露天礦初步設(shè)計階段若干問題探討

張壽濤

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司， 北京 100120)

露天礦初步設(shè)計階段若干問題探討

張壽濤

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司， 北京 100120)

為了提高露天礦初步設(shè)計質(zhì)量，指導(dǎo)項目建設(shè)，對設(shè)計過程中存在的軟巖有水邊坡穩(wěn)定性計算、高大邊坡輪廓設(shè)計、工作幫坡角確定、運輸坡道優(yōu)化、排土場容積不足等問題進行了研究，得出了如下結(jié)論:軟巖邊坡穩(wěn)定性計算必須考慮疏干后應(yīng)力狀態(tài)和巖體強度變化，高大邊坡應(yīng)分段設(shè)計并優(yōu)先采用凹形輪廓，工作幫坡角應(yīng)適度降低并采用路堤式坡道，提高排土場容積應(yīng)注意4個方面。

露天礦；初步設(shè)計；邊坡；開拓運輸系統(tǒng)；排土場高度

0 引 言

初步設(shè)計是露天礦基本建設(shè)的必要程序，是在礦區(qū)總體設(shè)計、露天礦可行性研究報告、礦田精查報告等基礎(chǔ)上進行的綜合設(shè)計，是下一步安全設(shè)施設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工組織設(shè)計和建設(shè)項目管理的主要依據(jù)，主要目的是確定設(shè)計能力和場地選擇、開拓運輸方式、開采程序、主要生產(chǎn)工藝及裝備、安全措施等重要技術(shù)經(jīng)濟問題，其設(shè)計質(zhì)量及技術(shù)水平直接關(guān)系到整個礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程的安全、技術(shù)和經(jīng)濟效益。

筆者畢業(yè)之初在內(nèi)蒙古某大型露天礦從事生產(chǎn)設(shè)計工作，后在設(shè)計院負責(zé)露天礦咨詢和勘察設(shè)計工作，在項目勘察設(shè)計尤其是初步設(shè)計過程中深切體會到設(shè)計院對多個關(guān)鍵問題的分析和解決方法存在可優(yōu)化之處，設(shè)計方案與礦山建設(shè)和生產(chǎn)實施方案差異較大，因此提出以下幾個具體問題及其解決方法、思路供參考。

1 關(guān)鍵問題的提出

1.1 水的影響

水(特別是地下水)是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，就目前所掌握資料而言，90%以上的露天礦滑坡發(fā)生在雨季或者與地下水有直接的關(guān)系，這充分說明了水尤其是地下水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的重要因素。邊坡地下水對邊坡穩(wěn)定的副作用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是改變坡體內(nèi)部所受的的應(yīng)力狀態(tài)，例如水位升高而導(dǎo)致邊坡內(nèi)的動、靜水壓力增加；二是降低巖體強度，特別是降低巖體內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。

有水邊坡采取預(yù)疏干工程后，可以大幅降低地下水對邊坡穩(wěn)性的不利影響。受工程設(shè)計深度限制，可研階段邊坡穩(wěn)定性計算多依據(jù)未疏干有水邊坡，初步設(shè)計則多直接引用可研報告結(jié)論，只有少數(shù)考慮了預(yù)疏干后地下水位下降這一有利因素，但很少考慮到另一個有利因素，即預(yù)疏干導(dǎo)致邊坡巖體強度因含水率下降而提高。

1.2 高大邊坡幫坡角選擇與輪廓設(shè)計不當(dāng)

隨著開采規(guī)模擴大與裝備技術(shù)水平提升，露天礦呈現(xiàn)出開采深度不斷加大的趨勢，同時為充分回收資源、降低生產(chǎn)成本，邊坡呈現(xiàn)出不斷加陡的趨勢。高陡邊坡為企業(yè)節(jié)約成本、創(chuàng)造效益的同時，也為采場作業(yè)安全、防止滑坡發(fā)生帶來了極大挑戰(zhàn)，新形勢下合理穩(wěn)定的露天礦邊坡角度和輪廓設(shè)計和研究的重要性也就日益突顯。

