傾斜基底排土穩(wěn)定分析及邊坡角優(yōu)化

白 宇，閆 杰，鐘曉勇，王志權(quán)

（1.國能新疆托克遜能源有限責(zé)任公司，新疆 托克遜 838000；2.內(nèi)蒙古平西白音華煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；4.呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000；5.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；6.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122）

露天礦生產(chǎn)中需要大量排土場，傾斜露天煤礦為減少土地占用和縮短剝離運(yùn)距，面臨順傾基底排土作業(yè)安全問題。排土場邊坡的穩(wěn)定性與排棄物料性質(zhì)、基底巖土體性質(zhì)、邊坡形態(tài)等因素有關(guān)外。基底傾向與排土場邊坡傾向一致時，形成順傾邊坡，將對排土場穩(wěn)定與安全造成重大隱患，是影響穩(wěn)定性重要因素[1-2]。學(xué)者們針對排土場排土極限與增高研究方面開展大量研究工作。王勝[3]以吉朗德露天礦為例，分析了順傾層狀邊坡穩(wěn)定性；張信等[4]基于有限元強(qiáng)度折減方法，對順傾軟弱基底邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；陳立云等[5]以勝利西二號露天礦為研究背景，對傾斜基底排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測；曹蘭柱等[6]研究了軟弱傾斜復(fù)合基底排土場邊坡失穩(wěn)機(jī)理與基底傾角對穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律。因此，如何保障傾斜基底排土場邊坡穩(wěn)定性及排土場最終形態(tài)，具有重要的工程實(shí)際意義。

基于此，以神新黑山露天煤礦為研究背景，針對順傾基底排土設(shè)計與邊坡安全問題開展研究[7-12]，分析了順傾基底排土場滑動模式，確定了排土場最優(yōu)邊坡角及最終排土參數(shù)的留設(shè)方法；研究結(jié)果為順傾基底排土設(shè)計及邊坡安全提供借鑒。

1 黑山露天煤礦內(nèi)排基底巖土體特征

黑山露天煤礦地表開采設(shè)計境界東西長13.57～19.29 km，南北寬1.37～3.21 km，地表面積41.64 km2；深部東西長9.70～14.00 km，南北寬0.56～1.60 km，開采深度50～630 m。礦區(qū)位于南傾的單斜構(gòu)造區(qū)域，地層傾向185°，傾角13°～25°，為典型傾斜煤層礦山。首采區(qū)由北向南開采，南幫為工作幫，東西幫為端幫，北幫為非工作幫，剝離及采煤臺階高度15 m，運(yùn)輸?shù)缆穼挾葹?8 m。礦區(qū)含煤煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），該地層含煤15 層，主采煤層從上向下為9＃、11＃和13－2＃煤層。

1.1 傾斜基底工程地質(zhì)條件

首采區(qū)北幫最高點(diǎn)為＋2 742 m 水平，從＋2 565 m 水平以上為燒變巖邊坡，曾出現(xiàn)燒變巖整體滑動變形，邊坡削坡處理后，存在局部單臺階片幫現(xiàn)象。＋2 565 m 水平以下為正常地層，13－2＃煤層直接底板為堅硬的厚層砂巖，基底巖性為中、細(xì)砂巖為主，根據(jù)13－2＃煤底板0～100 m 地層勘查資料統(tǒng)計，底板以下地層分為3 組：①上部：13－2＃煤底板以砂巖為主，局部區(qū)域砂巖剝離顯露泥巖層，該段夾3～4組泥巖層，泥巖最厚約為6 m 左右，該區(qū)段層厚約為25～36 m；②中部：泥巖砂巖互層組，以泥巖與砂巖主要，砂巖中主要為中砂巖－細(xì)砂巖，該組層厚約為17～28 m；③下部：粗砂巖與泥巖互層組，頂部為粗砂巖，中部砂巖以中細(xì)砂巖為主，深部為粗砂巖，中部夾泥巖層組，泥巖一般厚度為4 m 左右，該組為主要含水層。

在底板以下30 m 內(nèi)未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的弱層和不良地質(zhì)條件。

1.2 水文地質(zhì)條件

北幫地層單斜構(gòu)造，南側(cè)為礦坑，北側(cè)和東側(cè)為自然邊坡，西側(cè)為火燒巖山體，存在大量燒變巖。邊坡燒變巖體裂隙發(fā)育，透水性較好，大氣降水及冰雪融化在燒變巖區(qū)域形成補(bǔ)給源，裂隙水在重力作用下，沿地層形成順傾補(bǔ)給。補(bǔ)給通道為西側(cè)火燒巖與礦坑采取坡面。根據(jù)礦區(qū)地下水位觀測資料，在6—7 月豐水期，地下水埋深在傾斜基底深部30.2～93.8 m，靠近邊坡上部埋深較深，邊坡下部埋深較淺。

2 傾斜排土變形機(jī)理與穩(wěn)定系數(shù)

