勝利煤田西二號露天煤礦排土場邊坡工程地質環境條件及穩定性預測

陳立云

內蒙古自治區煤田地質局104勘探隊 赤峰 024005

勝利煤田西二號露天煤礦排土場邊坡工程地質環境條件及穩定性預測

陳立云

內蒙古自治區煤田地質局104勘探隊 赤峰 024005

本文以西二號露天煤礦排土場基底工程地質條件為例，利用FLAC3D數值模型著重分析了基底巖土體性質對排土場邊坡變形破壞機制的影響和排棄物本身及排土場基底變形破壞的失穩機制，其結論有助于指導此類排土場邊坡應急防治工程方案的選擇。

排土場；邊坡；地質環境條件；三維數值模型；基底系統的穩定性預測

2011年10月勝利煤田西二號露天煤礦排土場東側局部地段出現裂縫并下沉、塌陷，公路兩側地表出現近1m高的地鼓及張裂縫等地質災害，嚴重威脅了露天煤礦安全生產。如何根據礦區特有的工程地質條件，研究并掌握排土場邊坡的變形破壞機制，預測其穩定性，是廣大巖土工程技術人員亟待解決的重大問題。

勝利煤田西二號露天礦設計生產規模10Mt/a，現排土場東西長2.52km，南北平均寬0.65km，占地面積1.64km2，排土場基底標高1，040m～1，070m，臺階高度14m（5個臺階），排棄物標高1，075m～1，043m，排土高度大于60m，邊坡角18°。

1.地質環境條件

1.1 地形地貌

礦區位于內蒙古勝利煤田西部，距錫林浩特市約為12km，行政隸屬錫林浩特市勝利蘇木管轄。礦區地面高程1，022km～1，111km之間，相對高差89m。為西北高、東南低的緩波狀侵蝕、堆積地形，地面坡度小于7°。

礦區總體呈高原丘陵地貌景觀，地表無基巖出露（除露天采掘場外），僅有一條溝谷穿過，暴雨時成為主要匯水排泄點。

排土場基底總體地形傾向東南、傾角較小、近視水平狀。

1.2 氣象、水文

本區屬半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為289.2mm（多集中在七八九月）；年平均蒸發量1，805.1mm。凍結日期一般150d左右。最大凍土深度為2.89m。

礦區地下水分為兩類，一類為松散巖類孔隙水，以大氣降水（包括冰雪融水）補給為主，僅在雨季形成潛流（絕大部分時間松散層為透水不含水層），由西北向東南徑流、排泄。另一類為基巖裂隙水，賦存6#煤組內，礦坑疏干排水是其主要排泄方式。地下水滲流對排土場穩定性無甚影響。

排土場臺階面上各處的滲透性差異很大，一般情況下滲透性非常好，在經反復碾壓的地方，滲透性明顯降低。

1.3 地層巖性

根據排土場基底揭露深度范圍內的地層成因、沉積規律、物理力學性質及巖石風化程度自上而下劃分為第四系松散層、新近系砂礫巖層、下白堊系煤系地層和部分排棄物料堆積及雜填土層。

（1）第四系沖洪積層（Q）

主要由粉土和粉細砂夾礫砂組成，發育厚度變化較大，一般僅數米至十幾米。黃色，稍濕，中密。粉、細砂成分以石英為主，含少量小礫石。粉土搖震反應中等，無光澤，干強度、韌性較低。礫砂成分以砂巖礫，石英巖礫，安山巖礫為主，礫徑一般10mm～40mm不等，次圓狀，2mm以上顆粒占總質量的35%，其他為中粗砂充填，分選不好。

上述地層屬松散土體結構，為細顆粒均勻連續介質，受地下水作用易于流動。與下伏地層呈角度不整合接觸。

（2）新近系上新統地層（N2）

主要為砂礫巖，灰色—灰綠色，成分為安山巖礫、石英巖礫、砂巖礫、礫徑5mm～30mm，分選較差，系泥質基底式膠結，半交接狀，松散、風化，手捻即碎，中等壓縮性。

該地層屬松散土體結構，穩定性較差。與下伏地層呈

角度不整合。

（3）煤系地層（K1）

主要由灰色—深灰色泥巖和煤層組成，細膩，塊狀，質軟，分層厚度0.40mm～4.20mm，頂部弱風化；其間煤層破碎，透水性較強。

該地層屬層狀碎裂結構，風化裂隙較發育，完整性較差。

（4）雜填土、排棄物回填土（Q4ml）

雜填土，場地內呈零星不均勻分布，以砂土、細砂夾砂礫為主，含生活垃圾等雜物。

排棄物回填土，以粉土為主，含泥巖、砂礫巖等混合排棄物，層厚38.00m～63.70m。壓縮性差—中等密實度，無固結、性質差。

2.排土場—基底系統的三維數值模型

通過分析西二號露天煤礦工程概況及地質條件，掌握排土場坡體結構劃分及基底巖土層賦存特征；分析測定排棄物料和基底巖土體物理力學指標；建立排土場邊坡工程地質模型。

（1）三維有限差分模型

根據勘察資料，建立排土場—基底系統的三維計算模型。模型尺寸：X軸3.0km，Y軸2.5km，基底地層總厚度不小于200 m；排土場最下部臺階沿X軸1.0km～2.0km，沿Y軸方向長度為0.4km～2.0km，臺階數4～9個（對應排棄高度H），單臺階高度15m；地層傾角θ為0°～10°，排棄物自然安息角β為33°，邊坡角α為14°～22°（以2°為步長）。地層傾角θ為0°、坡角α為14°、坡高為60m時排土場—基底系統的三維有限差分模型見圖1所示（其他工況的計算模型略）。

