高地震烈度帶傾斜基底排土場穩定性分析

羅 淵，劉興德

(四川省煤炭設計研究院，成都 610000)

0 引 言

我國露天煤礦生產過程中，外排土場的選址及安全穩定性評價是礦山持續長久生產的關鍵環節之一[1]。青海大頭羊煤礦二礦為一夾持在北西向逆推斷層帶內，呈條帶狀含煤區。為積極響應國家低產能礦井升級改造政策，公司決定對大頭羊煤礦二礦進行改擴建，設計將礦區西側F4斷層上盤及野羊溝以西+3 750 m 水平以上區域進行露天開采。結合該露天礦開拓運輸方式，考慮到露天礦采掘場周圍地形陡峭，經多次實地踏勘，首采區往東約0.3 km處有一迂回彎曲的溝谷條帶，溝谷地形上寬下窄，地形坡度9°～12°，可選做外排土場位置，能夠實現巖石就近排棄，降低礦山運營費用。由于本礦地處祁連山地震帶[2]，根據我國地震帶分布顯示，該地區地震發生頻率高，強度大，峰值加速度可達0.1～0.15 m/s2，平均震害指數為0.11～0.30，一旦發生高烈度地震，將對外排土場的安全造成較大影響[3]，因此對大頭羊煤礦二礦排土場改擴建過程中不同工況條件下的穩定性進行分析和預測，提出相應治理措施。

1 排土場滑移模式預測

該礦新選擇外排土場排土時，沿溝谷地形轉折分段排棄，分段設置攔石壩。經計算，外排土場總占地129 hm2，容量131.11 Mm3。達產時共排土兩段，第一段占地面積8.67 hm2，達產時排棄總高度100 m，自上而下共計4個排土臺階，單臺階平盤寬度60 m，累計可排土(松方)9.36 Mm3，最終幫坡角18°。第二段向外擴容，累計占地面積11.25 hm2，增加2個排土臺階，形成最終排土總高度140 m，松方容量11.24 Mm3，最終幫坡角12°。

該礦采用單斗+卡車的間斷式開采工藝，剝離物經坑內非工作幫運輸平臺轉運至外排土場場內堆棄，經推土機轉運壓坡腳堆置。排土臺階由上而下逐個形成。先剝離的第四系表土層和內化層排棄在較高標高位置，當臺階形成后，在坡腳處堆置礦坑深部比較堅硬的巖石，逐漸蓋住上一臺階的坡腳，同時在臺階破底線位置開始設置3%～5%的反坡并設置車檔，起到擋滑土和滾石的作用。這種“上土上排”“下巖下排”的壓坡腳式組合臺階排棄方式，不僅實現了穩固基底的作用[4]，同時大大縮短運距，具有較好的經濟效益。

根據排土場地形地質特征，推測滑移模式主要可能在人工排棄物料層中或在人工排棄物料層與基底表層內形成[5]，滑動模式為圓弧或順層折線式滑動。

2 排土場巖土物理力學性質的選取

排土場所接受的排棄物為成巖性差的松散巖體和軟弱巖。基巖主要由上石炭統扎布薩卡蘇組和克魯克組(C2z-k)組成，巖性為灰綠色絹云母千枚巖，灰白色厚層狀條帶狀結晶灰巖，局部為奧陶系中統大頭洋組(O2dt)，巖性以礫屑灰巖為主，夾紫色砂巖、泥巖。對于排土場地表基底層，長期裸露受風化作用影響較大，力學強度較低。排棄物的黏聚力C、內摩擦角φ的取值主要由原巖屬性折減，排棄物中不同性質巖石的分布及比例，物料塊度、光滑度、松碎程度、孔隙度、含水率等多因素決定[6]。初始排棄的物料是松散的，黏聚力為零，內摩擦角為其自然安息角32°。但隨著時間的推移和機械設備的碾壓，排棄物中的黏土質巖土壓實后有了黏結作用[7]，同時因巖塊剝蝕、破碎等作用而使內摩擦角有所減小[6]。參照其他礦山經驗并結合當地巖層情況，最終采用指標見表1。

表1 排土場邊坡穩定性計算選取的物理力學指標表

3 排土場邊坡穩定性計算

根據可行性研究確定的排土方案，外排土場排棄方式采用單斗卡車-推土機壓坡腳式組合臺階排棄方式。其中，第一段外排土場分4個臺階，分別為4 370～4 335 m、4 360～4 300 m、4 350～4 265 m、4 340～4 230 m。第二段外排土場分6個臺階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 310～4 260 m。

選取典型剖面，建立排土邊坡穩定性計算模型，分別采用簡化BISHOP法和Morgenstern-Price法對選取的邊坡進行圓弧滑坡及順層滑坡穩定性計算，第一段外排土場計算結果見圖1～4。

圖1 天然工況圓弧滑坡Fs=1.198

圖2 地震工況圓弧滑坡Fs=0.952

圖3 天然工況順層滑坡Fs=1.210

圖4 地震工況順層滑坡Fs=0.961

同樣，采用簡化BISHOP法(圓弧滑坡)和Morgenstern-Price法(順層滑坡)分析方法對第二段外排土場進行計算，結果如表2所示。

表2 可研確定的排土方案邊坡穩定性計算結果表

由上表可知，按可行性研究確定的排土方案，第一段外排土場邊坡為不穩定狀態，第二段外排土場邊坡為基本穩定狀態，均不符合規范要求。為此，在原排土方案基礎上，根據邊坡穩定性分析情況，對排土臺階高度進行調整，其中，第一段外排土場4個臺階分別為4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(該臺階坡面角由30°改為27°)。第二段外排土場分6個臺階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。經調整后，邊坡穩定性計算結果見表3。由表3可知，調整后外排土場邊坡穩定性系數均滿足規范要求。

表3 調整后的排土方案邊坡穩定性計算結果表

4 結論與建議

根據邊坡穩定性分析計算，可行性研究確定的排土方案，第一段外排土場邊坡為不穩定狀態，第二段外排土場邊坡為基本穩定狀態，均不符合規范要求。為此，在可行性研究確定的排土方案基礎上，根據邊坡穩定性分析情況，對排土臺階高度進行調整，其中，第一段外排土場設4個臺階，分別為4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(該臺階坡面角由30°改為27°)。第二段外排土場設6個臺階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。經調整后，外排土場邊坡穩定性系數均滿足規范要求。

該礦外排土場服務年限長，溝谷地形蜿蜒曲折，需正確處理外排土場場址地基，清除溝谷第四系軟弱層，破臺階底板形成臺階狀，形成粗糙基地接觸面，增大摩擦力，提高穩定性。同時對外排土場溝谷內的地下水和滯留水，在堆排土之前挖滲溝疏干基底，傾填碎石塊作墊層，采用盲溝、透水管或涵洞形式將水引出場外，減少外排土場的匯水，提高外排土場的穩定性。