充水軟弱基底排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析及排棄參數(shù)優(yōu)化

秦 濤，任 鵬，王志鵬

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)能源局，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；5.應(yīng)急管理部信息研究院，北京100029）

我國(guó)新疆地區(qū)某露天礦位于新疆哈密市境內(nèi)，設(shè)計(jì)規(guī)模為6.00 Mt/a，剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-半移動(dòng)破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝。煤系地層近水平，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，采場(chǎng)已降深至+345 m 水平，預(yù)計(jì)2020 年底將開采至最下部可采煤層，目前正在使用的排土場(chǎng)為東排土場(chǎng)和南排土場(chǎng)，均已經(jīng)形成3～4 個(gè)排土臺(tái)階，占地面積分別約183.4 hm2和111.5 hm2。為了響應(yīng)國(guó)家關(guān)于煤炭資源的“安全、高效、綠色、智能”開發(fā)理念，同時(shí)縮小排土運(yùn)距，節(jié)約生產(chǎn)成本，計(jì)劃在采場(chǎng)降深至最低水平后陸續(xù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)排。工程地質(zhì)勘查表明，內(nèi)排土場(chǎng)基底20～30 m 深度范圍主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖等泥類巖構(gòu)成，局部區(qū)域富水性較強(qiáng)，倘若地下水位在排土場(chǎng)基底標(biāo)高以上，水會(huì)一直浸泡并侵蝕排土場(chǎng)基底及底層排棄物料，基底泥類巖遇水易崩解、抗剪強(qiáng)度與承載力顯著降低，底層排棄物料甚至可能達(dá)到塑性或流體狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性將會(huì)受到極大威脅。按照最初設(shè)計(jì)要求，內(nèi)排土場(chǎng)最終排棄高度為185 m，單臺(tái)階高度為30～35 m，最終幫坡角為16°。受地下水等復(fù)雜地質(zhì)因素影響，內(nèi)排土場(chǎng)基底承載力是否能夠滿足安全要求，排土場(chǎng)邊坡遵循什么樣的失穩(wěn)模式，設(shè)計(jì)排土參數(shù)是否合理，這些問題亟需得到解決。在工程地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上問題展開深入研究，對(duì)于保證邊坡穩(wěn)定安全與生產(chǎn)正常接續(xù)具有重要的理論價(jià)值，對(duì)于完善排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定控制理論與方法，改善礦山經(jīng)濟(jì)效益及實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)域工程地質(zhì)條件

研究區(qū)域松散地層由第四系和新近系的細(xì)砂、粉砂、黃土、礫石及黏土等構(gòu)成，厚度較小，煤系地層近水平，上部風(fēng)化巖段巖體主要為燒變巖，呈磚紅色-紅褐色，作為一種特殊類型巖體[1-3]，是砂類巖經(jīng)火燒、烘烤變質(zhì)而成，堅(jiān)硬且孔洞發(fā)育，局部呈蜂窩狀，類似于煤炭爐渣，氣孔連通性好，手掰易碎，遇水易碎裂，抗壓強(qiáng)度小于20 MPa，軟化系數(shù)小于0.75，屬易軟化巖石，耐凍性差，抗風(fēng)化能力弱，燒變巖是本區(qū)主要含水層，地下水靜儲(chǔ)量豐富，水位標(biāo)高為406.61～406.91 m，單位涌水量3.598 6～9.045 1 L/（s·m），富水性強(qiáng)-極強(qiáng)，滲透系數(shù)為1.52～4.99 m/d。風(fēng)化巖段以下至地下水位以上干燥巖段巖性以粗砂和粉砂巖為主，巖石強(qiáng)度較大，抗壓強(qiáng)度為20～42.9 MPa。地下水位以下的地層巖性較復(fù)雜，以泥類巖為主，強(qiáng)度較低，巖體層狀結(jié)構(gòu)明顯，伴有構(gòu)造節(jié)理面，巖石抗壓強(qiáng)度為2.6～16.9 MPa，軟化系數(shù)為0.26～0.34，屬于軟弱且遇水易軟化的巖石。內(nèi)排土場(chǎng)基底位于地下水位以下，標(biāo)高為300～310 m，實(shí)現(xiàn)壓幫內(nèi)排后，非工作幫含水層水體順巖層面入滲至排棄物料內(nèi)部，產(chǎn)生動(dòng)水壓力，最終導(dǎo)致排土場(chǎng)基底巖體和排棄物料自身抗剪強(qiáng)度降低，不利于邊坡穩(wěn)定。研究區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)斷面如圖1。

