露天礦內排土場堆疊過程中邊坡形態(tài)優(yōu)化

周永利，黃浩軒，翟正江，王忠鑫，王金金

（1.神華準格爾能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

近年來我國大部分的露天礦都遇到了外排土場排土空間嚴重不足進而轉向內排的問題。內排土場的邊坡形態(tài)與露天礦的安全、經濟息息相關，由于內排土場的運距較短，所以內排土場的排棄空間越大，露天礦的經濟效益越好，但隨之而來的邊坡安全隱患問題變得尤為重要[1-2]。近年來許多學者專家對露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性及其變性破壞機理進行了研究，取得了一些成果[3-7]。盡管眾多專家學者對露天礦排土場邊坡進行了大量研究，但對于含有軟弱基地的內排土場邊坡穩(wěn)定性問題的研究較少，尤其是在邊坡形態(tài)優(yōu)化設計方面的研究屈指可數。導致有關內排土場邊坡發(fā)生的災害頻頻發(fā)生，如2014年9月，霍林河露天礦下部弱層沿F4斷層剪出，并于2015年2月發(fā)生滑坡，滑坡體積量約77萬m3，造成大量壓煤無法開采[8]；寶日希勒露天煤礦分別于2005年11月、2006年5月發(fā)生了2次內排土場邊坡失穩(wěn)現象，滑坡發(fā)生后采取一系列治理措施對內排土場進行加固，導致露天礦經濟效益的損失[9]。可見內排土場邊坡穩(wěn)定性問題是露天礦亟待解決的難題之一。

綜上所述，內排土場邊坡的穩(wěn)定性與露天礦的安全生產息息相關。為此以哈爾烏素露天煤礦軟弱基地內排土場為工程背景，采用剛體極限平衡法與數值模擬相結合的方法，對哈爾烏素露天煤礦內排土場邊坡穩(wěn)定性問題進行了深入研究，確定了不同排棄高度下邊坡合理的幫坡角度，揭示了內排土場邊坡變性破壞機理，以確保露天礦日常生產的安全性、高效性、合理性，為類似條件下邊坡穩(wěn)定性問題的研究與治理提供參考。

1 邊坡工程地質條件分析

哈爾烏素露天煤礦位于準格爾煤田中部，距內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗旗府所在地薛家灣直距約13 km。礦區(qū)內第四系黃土廣泛覆蓋。黑岱溝、哈爾烏素溝、不連溝等溝內地層出露較好。礦區(qū)內地層出露由老到新為：中石炭統本溪組、上石炭太原組、下二迭統山西組、下二迭統下石盒子組、上二迭統上石盒子組、第四系更新統、全新統。主要可采煤層6號煤埋藏淺，厚度大，埋藏深度一般70～130 m，6號煤平均厚21 m，適合露天開采。由于煤層底板夾有極薄的泥巖層，遇水極易軟化、崩解，促使內排土場發(fā)生以基底軟弱夾層為底界面的切層-順層滑動。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

剛體極限平衡法是目前國內外最常用的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，經過幾十年的發(fā)展，該方法因操作簡單、方便、快捷而被人們廣泛使用。它的基本原理是將邊坡分成若干個剛性塊體，分別計算每個塊體的下滑力與抗滑力的比值，再根據塊體間的相互作用，最終通過迭代算法計算邊坡的安全系數[10]。常用的邊坡穩(wěn)定性二維極限平衡分析法[11-13]主要有簡化Bishop法、剩余推力法、Janbu法、Spencer法等。其中Bishop法適合用于計算圓弧滑面滑坡，剩余推力法適合用于計算任意曲面滑坡，因此以2種算法為基礎，基于CAD平臺自主研發(fā)了一款邊坡穩(wěn)定性分析軟件對哈爾烏素露天煤礦內排土場邊坡進行穩(wěn)定性分析。

