新疆天池能源南露天煤礦高段排土場(chǎng)建設(shè)方案

董蒙蒙

（新疆天池能源有限責(zé)任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

排土場(chǎng)是露天煤礦重要組成部分[1]，近水平露天煤礦和橫向開(kāi)采的傾斜露天煤礦有在采場(chǎng)內(nèi)部建立內(nèi)排土場(chǎng)的條件，內(nèi)排土場(chǎng)相對(duì)外排土場(chǎng)具有運(yùn)距短、占地少等特點(diǎn)[2]，并可以在露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中起到對(duì)端幫的控制作用[3]，其建立對(duì)礦山具有積極意義。但露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)排土重心往往低于工作幫剝離重心[4]，排棄過(guò)程存在物料下運(yùn)問(wèn)題，一般采場(chǎng)上部工作平盤(pán)工作線較長(zhǎng)，剝離物料下運(yùn)時(shí)折返次數(shù)少，視野開(kāi)闊，運(yùn)輸過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)低。而采場(chǎng)下部工作平盤(pán)工作線短，運(yùn)輸過(guò)程中折返次數(shù)多，運(yùn)輸起點(diǎn)與終點(diǎn)高差大，存在較大安全隱患。因此，在排土場(chǎng)下部建立高段排土臺(tái)階在解決物料折返下運(yùn)問(wèn)題中有著重要意義，同時(shí)能夠有效對(duì)排土容量提高?，F(xiàn)有研究中，王光進(jìn)[5]對(duì)德興銅礦高臺(tái)階排土場(chǎng)展開(kāi)研究，借助元胞自動(dòng)機(jī)模擬了高臺(tái)階排土場(chǎng)的粒徑分級(jí)的不均勻與隨機(jī)性；田華[6]采用有限元模擬分析準(zhǔn)東露天礦不同形態(tài)排土臺(tái)階最大安全高度；宋仁忠[7]根據(jù)排土場(chǎng)重塑特點(diǎn)對(duì)邊坡進(jìn)行分層，提高了排土場(chǎng)建模和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度，得到潛在危險(xiǎn)滑面整體向上部偏移的現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究中鮮有改變內(nèi)排土場(chǎng)部分臺(tái)階最大排棄高度研究，主要受制于剛體極限平衡法和有限元法在散體邊坡計(jì)算中的局限。為此，以新疆天池能源南露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)高段排土場(chǎng)建設(shè)為背景，通過(guò)離散元數(shù)值模擬手段驗(yàn)證不同高段排土場(chǎng)建設(shè)方案下的邊坡穩(wěn)定性。

1 工程背景

天池能源南露天煤礦露天礦2019 年以前在首采區(qū)自北向南進(jìn)行縱向開(kāi)采，沿煤層底板降深，北幫為底幫、南幫為工作幫、東西兩側(cè)為端幫。2019 年底完成采區(qū)直角轉(zhuǎn)向后，東幫緩幫為工作幫、南北兩側(cè)為端幫，在原西幫邊坡建立內(nèi)排土場(chǎng)。根據(jù)《新疆天池能源有限責(zé)任公司準(zhǔn)東大井礦區(qū)南露天煤礦一期工程初步設(shè)計(jì)》中要求，西幫內(nèi)排土場(chǎng)單臺(tái)階最大排棄高度為30 m，排土平盤(pán)寬度為75 m，物料自然安息角（即臺(tái)階坡面角）為33°。根據(jù)2020 年11 月驗(yàn)收?qǐng)D，內(nèi)排土場(chǎng)最大排棄標(biāo)高為565 m 水平，坑底為325 m 水平，坑底長(zhǎng)度100 m，內(nèi)排土場(chǎng)總高度240 m，邊坡角15.23°，由7 個(gè)30 m 臺(tái)階、1 個(gè)15 m 臺(tái)階、1 個(gè)10～20 m 的臺(tái)階組成，其中10～20 m 臺(tái)階排土標(biāo)高為340 m 水平，臺(tái)階高度伴隨底板變化。南露天煤礦內(nèi)排前后采場(chǎng)變化如圖1。

2 試樣力學(xué)參數(shù)

