充水軟弱基底排土場穩定性分析及排棄參數優化

秦 濤，任 鵬，王志鵬

（1.內蒙古自治區能源局，內蒙古 呼和浩特010010；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭科學研究總院，北京100013；4.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013；5.應急管理部信息研究院，北京100029）

我國新疆地區某露天礦位于新疆哈密市境內，設計規模為6.00 Mt/a，剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-半移動破碎站-帶式輸送機半連續開采工藝。煤系地層近水平，地質條件簡單，采場已降深至+345 m 水平，預計2020 年底將開采至最下部可采煤層，目前正在使用的排土場為東排土場和南排土場，均已經形成3～4 個排土臺階，占地面積分別約183.4 hm2和111.5 hm2。為了響應國家關于煤炭資源的“安全、高效、綠色、智能”開發理念，同時縮小排土運距，節約生產成本，計劃在采場降深至最低水平后陸續實現內排。工程地質勘查表明，內排土場基底20～30 m 深度范圍主要由泥巖、砂質泥巖等泥類巖構成，局部區域富水性較強，倘若地下水位在排土場基底標高以上，水會一直浸泡并侵蝕排土場基底及底層排棄物料，基底泥類巖遇水易崩解、抗剪強度與承載力顯著降低，底層排棄物料甚至可能達到塑性或流體狀態，此時內排土場的穩定性將會受到極大威脅。按照最初設計要求，內排土場最終排棄高度為185 m，單臺階高度為30～35 m，最終幫坡角為16°。受地下水等復雜地質因素影響，內排土場基底承載力是否能夠滿足安全要求，排土場邊坡遵循什么樣的失穩模式，設計排土參數是否合理，這些問題亟需得到解決。在工程地質勘查的基礎上，針對以上問題展開深入研究，對于保證邊坡穩定安全與生產正常接續具有重要的理論價值，對于完善排土場邊坡穩定控制理論與方法，改善礦山經濟效益及實現礦山可持續發展具有重要的工程實踐意義。

1 研究區域工程地質條件

研究區域松散地層由第四系和新近系的細砂、粉砂、黃土、礫石及黏土等構成，厚度較小，煤系地層近水平，上部風化巖段巖體主要為燒變巖，呈磚紅色-紅褐色，作為一種特殊類型巖體[1-3]，是砂類巖經火燒、烘烤變質而成，堅硬且孔洞發育，局部呈蜂窩狀，類似于煤炭爐渣，氣孔連通性好，手掰易碎，遇水易碎裂，抗壓強度小于20 MPa，軟化系數小于0.75，屬易軟化巖石，耐凍性差，抗風化能力弱，燒變巖是本區主要含水層，地下水靜儲量豐富，水位標高為406.61～406.91 m，單位涌水量3.598 6～9.045 1 L/（s·m），富水性強-極強，滲透系數為1.52～4.99 m/d。風化巖段以下至地下水位以上干燥巖段巖性以粗砂和粉砂巖為主，巖石強度較大，抗壓強度為20～42.9 MPa。地下水位以下的地層巖性較復雜，以泥類巖為主，強度較低，巖體層狀結構明顯，伴有構造節理面，巖石抗壓強度為2.6～16.9 MPa，軟化系數為0.26～0.34，屬于軟弱且遇水易軟化的巖石。內排土場基底位于地下水位以下，標高為300～310 m，實現壓幫內排后，非工作幫含水層水體順巖層面入滲至排棄物料內部，產生動水壓力，最終導致排土場基底巖體和排棄物料自身抗剪強度降低，不利于邊坡穩定。研究區域內排土場典型工程地質斷面如圖1。

2 地下水對內排土場邊坡的穩定影響規律

2.1 地下水滲流對邊排土場邊坡穩定的影響

圖1 研究區域內排土場典型工程地質剖面Fig.1 Typical engineering geological section of the dump in the study area