2 地下水對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定影響規(guī)律

2.1 地下水滲流對(duì)邊排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的影響

圖1 研究區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Typical engineering geological section of the dump in the study area

實(shí)踐表明，若排土場(chǎng)處于容易積水的低洼地帶或水位線之下，水會(huì)一直浸泡并侵蝕排棄物料且難以排出，導(dǎo)致排棄物料含水率最終接近飽和狀態(tài)，此時(shí)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性將會(huì)受到很大威脅，因此地下水對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響不容忽視。排棄物料的力學(xué)性質(zhì)與其含水率有密切關(guān)系，水的滲入導(dǎo)致排棄物料逐漸達(dá)到飽水狀態(tài)，這樣不僅降低了黏聚力和抗滑性，更重要的是減少了土體內(nèi)摩擦角，降低了土顆粒之間的摩擦阻力，因而土體抗剪強(qiáng)度大大降低，變形能力大大增加。此外，排棄物料內(nèi)部流動(dòng)的水產(chǎn)生動(dòng)水壓力，可使滑動(dòng)力增大、摩擦力減小，為邊坡失穩(wěn)創(chuàng)造了條件。SEEP/W 是GeoStudio 系列軟件中非常重要的一個(gè)模塊，是非飽和土滲流方面的專業(yè)分析軟件。土的滲透性是土力學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，SEEP/W 是基于有限元方法進(jìn)行土體滲流分析的數(shù)值模擬軟件，廣泛應(yīng)用于巖土工程相關(guān)的滲流分析，比如邊坡、大壩、基坑、尾礦庫(kù)等穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)滲流，這里基于SEEP/W 模塊對(duì)研究區(qū)域排土場(chǎng)邊坡地下水滲流特性展開研究[4-6]。

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面NeiP-1 建立的SEEP/W 滲流分析模型如圖2。

模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為847 m，模型高度為235 m。結(jié)合實(shí)際情況，模型左側(cè)水頭標(biāo)高確定為406 m，由于模型右側(cè)最深處為內(nèi)排土場(chǎng)基底，基底地層近水平，排棄物料主要由大塊砂類巖構(gòu)成，裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)較大，因此右側(cè)水頭標(biāo)高按照基底標(biāo)高設(shè)置為350 m。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡主要巖土層滲透系數(shù)取值如下：排棄物料0.01～1.50 m/d，燒變巖1.52～4.99 m/d，砂巖0.39～0.95 m/d，泥巖0.000 57～0.056 m/d，煤層0.000 31～0.017 m/d。

圖2 內(nèi)排土場(chǎng)NeiP-1 剖面SEEP/W 分析模型Fig.2 SEEP/W analysis model of NeiP-1 profile of the inner dump

內(nèi)排土場(chǎng)NeiP-1 剖面滲流分析結(jié)果如圖3。由圖3（a）可知，模型左側(cè)總水頭為150～70 m，總水頭等值線由左向右下降均勻，到達(dá)排土場(chǎng)第二級(jí)臺(tái)階時(shí)，下降速率突然增大，等值線加密，表明水體經(jīng)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階滲出比較明顯。由圖3（b）可知，模型孔隙水壓力為-800 ～1 400 kPa，排土場(chǎng)基底孔隙水壓力由外向內(nèi)逐漸增大，在約300 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)由0 kPa 增大到600 kPa，可見水對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)基底強(qiáng)度的影響不容忽視。