排土場(chǎng)是破碎顆粒在重力作用下膠結(jié)形成的散體邊坡[8]，內(nèi)部裂隙發(fā)育，離散元數(shù)值模擬方法能夠很好體現(xiàn)這一特性。離散元基本思想和有限單元法相似，即先將研究對(duì)象視為由若干微小單元構(gòu)成，再進(jìn)行求解。但是離散元具有離散性，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，顆粒間允許接觸與分離，單元間不要求滿足幾何連續(xù)和變形協(xié)調(diào)條件，適合大變形和非連續(xù)介質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題求解[9]。離散元求解時(shí)不需要假定本構(gòu)關(guān)系，介質(zhì)力學(xué)本構(gòu)關(guān)系體現(xiàn)在顆粒間細(xì)觀接觸。顆粒間相互作用力滿足力和位移關(guān)系，每個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)則根據(jù)所受不平衡力和不平衡力矩按牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律確定。選用離散元作為排土場(chǎng)邊坡數(shù)值模擬方法中，顆粒間接觸選用線性接觸黏結(jié)模型，離散元線性接觸黏結(jié)模型與力學(xué)元件如圖2。

采用離散元法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算前需要對(duì)排土場(chǎng)物料進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，獲得試樣彈性模型、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)特性，而后通過(guò)模擬軟件進(jìn)行相同尺寸比例下的力學(xué)試驗(yàn)，還原實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過(guò)程與應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到顆粒間細(xì)觀參數(shù)：有效模量、剛度比、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度及摩擦系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分為2 部分，單杠桿固結(jié)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。單杠桿固結(jié)試驗(yàn)所選用WG-1型單杠桿固結(jié)儀，模具內(nèi)徑50 mm，對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)獲取試料進(jìn)行相似級(jí)配縮尺處理后進(jìn)行分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)，每級(jí)加載76 kPa，在試樣不再產(chǎn)生沉降后加載下一級(jí)載荷，并保證試樣在最大載荷加載的時(shí)間滿足24 h。試驗(yàn)中最大載荷結(jié)合排土場(chǎng)現(xiàn)狀分為9 級(jí)，這種方法的計(jì)算結(jié)果能夠更貼合排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況[7]。以往測(cè)試中可得南露天煤礦排棄物料密度為1.98～2.21 g/cm3[10]，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，密度取為2.00 g/cm3，重力加速度取10 N/kg，固結(jié)試驗(yàn)中最大載荷以重塑壓力600 kPa 作為分層依據(jù)，為細(xì)化計(jì)算結(jié)果將表層按600 kPa 分為3 層，排土場(chǎng)不同深度試樣上覆載荷見(jiàn)表1。

表1 排土場(chǎng)不同深度試樣上覆載荷

試樣固結(jié)重塑后脫模并切削成高度100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)選用WDW-300 型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以位移控制方式進(jìn)行加載，試驗(yàn)速度0.5 mm/min，結(jié)束方式為9.5%應(yīng)變率。數(shù)值模擬選用室內(nèi)試驗(yàn)相同的加載速率和結(jié)束條件。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到試樣力學(xué)參數(shù)，不同固結(jié)壓力下土石混合體細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同固結(jié)壓力下土石混合體力學(xué)參數(shù)

3 西幫既有內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在離散元邊坡模型中，影響穩(wěn)定性的參數(shù)主要為顆粒間的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度與摩擦系數(shù)。同時(shí)折減這3 個(gè)參數(shù)直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)折減系數(shù)為邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)。在邊坡臨界破壞狀態(tài)判斷中，離散元一般采用位移分析法[9]，通過(guò)累計(jì)位移確定邊坡破壞程度。參考南露天煤礦一號(hào)邊坡雷達(dá)對(duì)北幫相對(duì)固定的內(nèi)排土場(chǎng)所設(shè)定報(bào)警閾值，將坡面速度超過(guò)0.005 m/h 作為內(nèi)排土場(chǎng)失穩(wěn)判據(jù)。西幫內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算如圖3，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線如圖4。

圖4 內(nèi)排土場(chǎng)邊坡不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線

西幫內(nèi)排土場(chǎng)邊坡剖面中可得邊坡共由9 種不同類(lèi)型物料組成，西幫排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖3（a）。通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算得到西幫排土場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為1.223，在折減系數(shù)為1.224 時(shí)計(jì)算得到位移云圖如圖3（b）。圖3（b）中，邊坡在565～460 m 水平排土臺(tái)階產(chǎn)生位移較大，在0.021～0.056 m之間?；w后緣滑移，并從490 排土場(chǎng)的坡底處剪出，致使490 排土臺(tái)階出現(xiàn)小范圍滑坡，坡腳處位移量為0.105～0.140 m。