圖1 排土場-基底系統的有限差分模型（θ=0°、α=14°、H=60m）

（2）巖土體物理力學參數

以排土場為例，排土場—基底系統材料分區示意圖見圖2。數值模擬中排棄物與地層巖土體采用帶拉剪復合屈服判據的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，選取變形參數及抗拉強度指標見表1。

（3）數值模型邊界條件及模擬過程描述

數值計算模型4個豎向面及模型底面采用法向位移固定的邊界條件；坡體及基底地層的應力場以自重應力場為主。

圖2 排土場-基底系統材料分區示意圖

根據勘察結果，結合以往邊坡穩定性研究成果，推薦邊坡穩定性時采用表1中所列的指標。

表1 排棄物與基底巖層物理力學參數

（4）數值模擬過程描述

第一步，進行未排棄前地層初始應力場的模擬；

第二步，將獲得的初始應力場模型的位移場及速度場清零，進行排土場排棄的模擬，可依次分臺階或一次性排棄模擬，獲得排土場排棄后的力學響應；

第三步，采用等比強度折減法獲得不同工況下排土場—基底系統穩定系數Ks。

3.基底力學性質對排土場—基底系統的穩定性預測

設計排土場坡高H=60m，基底地層傾角θ=0°，邊坡角α=14°，基底第一層分別為弱層、砂礫巖、粉細砂、粉土，對上述四種工況進行模擬，獲得不同基底下的排土場穩定系數（見圖3）。

圖3 不同基底力學性質下排土場的穩定系數（H=60m，θ=0°，α=14°）

不同基底下排土場臨界失穩時滑裂面的形式見圖4。

圖4 不同基底力學性質下排土場臨界失穩時滑裂面的形式（H= 60m，θ=0°，α=14°）

預測結果表明，若排土場下方基底第一層土層的抗剪強度強于排棄物時，如基底為粉細砂或粉土，排土場的穩定性主要取決于排棄物的力學性質，排土場的穩定系數基本相當，其滑移面主要貫穿于坡體內部；若第一層土層的力學性質弱于排棄物時，如基底為砂礫巖或弱層，由于該層基底受上部排棄物非均布重力荷載的作用，在坡腳位置附近易發生剪切滑動，使得排土場—基底系統的穩定系數有所降低，且系統的滑裂面有向基底貫穿發展的趨勢，滑移失穩模式由坡體內部單一的純剪切滑移失穩向坡體—基底系統的拉剪復合失穩模式發展。即當排土場基底力學強度較小時，其變形破壞模式及穩定性在很大程度上取決于弱層。

4.結論

通過對排土場基底的破壞模擬預測分析，得出如下結論：

（1）掌握邊坡工程地質條件是邊坡穩定性評價的前提和基礎。這為潛在滑坡模式的初步判定提供了基礎資料。

（2）不同時期、不同成因的地層，諸如礦物成分、顆粒大小、膠結物性質和膠結程度等巖土體結構和構造征性差別甚大，且受到巖體結構類型等眾多不確定性因素影響，具有各自的不同的物理力學性質，繼而影響到自身巖體及排土場的穩定性。

（3）在基底形態及邊坡高度一定的條件下，當排土場基底力學強度較小時，其變形破壞模式及穩定性在很大程度上取決于弱層；反之，若排土場下方基底第一層土層的抗剪強度強于排棄物時，排土場的穩定性主要取決于排棄物的力學性質。

（4）由松散軟弱介質構成的排土場位移以下沉為主，排土場變形在西南側為相對不穩定區域，滑坡模式為排土場內部拉裂-剪切圓弧+基底剪切滑移的切層-順層滑動；排土場邊坡失穩是一個應力調整的動態過程，當材料抗剪力學性能充分發揮后也未能抵抗坡體的滑動力時，排土場邊坡將發生滑坡；排土場—基底系統失穩是一漸進過程，須經歷排土場沉降、局部剪切錯動、局部剪切破壞、剪切裂縫擴展和貫通幾個階段；排土場-基底系統失穩過程存在明顯空間異性特征。

[1]劉大野，陳志宏.蒙東能源控股有限責任公司西二號露天煤礦排土場邊坡工程地質勘查報告[R].內蒙古赤峰：內蒙古自治區煤田地質局104勘探隊2012.

[2]煤炭工業露天礦設計規范(GB50197-20015)[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[3]巖土工程勘察規范(GB50021-2001)[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

陳立云(1963-)，男，地質高級工程師，從事地質勘查工作。