1.3 開拓運輸系統(tǒng)設(shè)計存在問題

從某種角度講，露天開采的實質(zhì)就是物料搬移，初步設(shè)計中開拓運輸系統(tǒng)的布置合理與否，直接影響到剝采總運距和運輸設(shè)備能力、數(shù)量的計算。實際工作中常見的問題有:由于受空間限制，剝離和采礦運輸系統(tǒng)常發(fā)生混流和交叉，但從安全生產(chǎn)和避免干擾角度出發(fā)，剝離和采礦運輸系統(tǒng)應(yīng)盡量分離；對排土場坡道與地面的銜接方式仍有優(yōu)化空間。

1.4 排土場容積計算與高度選擇

由于長時間、大規(guī)模開發(fā)，目前國內(nèi)資源賦存條件好的礦田已基本建設(shè)投產(chǎn)，新建項目的基建量和生產(chǎn)剝采均明顯增大，達產(chǎn)時的采掘場面積和外排剝離量明顯增加，直接導(dǎo)致了項目建設(shè)用地超標(biāo)，其中最突出的是達產(chǎn)年外排土場占地面積超標(biāo)。

2 解決方案探討

2.1 有預(yù)疏干工程的軟巖邊坡穩(wěn)定性計算

國內(nèi)專家針對軟巖含水率和巖體強度的關(guān)系開展了多項研究，并取得了可觀的研究成果。林鴻州、李廣信等以粉質(zhì)黏土等為研究對象，指出無論何種土，當(dāng)含水率較低時，其粘聚力隨含水率增加而增加，達到一定數(shù)值后，粘聚力隨含水率增加而減少，且內(nèi)摩擦角與土體含水率呈負相關(guān)。劉紀峰、盧明師通過試驗研究提出粘聚力與含水率的函數(shù)拐點發(fā)生在17.5%。繆林昌等通過研究得出含水率的增加對粘聚力的影響比對內(nèi)摩擦角的影響要大，并通過統(tǒng)計提出了粘聚力、內(nèi)摩擦角與土體含水率之間的關(guān)系方程。

據(jù)上所述，有預(yù)疏干工程的軟巖邊坡進行穩(wěn)定性計算時應(yīng)對地下水的影響進行全面考慮。采取邊坡疏干措施后，邊坡水頭和土體含水率均降低，坡體強度提高，承受荷載減少，整體邊坡和局部危險區(qū)穩(wěn)定系數(shù)均有提高。但由于實際疏干效果難以準(zhǔn)確預(yù)測，對弱層強度隨含水率有明顯變化的邊坡，在初步設(shè)計中應(yīng)進行強度隨含水率變化的邊坡穩(wěn)定性敏感分析，并建議業(yè)主進行專項研究。

2.2 高大邊坡幫坡角選擇與邊坡輪廓設(shè)計

初步設(shè)計中高大邊坡的幫坡角多根據(jù)不同巖性分別計算確定，通常的計算結(jié)果體現(xiàn)為同一巖性段為直線，整體邊坡輪廓為折線。但對于上部軟巖或松散層特別厚的露天礦而言，軟巖或松散層同一巖性采用單一幫坡角可能會導(dǎo)致滑坡。

例如內(nèi)蒙古勝利露天礦非工作幫邊坡巖層由第四系、第三系松散層及煤系地層組成，屬于軟巖邊坡，其中第四系全區(qū)分布，厚度12.3～23.5 m，平均18.7 m；第三系局部分布，厚度0～16 m；煤系地層全區(qū)分布。初步設(shè)計確定第三系及以上地層幫坡角為18°，煤系地層為24°，邊坡高度150 m，總體幫坡角22.79°。在開采深度達到60～80 m時，上部邊坡沿第三系底板發(fā)生一系列滑坡。通過對滑坡機理分析，發(fā)現(xiàn)第三系下部坡度過大且受水的影響，滑動力超過抗滑力，是導(dǎo)致滑坡的主要原因。在采取加密地面疏干井，上部削坡，下部傾倒石方壓腳等工程措施后，滑坡才得到有效遏制。因此對復(fù)雜形狀邊坡應(yīng)對其輪廓形狀進行計算分析，謹慎采用單一幫坡角，推薦按照“上陡下緩”即凹形邊坡輪廓對軟巖邊坡進行設(shè)計。