實踐表明，若排土場處于容易積水的低洼地帶或水位線之下，水會一直浸泡并侵蝕排棄物料且難以排出，導致排棄物料含水率最終接近飽和狀態，此時排土場的穩定性將會受到很大威脅，因此地下水對排土場邊坡穩定性的影響不容忽視。排棄物料的力學性質與其含水率有密切關系，水的滲入導致排棄物料逐漸達到飽水狀態，這樣不僅降低了黏聚力和抗滑性，更重要的是減少了土體內摩擦角，降低了土顆粒之間的摩擦阻力，因而土體抗剪強度大大降低，變形能力大大增加。此外，排棄物料內部流動的水產生動水壓力，可使滑動力增大、摩擦力減小，為邊坡失穩創造了條件。SEEP/W 是GeoStudio 系列軟件中非常重要的一個模塊，是非飽和土滲流方面的專業分析軟件。土的滲透性是土力學的重要研究內容，SEEP/W 是基于有限元方法進行土體滲流分析的數值模擬軟件，廣泛應用于巖土工程相關的滲流分析，比如邊坡、大壩、基坑、尾礦庫等穩態或瞬態滲流，這里基于SEEP/W 模塊對研究區域排土場邊坡地下水滲流特性展開研究[4-6]。

根據研究區域內排土場典型工程地質剖面NeiP-1 建立的SEEP/W 滲流分析模型如圖2。

模型沿邊坡傾向長度為847 m，模型高度為235 m。結合實際情況，模型左側水頭標高確定為406 m，由于模型右側最深處為內排土場基底，基底地層近水平，排棄物料主要由大塊砂類巖構成，裂隙發育，滲透系數較大，因此右側水頭標高按照基底標高設置為350 m。內排土場邊坡主要巖土層滲透系數取值如下：排棄物料0.01～1.50 m/d，燒變巖1.52～4.99 m/d，砂巖0.39～0.95 m/d，泥巖0.000 57～0.056 m/d，煤層0.000 31～0.017 m/d。

圖2 內排土場NeiP-1 剖面SEEP/W 分析模型Fig.2 SEEP/W analysis model of NeiP-1 profile of the inner dump

內排土場NeiP-1 剖面滲流分析結果如圖3。由圖3（a）可知，模型左側總水頭為150～70 m，總水頭等值線由左向右下降均勻，到達排土場第二級臺階時，下降速率突然增大，等值線加密，表明水體經排土場最下部臺階滲出比較明顯。由圖3（b）可知，模型孔隙水壓力為-800 ～1 400 kPa，排土場基底孔隙水壓力由外向內逐漸增大，在約300 m 長度范圍內由0 kPa 增大到600 kPa，可見水對內排土場基底強度的影響不容忽視。

圖3 內排土場NeiP-1 剖面滲流分析結果Fig.3 Seepage analysis results of NeiP-1 profile in the inner dump

2.2 排土場邊坡變形破壞的數值模擬

應用FLAC3D數值計算軟件，基于研究區域內排土場典型工程地質剖面NeiP-1 構建排的土場邊坡變形破壞數值分析模型如圖4。開展排土場邊坡變形破壞的流固耦合模擬分析，通過模擬計算并分析邊坡水平位移場、豎直位移場、增量剪應變云圖以及位移矢量圖，確定邊坡的潛在滑動部位與破壞模式，為排土參數優化設計與邊坡穩定性控制提供依據。

圖4 內排土場NeiP-1 剖面數值分析模型Fig.4 Numerical analysis model of NeiP-1 profile in the inner dump

模擬計算中巖土體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb 屈服準則描述。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以z 方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統的受力平衡。地下水的影響作用通過孔隙水壓力和孔壓梯度施加于模型表面，設模型底部標高為0 m，則水位標高為156 m，模型表面和底部孔隙水壓力分別為0 MPa 和1.56 MPa。巖土體的物理力學指標是進行邊坡穩定性計算及分析評價的基礎，在計算方法確定的情況下，指標選取的合理性直接決定了邊坡穩定分析結果的準確性，進而影響到邊坡治理方案決策、設計及施工的整個過程。采用的巖土體物理力學性質指標是在室內測試分析的基礎上采用Hock-Brown 強度折減法和滑動反分析法計算獲得[7]，內排土場邊坡巖土體物理力學參數指標見表1。NeiP-1 剖面數值分析結果如圖5。

從水平位移云圖（圖5（a））可知，在設計工況下，內排土場邊坡可能發生排棄物料內部的單臺階或多臺階組合圓弧滑動，尤以最上部臺階水平移動特征最為明顯，最大值約為713 mm，受地下水影響，排土場深部區域土巖接觸面位置排棄物料孔隙水壓力消散速度較慢，物料含水率接近飽和，潛在最大滑動深度位于原坡面位置。從豎向位移云圖（圖5（b））可知，排土場上部區域整體下沉明顯，最大下沉量為431 mm，各臺階坡頂均出現不同程度豎向變形，坡腳位置受剪出影響，豎向位移為正值。從位移矢量云圖（圖5（c））可知，排土臺階均發生朝向臨空面的不同程度變形，潛在滑體位移矢量為圓弧狀，最有可能的剪出位置為排土場第二級臺階坡腳處。綜合分析認，在地下水滲流的影響下，內排土場邊坡變形破壞模式為排棄物料內部的坐落式圓弧滑動。