2.1 傾斜排土破壞機(jī)理

露天礦排土場為剝離散體物料堆積形成，傾斜基底排土?xí)r散體物料堆與基底堅硬巖層構(gòu)成典型的二元結(jié)構(gòu)。排棄物料在自重作用下沿順傾基底發(fā)生變形，基底傾向改變了堆積體的受力狀態(tài)，排土斜面上正壓力和下滑力均表現(xiàn)為中部高兩端低的狀態(tài)。傾斜基底單段排土?xí)r基底受力特征如圖1。

圖1 傾斜基底單段排土?xí)r基底受力特征

傾斜基底內(nèi)排土場潛在滑坡模式分為3 種：排棄物內(nèi)部滑動型、沿傾斜基底滑動型、底板基底的深部復(fù)合滑面滑動型。

1）排棄物料內(nèi)部滑動型。指滑坡發(fā)生在排棄物料內(nèi)部，在排土段高達(dá)到一定高度后，排棄物料在自重作用下，在坡頂排土較厚區(qū)域形成沉降變形，在臺階區(qū)域出現(xiàn)的裂縫，滑動位置出現(xiàn)在排棄物料內(nèi)部，滑動模式為圓弧型滑動。

2）沿傾斜基底滑動型。其主要因素為基底層面在地下水或擾動作用下，排棄物料基底下滑力超過基底的嵌固咬合力時，易沿物料與基底接觸面滑坡，其后緣一般發(fā)生在排棄物料內(nèi)部，以圓弧型為主，滑動面中部及下部沿基底層面滑動。

3）基底深部滑動型。是指排土場因地基承載力不足形成的沿深部基底滑動，主要因素為地下水水、排土超限制或邊坡過陡等導(dǎo)致的深層地基滑坡，其特點(diǎn)是沿深部基底破壞，滑動面切入排土場地基內(nèi)產(chǎn)生的滑坡。沿基底弱層滑動時，滑動模式以“坐落滑移式”為主，其主要受弱層控制，既在排棄物料內(nèi)部以圓弧型為主，在基底內(nèi)部沿弱層面滑動，并在坡角處剪出，其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復(fù)合滑動形式。

因此，傾斜基底排土?xí)r易在坡頂區(qū)域形成變形區(qū)域，同時外部因素作用下易形成沿基底面的滑動與深部滑動模式。

2.2 傾斜排土安全儲備系數(shù)

極限平衡分析方法對邊坡安全評價中，安全儲備系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)是分析重要定量參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)計邊坡的經(jīng)濟(jì)性與安全性?！睹禾抗I(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》6.0.8 條規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍。黑山露天煤礦現(xiàn)狀坑底標(biāo)高＋2 355 m 水平，若在＋2 355 m 水平開始內(nèi)排作業(yè)，排棄至地表封閉圈標(biāo)高＋2 550 m 水平，將形成13 級臺階的排土場，高度為195 m；同時，礦區(qū)設(shè)計采深為＋2 130 m 水平，未來排土場下部需要再降低225 m。因此，針對傾斜基底排土場與邊坡重要程度，傾斜基底上部排土?xí)r安全儲備系數(shù)為1.3（≥10 年）。

3 傾斜基底排土穩(wěn)定性

黑山露天煤礦排土場坡面安息角為31°～34°，排棄物料黏聚力為14 kPa，摩擦角為24.3°排土基底地層傾角為15°，直接基底為厚層砂巖。采取同層排棄方式，單臺階排土高度為15 m，傾斜基底區(qū)域可采用單臺階排土或組合臺階排土方案。穩(wěn)定性分析中選取的極限平衡方法為Morgenstern－Price（摩根斯坦－普拉斯法）。

3.1 單臺階與組合臺階排土穩(wěn)定性

單臺階排棄高度為15 m 時穩(wěn)定系數(shù)為1.340，上部平盤寬度為33.74 m，其平盤安全距離遠(yuǎn)大于礦區(qū)最小運(yùn)輸平盤寬度18 m；同時，15 m 單臺階排土?xí)r穩(wěn)定性大于1.3，穩(wěn)定系數(shù)冗余度較大，存在較大的浪費(fèi)空間。排棄高度為30 m 時穩(wěn)定系數(shù)為1.091，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.1，臺階處于自穩(wěn)狀態(tài)，易在臺階邊緣形成滑動變形區(qū)，存在局部塌滑風(fēng)險。單臺階排土模型及計算結(jié)果如圖2。

圖2 單臺階排土模型及計算結(jié)果

根據(jù)內(nèi)排單臺階高度穩(wěn)定與道路寬度分析，分析2 級15 m 組合排土臺階留設(shè)寬度為0、10、20、30 m 時，組合臺階的穩(wěn)定性，2 級臺階組合排土穩(wěn)定分析模型如圖3，2 級組合臺階排土?xí)r穩(wěn)定系數(shù)匯總見表1。