圖3 內(nèi)排土場(chǎng)NeiP-1 剖面滲流分析結(jié)果Fig.3 Seepage analysis results of NeiP-1 profile in the inner dump

2.2 排土場(chǎng)邊坡變形破壞的數(shù)值模擬

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，基于研究區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面NeiP-1 構(gòu)建排的土場(chǎng)邊坡變形破壞數(shù)值分析模型如圖4。開展排土場(chǎng)邊坡變形破壞的流固耦合模擬分析，通過模擬計(jì)算并分析邊坡水平位移場(chǎng)、豎直位移場(chǎng)、增量剪應(yīng)變?cè)茍D以及位移矢量圖，確定邊坡的潛在滑動(dòng)部位與破壞模式，為排土參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與邊坡穩(wěn)定性控制提供依據(jù)。

圖4 內(nèi)排土場(chǎng)NeiP-1 剖面數(shù)值分析模型Fig.4 Numerical analysis model of NeiP-1 profile in the inner dump

模擬計(jì)算中巖土體采用理想彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則描述。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以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。地下水的影響作用通過孔隙水壓力和孔壓梯度施加于模型表面，設(shè)模型底部標(biāo)高為0 m，則水位標(biāo)高為156 m，模型表面和底部孔隙水壓力分別為0 MPa 和1.56 MPa。巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，在計(jì)算方法確定的情況下，指標(biāo)選取的合理性直接決定了邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到邊坡治理方案決策、設(shè)計(jì)及施工的整個(gè)過程。采用的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是在室內(nèi)測(cè)試分析的基礎(chǔ)上采用Hock-Brown 強(qiáng)度折減法和滑動(dòng)反分析法計(jì)算獲得[7]，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。NeiP-1 剖面數(shù)值分析結(jié)果如圖5。

從水平位移云圖（圖5（a））可知，在設(shè)計(jì)工況下，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡可能發(fā)生排棄物料內(nèi)部的單臺(tái)階或多臺(tái)階組合圓弧滑動(dòng)，尤以最上部臺(tái)階水平移動(dòng)特征最為明顯，最大值約為713 mm，受地下水影響，排土場(chǎng)深部區(qū)域土巖接觸面位置排棄物料孔隙水壓力消散速度較慢，物料含水率接近飽和，潛在最大滑動(dòng)深度位于原坡面位置。從豎向位移云圖（圖5（b））可知，排土場(chǎng)上部區(qū)域整體下沉明顯，最大下沉量為431 mm，各臺(tái)階坡頂均出現(xiàn)不同程度豎向變形，坡腳位置受剪出影響，豎向位移為正值。從位移矢量云圖（圖5（c））可知，排土臺(tái)階均發(fā)生朝向臨空面的不同程度變形，潛在滑體位移矢量為圓弧狀，最有可能的剪出位置為排土場(chǎng)第二級(jí)臺(tái)階坡腳處。綜合分析認(rèn)，在地下水滲流的影響下，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變形破壞模式為排棄物料內(nèi)部的坐落式圓弧滑動(dòng)。

表1 內(nèi)排土場(chǎng)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass in the slope of internal dump

圖5 內(nèi)排土場(chǎng)NeiP-1 剖面數(shù)值分析結(jié)果Fig.5 Numerical analysis results of NeiP-1 profile of the inner dump

3 內(nèi)排土場(chǎng)排棄參數(shù)優(yōu)化

3.1 排土場(chǎng)極限堆高

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?！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[8]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs為1.2，即Fs＜1.2 時(shí)，即認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性不滿足要求。