表1 內排土場邊坡巖土體物理力學參數指標Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass in the slope of internal dump

圖5 內排土場NeiP-1 剖面數值分析結果Fig.5 Numerical analysis results of NeiP-1 profile of the inner dump

3 內排土場排棄參數優化

3.1 排土場極限堆高

采用極限平衡分析法對排土參數進行優化分析，邊坡穩定性安全系數Fs是邊分析過程中的一個定量參數，它直接關系到邊坡參數的經濟性與安全性。《煤炭工業露天礦設計規范》6.0.8 條明確規定了邊坡穩定性安全系數Fs的選用范圍[8]，結合現場實際情況，選取排土場邊坡安全儲備系數Fs為1.2，即Fs＜1.2 時，即認為邊坡穩定性不滿足要求。

勘查結果表明，內排土場基底多為泥巖或砂質泥巖，由于在坑底，因此需要考慮水對巖體強度的影響，結合巖石物理力學測試報告，基底巖層飽和狀態下抗壓強度加權平均值保守取10.41 MPa，根據極薄表土與薄表土層基底極限承載力計算方法[9-10]，取該值的1/3 作為許用應力，即基底極限承載力為3.47 MPa，排棄物料密度為1.9 t/m3，則極限堆高為183 m。

3.2 排棄參數優化

1）排土場段高優化。排土場單臺階坡面角約為33°，當坡面角固定時，計算不同高度（20～40 m）情況下排土臺階的Fs值，繪制的Fs值隨單臺階高度變化曲線如圖6，計算采用Bishop 法。分析可知，在排土臺階Fs值滿足1.2 的條件下，極限排土高度為32 m，結合現場實際情況，建議排土臺階高度采用30 m。

圖6 內排土場Fs 值隨單臺階高度變化曲線Fig.6 The curves of Fs value of inner dumping site with the height of single step

2）排土場極限幫坡角優化。內排土場最大排棄高度為183 m，當排棄總高度固定時，計算不同幫坡角（15°～24°）情況下邊坡的Fs值，繪制的Fs值隨總體邊坡角變化曲線如圖7，計算采用Bishop 法。分析可知，在排土邊坡Fs值滿足1.2 的條件下，極限幫坡角最大值為21°。

3）最終排土平盤寬度優化。當單臺階高度與單臺階坡面角確定時，根據極限堆高即可計算出整體邊坡角與最終平盤寬度值。通過上述分析可知，內排土場極限幫坡角最大值為21°，按照單臺階坡面角33°、單臺階高度30 m、總排棄高度183 m 進行分析，內排土場最終平盤寬度最小值為38 m。

圖7 內排土場Fs 值隨單臺階高度變化曲線Fig.7 The curves of Fs value of inner dumping site with the height of single step

4）內排土場排土參數。基于本次優化分析結果，全面考慮內排土場地質條件與采礦條件，運輸及排棄方式及周邊居民設施分布情況等因素，同時結合采礦設計與排土規劃等資料，綜合確定優化后的內排土場幾何參數如下：最終排棄標高484 m、總排棄高度183 m、最終平盤寬度38 m、一般平盤高度30 m、單臺階坡面角33°以及極限邊坡角21°。

4 結 語

1）采用GeoStudio SEEP/W 與FLAC3D軟件分別研究了燒變巖含水層影響條件下內排土場邊坡地下水滲流規律和巖土體變形移動規律。研究結果表明，燒變巖含水層水體不斷入滲內排土場基底，且補給速度大于排泄速度，導致基底排棄物料孔隙水壓力不斷增大、有效內摩擦角和抗剪強度顯著減小，可能誘發內排土場沿原狀坡面和基底巖土接觸面的坐落式圓弧滑動。

2）根據極薄表土與薄表土層基底極限承載力估算方法確定了內排土場極限堆排高度，采用極限平衡分析的方法對內排土場排土參數進行了優化分析，給出了地下水影響下內排土場邊坡的最優幾何參數，為實際生產提供了依據。