2.2 邊坡穩(wěn)定性定量分析

根據GB 50197—2005《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》的要求，結合哈爾烏素露天礦的實際情況，確定內排土場邊坡的安全儲備系數為1.2。哈爾烏素露天礦內排土場最終排棄標高為1 200 m，計算了內排土場排棄至1025、1095、1165、1200平盤時的不同邊坡角度的穩(wěn)定性系數，邊坡角度從15°開始計算，每次增加1°，列舉每個平盤最終確定的邊坡形態(tài)，最終確定的邊坡形態(tài)如圖1，邊坡穩(wěn)定性計算結果如圖2。

圖1 最終確定的邊坡形態(tài)

圖2 邊坡穩(wěn)定性計算結果

通過計算結果可知哈爾烏素露天礦內排土場的滑坡模式為沿基底接觸面發(fā)生的切層-順層式滑動；在同一排棄高度的條件下，內排土場邊坡穩(wěn)定性隨邊坡角度的增加而降低；在同一邊坡角度時，內排土場邊坡穩(wěn)定性隨排棄高度的增加而降低，但沒有邊坡角度對穩(wěn)定性的控制效果好；最終確定當排棄至1025平盤時邊坡角度為18°、當排棄至1095平盤時邊坡角度為17°、當排棄至1165平盤時邊坡角度為16°、當排棄至1200平盤時邊坡角度為16°時的邊坡穩(wěn)定性系數滿足安全儲備系數要求。

3 邊坡數值模擬分析

傳統的二維剛體極限平衡法將巖體視作剛體，在計算過程中不考慮巖體內部應力-應變的關系，無法深入分析巖體發(fā)生變形破壞的過程；數值模擬分析中的有限元、有限差分等方法廣泛應用于模擬巖體發(fā)生大變形過程中應力與應變的變化情況[14-15]。基于此，采用大型巖土工程類分析軟件FLAC3D對哈爾烏素露天礦內排土場邊坡的穩(wěn)定性及其變性破壞機理展開深入研究。為了客觀真實的反映出內排土場邊坡的穩(wěn)定情況，選取了排棄至1200平盤時的邊坡形態(tài)進行數值模擬分析。經過強度折減，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的穩(wěn)定系數為1.211。數值模擬結果如圖3。

圖3 模擬結果

通過模擬結果中的最大位移云圖可以看出內排土場邊坡達到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時的位移分布規(guī)律。從應力分布云圖可以看出邊坡自身應力近似沿著坡面的形狀呈層狀分布，并由外向內應力逐漸增加。從剪切應變增量圖可以發(fā)現邊坡的破壞形式主要受到基底弱層的影響，剪應力在弱層處最大。內排土場邊坡的滑坡機理為：內排土場基底賦存的弱層在排棄物料的自重作用下產生塑性屈服，其與排棄物內部產生的滑裂面貫通時，邊坡巖體發(fā)生剪切破壞并沿內排土場基底弱層擠出。FLAC3D數值模擬計算的結果與剛體極限平衡法計算得出的滑面位置、滑坡模式有較好的一致性。

4 結語

1）哈爾烏素露天礦內排土場的邊坡穩(wěn)定性主要受基底形態(tài)和基底弱層的控制，潛在滑坡模式為沿排土場地基底接觸面發(fā)生的切層-順層式滑坡。內排土場邊坡穩(wěn)定性隨排棄高度的增加而降低。

2）對哈爾烏素露天礦內排土場邊坡進行了形態(tài)優(yōu)化設計，最終確定當排棄至1025平盤時邊坡角度為18°、當排棄至1095平盤時邊坡角度為17°、當排棄至1165平盤時邊坡角度為16°、當排棄至1200平盤時邊坡角度為16°。

3）內排土場邊坡的滑坡機理為：內排土場基底賦存的弱層在排棄物料的自重作用下產生塑性屈服，其與排棄物內部產生的滑裂面貫通時，邊坡巖體發(fā)生剪切破壞并沿內排土場基底弱層擠出。FLAC3D數值模擬計算的結果與剛體極限平衡法計算得出的滑面位置、滑坡模式有較好的一致性。