2.3 開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為降低基建剝離量和初期剝采比，露天礦設(shè)計盡量采用較大工作幫坡角，開拓運輸系統(tǒng)的布置力求緊湊，因而忽略了車輛混流和交叉所帶來的問題。在項目建設(shè)和生產(chǎn)過程中，由于受地質(zhì)條件變化、生產(chǎn)組織等不利因素影響，工作幫坡角很難達到設(shè)計角度，從而為避免剝采運輸系統(tǒng)混流和交叉創(chuàng)造了條件。設(shè)計人員在確定工作幫坡角時不應(yīng)只考慮采場深度和長度、礦層數(shù)，還要考慮地質(zhì)變化、生產(chǎn)組織等多種影響因素，確立合理可行的工作幫角，并在此基礎(chǔ)上進行開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，盡量避免混流和交叉。根據(jù)筆者經(jīng)驗，理論計算出工作幫坡角在12°左右的水平礦層露天礦，初步設(shè)計時工作幫坡角降低1°，有利開拓運輸系統(tǒng)的優(yōu)化布置，也比較符合現(xiàn)場實際情況。

初步設(shè)計多將排土場第一個坡道設(shè)計為半堤半塹形式，在項目建設(shè)和生產(chǎn)過程中，一般利用土場與采掘場地表境界之間留設(shè)的安全距離，將其設(shè)計為兩側(cè)填方的路堤形式，如圖1所示，其優(yōu)點是縮短一個坡道長度的水平運距，降低運輸成本，同時減少了排土場坡道數(shù)，降低了排土場容積損失。

圖1 路堤式坡道

2.4 排土場土地節(jié)約措施與高度選擇

根據(jù)多年經(jīng)驗，排土場節(jié)約土地的主要途徑有以下幾方面:

(1)優(yōu)先實現(xiàn)內(nèi)排，內(nèi)排可以縮短運輸距離，降低運輸成本，而且可節(jié)省外部排土場占地面積，在礦層底板穩(wěn)定和適合內(nèi)排的采空區(qū)應(yīng)優(yōu)先內(nèi)排；

(2)內(nèi)外排土場聯(lián)合布置，在條件允許的情況下將內(nèi)外排土場連接，減少了放坡所造成的容積損失，可大面積節(jié)約土地；

(3)用足排土場總排棄高度，例如露天煤礦項目執(zhí)行的《煤炭工業(yè)項目建設(shè)用地指標(biāo):露天礦、露天礦區(qū)輔助設(shè)施部分》規(guī)定“排土場排棄總高度按不低于86 m確定”；

(4)加大排土場最終邊坡角，主要措施是在保證安全的前提下壓縮排土場最終運輸平臺寬度。

排棄高度是排土場節(jié)約土地的關(guān)鍵，其由排棄場地水文地質(zhì)條件、排棄土巖性質(zhì)、排棄設(shè)備及運輸要求等條件確定，太低造成土地浪費，太大則存在如下問題:一是對于剝離物多為松散物、基底巖性較差的外排土場，排棄高度過大、坡度過陡則易發(fā)生滑坡；二是高度過大對將來的生態(tài)環(huán)節(jié)治理和恢復(fù)工作影響較大，并易導(dǎo)致水土流失甚至地質(zhì)災(zāi)害。

3 結(jié) 論

本文通過分析地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響，歸納國內(nèi)對軟巖含水率和巖體強度關(guān)系的研究成果，提出邊坡穩(wěn)定性計算應(yīng)考慮邊坡含水率下降導(dǎo)致的巖體強度提高；通過對實際滑坡機理分析，提出高大邊坡分段設(shè)計，優(yōu)先選用凹形輪廓；通過工作經(jīng)驗，提出適度降低工作幫坡角以利于開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化，并采用路堤式坡道以節(jié)省運距；從節(jié)約土地角度出發(fā)，提出增加排土場容積的4種途徑及其關(guān)鍵問題。

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2016-03-28)

張壽濤(1983-)，男，山東德州人，工程師，主要從事露天煤礦前期咨詢和設(shè)計工作，Email:pime@163.com。