平朔東露天礦局部超高段排土邊坡穩(wěn)定性研究

趙登娟，許 昌，孫 寬，邵 賓，李慶堯

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

平朔東露天礦剝離運(yùn)輸系統(tǒng)為電鏟－卡車間斷工藝，運(yùn)煤系統(tǒng)為電鏟（前裝機(jī)）－卡車－端幫帶式輸送機(jī)運(yùn)輸半連續(xù)工藝系統(tǒng)，2 套原煤運(yùn)輸系統(tǒng)的破碎站分別布置于工作幫南部4＃煤與9＃煤底板，因原煤巷道內(nèi)排水及平盤實際推進(jìn)緩慢的影響，破碎站移設(shè)滯后，導(dǎo)致南部土場下部平盤無法及時跟進(jìn)。前期東露天礦受征地影響，礦坑北部工作線推進(jìn)較南部滯后約600 m，導(dǎo)致工作幫北部臺階長期處于滯后狀態(tài)，內(nèi)排土場北部空間也無法及時釋放。

平朔東露天礦正處于榆嶺礦采空區(qū)，采空區(qū)平面面積約126 萬m2，局部還存在4＃煤與9＃煤復(fù)合采空區(qū)，采空區(qū)的勘探制約煤層上部剝離臺階推進(jìn)，采空區(qū)范圍內(nèi)對雜煤的處理降低了煤層開采進(jìn)度，從而導(dǎo)致礦坑下部臺階整體推進(jìn)慢，造成內(nèi)排土空間出露不及時，導(dǎo)致內(nèi)排空間緊張，造成排土運(yùn)距增加和排土場重心提升，直接影響生產(chǎn)設(shè)備效率的發(fā)揮與生產(chǎn)成本增加。

綜合考慮破碎站移設(shè)滯后、征地、采空區(qū)等因素的影響下，造成了東露天礦內(nèi)排土場空間緊張，在無法實現(xiàn)外排的前期下，提出了局部高段排土技術(shù)。局部高段排土需要確定合理的高段排土平盤及段高，并借助軟件分析內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性[1-3]。

1 坡面穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計算結(jié)果直接實用的特點(diǎn)。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等，不同的計算方法，其力學(xué)機(jī)理與適用條件均有所不同。通過對比分析，本次穩(wěn)定計算采用畢肖普法、Janbu 法和Spencer 法來綜合確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[4-6]。

采用極限平衡分析法對邊坡進(jìn)行安全評價分析，邊坡安全儲備系數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析計算中的一個定量參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)計邊坡的經(jīng)濟(jì)性與安全性。GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范第6.0.8 條明確規(guī)定了內(nèi)排土場邊坡安全儲備系數(shù)Fs的選用范圍。根據(jù)平朔東露天礦研究區(qū)域地質(zhì)條件、構(gòu)造條件，對于排土場邊坡，選取邊坡安全儲備系數(shù)為1.20。認(rèn)為Fs＞1.2 時邊坡穩(wěn)定，1.1＜Fs＜1.2 時邊坡基本穩(wěn)定，1.0＜Fs＜1.1 時邊坡存在一定風(fēng)險，F(xiàn)s＜1.0時邊坡不穩(wěn)定。

2 坡面臨界值分析

2.1 滑坡破壞模式和邊坡穩(wěn)定性計算方法與參數(shù)

內(nèi)排土場上部排土臺階由黃土和巖石混合物料排棄而成，下部排土臺階由松散的巖石組成，滑坡破壞模式也是上部垂直裂縫，下部呈圓弧面滑落，內(nèi)排土場基底為11＃煤底板，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，巖石強(qiáng)度較高，地基承載力可以滿足邊坡的穩(wěn)定，基底比實堅硬，可能出現(xiàn)切坡角滑坡，邊坡潛在的滑移模式為圓弧形[7-8]。東露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定計算巖體強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 東露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定計算巖體強(qiáng)度參數(shù)

露天礦邊坡穩(wěn)定評價指標(biāo)采用安全系數(shù)法，設(shè)計中計算采用畢肖普法法和瑞典條分法，瑞典條分法與簡化畢肖普法計算公式如下：

式中：Fs為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ci為有效黏聚力，Pa；li為土條i 的弧長，m；Wi為土條自重力，N；αi為滑弧切線角，（°）；ui為孔隙壓力，Pa；φi為有效內(nèi)摩擦角，（°）。

式中：mi為第i 個條塊的計算系數(shù)。

內(nèi)排土場排棄的均為松散物料，邊坡潛在的滑移模式為圓弧形，經(jīng)計算瑞典條分法穩(wěn)定系數(shù)較小，結(jié)果取瑞典條分法的值[9-11]。

為了保障現(xiàn)場局部高段排土安全的同時，最大限度放寬限制條件，東露天礦根據(jù)實際排土作業(yè)環(huán)境，設(shè)置不同作業(yè)參數(shù)找到邊坡失穩(wěn)極限。為了找到邊坡失穩(wěn)臨界值，自變量為內(nèi)排土場平盤寬度與基底傾角，平盤寬度分別為40、50、60、70、80 m，各平盤寬度分別對應(yīng)內(nèi)排土場基底傾角為8°、6°、4°、2°、0°、－2°、－4°、－6°、－8°，依次得出內(nèi)排土場局部穩(wěn)定系數(shù)與邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)，排土場臺階標(biāo)高分別為1 140、1 260、1 290、1 320、1 350、1 380、1 410、1 430、1 450 m。