表1 2 級組合臺階排土?xí)r穩(wěn)定系數(shù)匯總表

圖3 2 級臺階組合排土穩(wěn)定分析模型

隨組合臺階安全距離增大，整體穩(wěn)定性逐漸增大。排土臺階安全距離為10 m 時，兩級臺階之間形成整體滑動，穩(wěn)定性大于1.338。而安全距離為20 m時，形式單臺階滑動與兩級臺階整體滑動，穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3。當(dāng)安全距離達(dá)到30 m 時，僅出現(xiàn)局部臺階滑動，兩級臺階之間未形成整體滑動模式。因此，通過兩級組合臺階寬度分析可知，安全距離超過20 m 后，形成臺階之間的滑動形式，單臺階穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，且整體滑動穩(wěn)定系數(shù)位1.829，可滿足安全儲備要求。

3.2 內(nèi)排土場角度優(yōu)化

露天煤礦現(xiàn)狀坑底為標(biāo)高＋2 355 m 水平，排棄至＋2 550 m 水平，可以形成13 級的內(nèi)排土臺階。在北幫排土?xí)r需要選取合理的排土邊坡角，設(shè)計的排土場邊坡角從16°增加至23°，分析不同排土角度下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。內(nèi)排土場排土邊坡角優(yōu)化模型如圖4，內(nèi)排土場排棄角度優(yōu)化結(jié)果如圖5。

圖4 內(nèi)排土場排土邊坡角優(yōu)化模型

圖5 內(nèi)排土場排棄角度優(yōu)化結(jié)果

當(dāng)內(nèi)排土場排土角度大于21°時，整體滑動時穩(wěn)定性小于1.3。由于深部煤層有15 個臺階未開采，為保障深部作業(yè)安全，內(nèi)排土場最優(yōu)邊坡角不能超過21°。當(dāng)深部煤層完全開采后，傾斜基底排土角度可提升至22°。

3.3 傾斜基底最終排土參數(shù)優(yōu)化

傾斜基底排土場邊坡角度整體優(yōu)化研究單排土場邊坡角度不超過21°，穩(wěn)定性可以大于1.3，滿足礦區(qū)安全生產(chǎn)要求。因此，根據(jù)排土邊坡角度優(yōu)化結(jié)果開展排土臺階參數(shù)設(shè)計，根據(jù)礦區(qū)道路通行要求設(shè)計為：①方案Ⅰ：排土場臺階寬度為30 m，排土場最終邊坡角度為16.7°；②方案Ⅱ：排土場臺階寬度20 m，排土場最終邊坡角度為20.2°。

內(nèi)排土場2 種排土方案穩(wěn)定系數(shù)匯總見表2，內(nèi)排土場坡最終排土方案如圖6。

表2 內(nèi)排土場2 種排土方案穩(wěn)定系數(shù)匯總表

圖6 內(nèi)排土場坡最終排土方案

當(dāng)排土臺階安全寬度為30 m 時，排棄物料內(nèi)部穩(wěn)定系數(shù)為1.868；當(dāng)20 m 寬度臺階排棄物料內(nèi)部穩(wěn)定系數(shù)為1.399。沿傾斜基底深部泥砂巖層組滑動時，穩(wěn)定性大于排棄物料內(nèi)部，因此，最終排土設(shè)計中需要重點(diǎn)關(guān)注排棄物料內(nèi)部的滑動模式。

排土臺階安全距離越小，則邊坡角度越大，排土場收納能力越大；單位寬度排土場，排土臺階安全寬度為30 m 時較20 m 的方案將少排棄1.16 萬m3的物料。黑山露天煤礦首采區(qū)北幫平均寬度為1.5 km，若選取30 m 的排土方案，穩(wěn)定性較好，但將損失1 740 萬m3的排土空間；若選取20 m 的排土方案，需要加強(qiáng)排土過程中現(xiàn)場安全管理，同時，加強(qiáng)排土場邊坡監(jiān)測及日常巡查，預(yù)防滑坡及變形發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)語

1）論述了順傾基底排土場滑動分析邊坡的3 類滑動模式：排棄物料內(nèi)部圓弧型滑動、沿煤層底板的直線型滑動、沿底板深部弱層的復(fù)合滑面滑動型。

2）通過對傾斜排土場的單臺階排棄高度與組合臺階穩(wěn)定分析，確定了黑山露天煤礦組合臺階排土方案，單臺階排棄段高15 m，組合臺階最小安全距離20 m。

3）對內(nèi)排土場排棄邊坡角進(jìn)行優(yōu)化可知：當(dāng)排土邊坡角小于21°時，排土場穩(wěn)定系數(shù)在1.3 以上。當(dāng)排土邊坡角在21°～22°時穩(wěn)定性處于1.2～1.3。根據(jù)黑山露天煤礦采排規(guī)劃，建議排土場邊坡角不大于21°。

4）分析了邊坡排土臺階參數(shù)為20 m 和30 m，邊坡角為20.2°和16.7°時整體穩(wěn)定性，形成沿排土基底滑動和沿深部基巖層滑動模式。2 種排土方案中穩(wěn)定系數(shù)均可以滿足安全儲備要求，深部滑動穩(wěn)定系數(shù)大于排棄物料內(nèi)部，排土角度越大穩(wěn)定性越小，則安全距離越小，對應(yīng)內(nèi)排土場容量越大。