勘查結(jié)果表明，內(nèi)排土場(chǎng)基底多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，由于在坑底，因此需要考慮水對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，結(jié)合巖石物理力學(xué)測(cè)試報(bào)告，基底巖層飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度加權(quán)平均值保守取10.41 MPa，根據(jù)極薄表土與薄表土層基底極限承載力計(jì)算方法[9-10]，取該值的1/3 作為許用應(yīng)力，即基底極限承載力為3.47 MPa，排棄物料密度為1.9 t/m3，則極限堆高為183 m。

3.2 排棄參數(shù)優(yōu)化

1）排土場(chǎng)段高優(yōu)化。排土場(chǎng)單臺(tái)階坡面角約為33°，當(dāng)坡面角固定時(shí)，計(jì)算不同高度（20～40 m）情況下排土臺(tái)階的Fs值，繪制的Fs值隨單臺(tái)階高度變化曲線如圖6，計(jì)算采用Bishop 法。分析可知，在排土臺(tái)階Fs值滿足1.2 的條件下，極限排土高度為32 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議排土臺(tái)階高度采用30 m。

圖6 內(nèi)排土場(chǎng)Fs 值隨單臺(tái)階高度變化曲線Fig.6 The curves of Fs value of inner dumping site with the height of single step

2）排土場(chǎng)極限幫坡角優(yōu)化。內(nèi)排土場(chǎng)最大排棄高度為183 m，當(dāng)排棄總高度固定時(shí)，計(jì)算不同幫坡角（15°～24°）情況下邊坡的Fs值，繪制的Fs值隨總體邊坡角變化曲線如圖7，計(jì)算采用Bishop 法。分析可知，在排土邊坡Fs值滿足1.2 的條件下，極限幫坡角最大值為21°。

3）最終排土平盤寬度優(yōu)化。當(dāng)單臺(tái)階高度與單臺(tái)階坡面角確定時(shí)，根據(jù)極限堆高即可計(jì)算出整體邊坡角與最終平盤寬度值。通過上述分析可知，內(nèi)排土場(chǎng)極限幫坡角最大值為21°，按照單臺(tái)階坡面角33°、單臺(tái)階高度30 m、總排棄高度183 m 進(jìn)行分析，內(nèi)排土場(chǎng)最終平盤寬度最小值為38 m。

圖7 內(nèi)排土場(chǎng)Fs 值隨單臺(tái)階高度變化曲線Fig.7 The curves of Fs value of inner dumping site with the height of single step

4）內(nèi)排土場(chǎng)排土參數(shù)。基于本次優(yōu)化分析結(jié)果，全面考慮內(nèi)排土場(chǎng)地質(zhì)條件與采礦條件，運(yùn)輸及排棄方式及周邊居民設(shè)施分布情況等因素，同時(shí)結(jié)合采礦設(shè)計(jì)與排土規(guī)劃等資料，綜合確定優(yōu)化后的內(nèi)排土場(chǎng)幾何參數(shù)如下：最終排棄標(biāo)高484 m、總排棄高度183 m、最終平盤寬度38 m、一般平盤高度30 m、單臺(tái)階坡面角33°以及極限邊坡角21°。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）采用GeoStudio SEEP/W 與FLAC3D軟件分別研究了燒變巖含水層影響條件下內(nèi)排土場(chǎng)邊坡地下水滲流規(guī)律和巖土體變形移動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，燒變巖含水層水體不斷入滲內(nèi)排土場(chǎng)基底，且補(bǔ)給速度大于排泄速度，導(dǎo)致基底排棄物料孔隙水壓力不斷增大、有效內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度顯著減小，可能誘發(fā)內(nèi)排土場(chǎng)沿原狀坡面和基底巖土接觸面的坐落式圓弧滑動(dòng)。

2）根據(jù)極薄表土與薄表土層基底極限承載力估算方法確定了內(nèi)排土場(chǎng)極限堆排高度，采用極限平衡分析的方法對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)排土參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，給出了地下水影響下內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的最優(yōu)幾何參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供了依據(jù)。