內(nèi)排土場局部1 140～1 260 m 水平實施了超高段排土，段高120 m，最下部排土平盤實施高段排土，相比其它平盤高段排土，既可以降低卡車運(yùn)距，又可最大限度增加內(nèi)排土場排土空間，同時滿足下部剝離平盤對下部排土空間的需求。

2.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)東露天礦實際排土情況，1 410 m 水平平盤以上為土臺階，其它為巖石臺階，依次分析各參數(shù)下邊坡穩(wěn)定性。不同參數(shù)時內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 不同參數(shù)時內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)

由表2 可知，內(nèi)排土場平盤寬度40～80 m、基底傾角－8°～8°時，邊坡整體都穩(wěn)定。平盤寬度40 m 時，局部高段排土邊坡存在風(fēng)險，平盤寬度50 m 時，基底傾角在－2°～2°時，局部高段排土邊坡基本穩(wěn)定，平盤寬度60 m 時，基底傾角在－2°～2°時，局部高段排土邊坡穩(wěn)定，其它傾角時，局部高段排土邊坡基本穩(wěn)定，平盤寬度70～80 m 時，局部與整體邊坡都穩(wěn)定。

此次研究主要涉及因素有內(nèi)排土場基底傾角與內(nèi)排土場平盤寬度，將此二者作為自變量，研究因變量內(nèi)排土場局部與整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)。各參數(shù)下局部穩(wěn)定系數(shù)趨勢示意圖如圖1。各參數(shù)下內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)趨勢示意圖如圖2。

圖1 各參數(shù)下局部穩(wěn)定系數(shù)趨勢示意圖

圖2 各參數(shù)下內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)趨勢示意圖

由圖1 可知，內(nèi)排土場基底傾角與內(nèi)排土場平盤寬度改變時，同平盤寬度內(nèi)排土場局部穩(wěn)定系數(shù)曲線基本趨于平緩，說明內(nèi)排土場局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)對基底傾角（－8°～8°）敏感性差。當(dāng)基底傾角位于0°附近時，曲線向上凸起，說明在平盤寬度不變時，基底傾角不論正負(fù)，絕對值越小內(nèi)排土場局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)越大。反觀，當(dāng)基底傾角一定時，隨著內(nèi)排土場平盤寬度增加，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)也隨之柔和過渡增大，說明內(nèi)排土場局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)對平盤寬度較敏感，因此，內(nèi)排土場局部穩(wěn)定系數(shù)主要受平盤寬度制約。當(dāng)基底傾角位于－8°～8°時，為了保證排土局部邊坡邊坡安全，平盤寬度要在60 m 及以上。

由圖2 可知，內(nèi)排土場基底傾角與內(nèi)排土場平盤寬度改變時，同平盤寬度時內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)曲線基本趨于平緩，說明內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)對基底傾角（－8°～8°）敏感性差。當(dāng)基底傾角一定時，隨著內(nèi)排土場平盤寬度增加，整體穩(wěn)定系數(shù)也隨之增大，尤其當(dāng)平盤寬度增加至70～80 m 時，較較小平盤寬度內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)突變增大，說明內(nèi)排土場整體穩(wěn)定系數(shù)對平盤寬度敏感度較高。當(dāng)基底傾角位于－8°～8°時，為了保證排土整體邊坡與設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)安全，平盤寬度要在40 m 及以上。

3 局部超高段排土技術(shù)措施

東露天礦煤層屬于近水平（傾角小于5°）煤層，由于破碎站移設(shè)、采空區(qū)影響與征地滯后影響，最下部11＃煤臺階推進(jìn)緩慢，內(nèi)排土場下部平盤空間緊張，為合理增加下部排土空間，同時降低卡車運(yùn)距和生產(chǎn)成本，依據(jù)上述模擬進(jìn)行分析，在內(nèi)排土場基底傾角范圍為－8°～8°時，只有在內(nèi)排土場平盤寬度≥60 m 時才可保證內(nèi)排土場局部與整體邊坡穩(wěn)定。因此在可以滿足內(nèi)排土場空間要求時，東露天礦在實施下部排土平盤超高度排土?xí)r，需保證排土平盤寬度不低于60 m，在排土空間暫時極度缺乏時，借助“邊坡失效”理論，排土平盤寬度可縮小至50 m，此時局部超高段排土邊坡基本穩(wěn)定，待下部空間釋放后，迅速在下部釋放空間反向堆排，降低超高段排土段高。

4 結(jié)語

1）通過分析影響內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定因素：內(nèi)排土場基底傾角與平盤寬度，得出了內(nèi)排土場超高段排土局部與整體邊坡穩(wěn)定臨界值。

2）通過調(diào)整自變量內(nèi)排土場傾角與平盤寬度，得出基底傾角位于－8°～8°時，傾角對邊坡穩(wěn)定性影響較小，平盤寬度對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

3）當(dāng)內(nèi)排土場基底傾角位于－8°～8°時，超高段排土段高為120 m 時，平盤寬度達(dá)到40 m 及以上可以保證整體邊坡穩(wěn)定。平盤寬度達(dá)到60 m 及以上可以保證局部超高段邊坡穩(wěn)定。