由圖4 可知，折減系數(shù)為1.223 時(shí)各區(qū)域平均速度在短暫增大后降低，在25 000 步時(shí)均小于0.005 m/h。折減系數(shù)為1.224 時(shí)，490 排土場(chǎng)平均速度在5 000～15 000 計(jì)算步長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)小規(guī)模波動(dòng)，表現(xiàn)出單臺(tái)階小規(guī)模滑坡特征。

4 西幫高段排土方案

西幫邊坡經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算后，進(jìn)一步對(duì)排土場(chǎng)高段排土方案展開(kāi)討論，目前南露天煤礦剝離物下運(yùn)高程一般在15～45 m。由于南露天煤礦在采區(qū)轉(zhuǎn)向后對(duì)南端幫進(jìn)行了靠幫開(kāi)采，南端幫下部400、370 m 水平煤臺(tái)階被收為5 m 保安平盤(pán)，原經(jīng)端幫運(yùn)輸?shù)奈锪闲鑿墓ぷ鲙瓦M(jìn)行折返運(yùn)輸運(yùn)往內(nèi)排土場(chǎng)。結(jié)合露天礦2020—2021 年采排計(jì)劃，得到工作幫400、385 m 水平臺(tái)階共有2.9 萬(wàn)m3物料需要以這種方式運(yùn)往最下部340 排土臺(tái)階，下運(yùn)高程分別為60 m 和45 m。同時(shí)采場(chǎng)下部空間有限，運(yùn)輸期間車(chē)輛面臨重車(chē)下坡、視野受限、與運(yùn)煤卡車(chē)交匯等問(wèn)題，因此高段排土場(chǎng)建設(shè)首先要考慮如何降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)礦山實(shí)際情況提出3 種高段排土方案：①方案1：建立370 m 水平45 m 排土場(chǎng)；②方案2：建立370 m 水平45 m 排土場(chǎng)后建立595～550 m 水平45 m 排土場(chǎng)；③方案3：建立370 m 水平45 m 排土場(chǎng)后建立580～550 m 水平30 m 排土場(chǎng)。方案1 用來(lái)降低礦山運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)，方案2、方案3 用來(lái)提高南露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)排土容量。

4.1 方案1

方案1 是在西幫邊坡的模型的基礎(chǔ)上，并段370、340 m 水平排土臺(tái)階，建立370 m 水平45 m 高段排土臺(tái)階。通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算得到方案1 工況下邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.216。方案1 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖如圖5，方案1 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖6。

圖5 方案1 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖

圖6 方案1 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

不同折減系數(shù)下邊坡位移云圖的變化較為微小，均表現(xiàn)出邊坡上部（565～520 排土臺(tái)階）位移較大，位移量在0.1～0.2 m。同時(shí)在460 m 水平排土臺(tái)階處有少數(shù)顆粒滾落至坡底，出現(xiàn)與未進(jìn)行高段排土?xí)r西幫邊坡類(lèi)似的小范圍滑坡。參考不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線同樣得到：折減系數(shù)為1.216 時(shí)，各區(qū)域的邊坡速度在2 500 步長(zhǎng)之后收斂，平均速度曲線波動(dòng)較??；折減系數(shù)為1.217 時(shí)，460 排土場(chǎng)平均速度在5 000 步長(zhǎng)之后升高，表現(xiàn)出滑坡特征，平均速度最大為0.352 m/h。

4.2 方案2

在驗(yàn)證得到方案1 具有可行性后，方案2 提出建立595 m 水平45 m 排土臺(tái)階。通過(guò)計(jì)算得到方案2 工況下，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.168。邊坡在折減系數(shù)為1.169 時(shí)在595 m 水平排土臺(tái)階發(fā)生滑坡。方案2 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖如圖7，方案2不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖8。

圖7 方案2 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖

圖8 方案2 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

由圖7 可知，折減系數(shù)為1.168 時(shí)，邊坡位移集中在0.02 以?xún)?nèi)，存在595 排土場(chǎng)坡頂為剪入口、400排土場(chǎng)坡腳為剪出口形成圓弧形滑坡運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。折減系數(shù)為1.169 時(shí)，595 m 水平排土臺(tái)階發(fā)生滑坡，顆粒位移22.4～32 m，并有向520、490 排土場(chǎng)形成更大范圍滑坡趨勢(shì)。

