1.2 極限平衡條件下，確定極限平盤寬度為分別為50、55、60 m，說明內(nèi)排土場邊坡高度在不大于120、216、336 m 范圍內(nèi)，內(nèi)排土場排土平盤寬度不小于50、55、60 m。通過以上2 種邊坡穩(wěn)定情況分析，在內(nèi)排土場高度在120、216、336 m，排土臺(tái)階高度24 m，臺(tái)階坡面角35°情況下，確定最優(yōu)排棄平盤寬度分別為30～50 m、38～55 m 及46～60 m，確定內(nèi)排土場最優(yōu)邊坡角在15°～18°、18°～20°、18°～22°之間，既能保證安全需要，又可以有效控制成本，內(nèi)排土場排棄高度與邊坡角和平盤寬度的關(guān)系圖如圖5。

圖5 內(nèi)排土場排棄高度與邊坡角和平盤寬度的關(guān)系圖

4 結(jié)語

1）內(nèi)排土場物料主要由松散巖體組成，且基底無軟弱層，通過模型模擬分析，排土場失穩(wěn)模式為圓弧形滑動(dòng)。

2）隨著排土場排棄高度增加，穩(wěn)定邊坡角度相應(yīng)減低，平盤寬度相應(yīng)的增加，說明排土場滑坡因素主要受邊坡高度、邊坡角大小和平盤寬度控制。

3）通過滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內(nèi)排土場穩(wěn)定系數(shù)，在內(nèi)排土場高度在120、216、336 m，排土臺(tái)階高度24 m，臺(tái)階坡面角35°情況下，確定最優(yōu)排棄平盤寬度分別為50、55、60 m，確定內(nèi)排土場最優(yōu)邊坡角為18°、20°、22°，既能保證安全需要，又可以有效控制成本。