由圖8 可知，折減系數(shù)為1.168 時(shí)，邊坡各區(qū)域速度曲線與之前類(lèi)似，即在10 000 步長(zhǎng)之前速度提高，此后開(kāi)始收斂。折減系數(shù)為1.169 時(shí)，595 排土場(chǎng)坡面處速度在5 000 步長(zhǎng)后不斷提高，12 500 步長(zhǎng)時(shí)達(dá)到最大值1 179 mm/h，550 m 水平排土臺(tái)階速度在7 500 步長(zhǎng)后也開(kāi)始增大，在18 700 步長(zhǎng)時(shí)達(dá)到最大值236 mm/h。同時(shí)，520、490、460 m 水平排土臺(tái)階坡面速度均有一定提高，邊坡呈整體滑動(dòng)趨勢(shì)。

4.3 方案3

方案3 是在方案2 基礎(chǔ)上，將595 m 水平排土臺(tái)階由45 m 降低為30 m，由580 m 水平開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)排。計(jì)算得到安全穩(wěn)定系數(shù)為1.209，邊坡在折減系數(shù)為1.210 時(shí)580 排土場(chǎng)失穩(wěn)，影響580、550 m水平與490 m 水平排土臺(tái)階，邊坡破壞程度相比方案2 較小。方案3 在不同折減系數(shù)下的位移云圖如圖9。方案3 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖10。

圖9 方案3 在不同折減系數(shù)下的位移云圖

圖10 方案3 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

方案3 中邊坡在1.209 的折減系數(shù)下表現(xiàn)出穩(wěn)定的特征。在折減系數(shù)為1.210 時(shí)，580 排土場(chǎng)首先出現(xiàn)失穩(wěn)特征，平均速度曲線波動(dòng)幅度較大，限制計(jì)算時(shí)間結(jié)束時(shí)速度仍在257 mm/h。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中490 排土臺(tái)階速度在11 000 步長(zhǎng)時(shí)也出現(xiàn)一定提高，剩余區(qū)域較1.209 折減系數(shù)時(shí)平均速度曲線提升較大。

4.4 3 種方案對(duì)比

對(duì)比3 種高段排土方案可知：方案1 中工作幫物料運(yùn)輸計(jì)算得到共節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用20.4 萬(wàn)元，可在同年短期增大排土容量7 075 萬(wàn)m3，有效解決了采場(chǎng)下部重車(chē)下坡與車(chē)輛交匯問(wèn)題；方案2 在方案1的基礎(chǔ)上，得到595 m 水平排土臺(tái)階建成后預(yù)計(jì)在首采區(qū)可多容納物料5.13 億m3；方案3 在方案1 的基礎(chǔ)上，得到580 m 水平排土臺(tái)階建成后預(yù)計(jì)在首采區(qū)可多容納物料3.47 億m3。

從安全與經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，最終優(yōu)選方案3 為高段排土場(chǎng)建設(shè)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)離散元法對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，能夠結(jié)合邊坡雷達(dá)速度報(bào)警閾值來(lái)判定邊坡失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡在失穩(wěn)時(shí)速度曲線與穩(wěn)定時(shí)差異較大，可通過(guò)此方法得到邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。

2）現(xiàn)有西幫內(nèi)排土場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.223，建立370 m 水平45 m 排土臺(tái)階后安全穩(wěn)定系數(shù)為1.216，在下部建立高段排土臺(tái)階對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響較小。

3）結(jié)合西幫內(nèi)排土場(chǎng)與3 種高段排土方案的滑坡位置與模式可得，滑坡范圍集中在460 排土臺(tái)階上部，并在595 m 水平建立45 m 高段排土臺(tái)階后邊坡有整體滑動(dòng)趨勢(shì)，邊坡上部建立高段排土臺(tái)階對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響較大。

4）高段排土方案中優(yōu)選方案3 作為最終高段排土場(chǎng)建設(shè)方案，方案在下部建立高段排土臺(tái)階能夠有效解決物料下運(yùn)與卡車(chē)交匯問(wèn)題，并在短期內(nèi)提高內(nèi)排土場(chǎng)容量，在上部建立30 m 排土臺(tái)階可以長(zhǎng)期提高排土容量。