含基底軟弱層的露天煤礦內排土場邊坡形態動態優化

劉 干，馬婧佳

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

含基底軟弱層的排土場邊坡失穩是露天煤礦常見邊坡災害之一，弱層本身性質較其它巖性小，且具有流變性，物理力學性質隨著時間的推移緩慢降低，對內排土場邊坡穩定性的影響程度高[1]。內排土場邊坡主要的失穩模式有：沿排土場地表接觸面滑動、沿排土場軟弱層的滑坡、內排土場表層的局部坍塌以及沿排土場邊坡內部滑面形成的滑坡。因此，內排土場基底含有弱層，將直接影響內排土場的滑坡模式[2]，進而影響邊坡穩定性計算中滑動破壞方式的選擇。若弱層問題處理不好，將會使得內排土場邊坡的穩定性降低，進而對內排相關參數及內排容量產生影響，甚至影響到露天礦山的生產安全。開展含軟弱基底內排土場邊坡穩定性驗算[3-4]是確定露天煤礦合理排土場高度與角度，進而確定排棄量的前提，是保證露天礦山安全有序的排土工作和煤炭資源安全經濟回采的重要條件。

以扎哈淖爾露天礦為工程背景，扎哈淖爾露天礦內排土場為基底含有軟弱層的邊坡，巖體力學性能較差。針對軟弱基底露天礦排土場普遍存在的變形破壞問題[5]，結合扎哈淖爾露天礦內排土場邊坡的工程實際，基于極限平衡理論，選取安全儲備系數與典型計算剖面，分析了內排角度及內排土場發展至不同工程位置對內排土場邊坡穩定性的影響。對動態發展的內排土場邊坡穩定性進行評價，對不滿足安全要求的邊坡參數進行調整。對于露天礦下一步的排土場的發展，改善內排土場參數，增加內排土場容量[6]，掌握內排土場邊坡的滑動破壞模式[7]，指導露天礦山內排工作安全生產，有著重要的意義。

1 露天礦排土工程概況

1.1 露天礦排土工程概述

根據設計選定的開采工藝，露天礦的排棄方式分為2 種：排土機排土場和推土機排土場。排土機排土場承擔連續工藝和半連續工藝系統剝離物的排棄，推土機排土場承擔單斗-卡車工藝系統剝離物的排棄，在礦山內排土場排棄工作，以上2 種排棄方式均有采用。

橫采條件下[8]，隨著剝采工程發展，內排土場向北、向西發展。隨著采場北幫逐步到界實現壓北幫內排，在此之前均為留溝內排，內排土場基底順傾，不利于邊坡穩定性，而且其壓幫傾向長度將影響到采場南幫邊坡的長期穩定性，隨著內排土場向西向北發展，邊坡高度逐漸增大，因而有必要分析其發展至不同工程位置時的穩定性，同時對采礦設計中的內排土場邊坡穩定性進行驗算，有必要時對內排參數進行調整。

1.2 露天礦內排土場工程地質條件分析

內排土場邊坡主要由松散排棄物料及基底組成，內排土場基底為煤層底板泥巖弱層，且向北傾斜，橫采條件下，隨著剝采工程發展，內排土場向北、向西發展。隨著采場北幫逐步到界實現壓北幫內排，在此之前均為留溝內排，內排土場基底順傾。排土場基底地層巖性的差異，也是影響邊坡穩定的重要因素。對于基底順傾的內排土場邊坡來說，基底弱層的賦存情況、弱層的巖土體物理力學參數以及弱層的含水率等條件對內排邊坡穩定性的影響顯著。

綜上所述，由于礦山含有軟弱基底，隨著排棄高度增加，當坡體的自身荷載超過下部軟弱層的承載力時，內排土場邊坡具有沿著場地下部的軟弱層產生滑動的趨勢，滑動模式為圓弧-折線式。

2 露天礦內排土場邊坡形態優化

2.1 邊坡穩定性計算方法

極限平衡方法是最常用的邊坡穩定性分析方法[9]，常用的極限平衡分析法主要有剩余推力法、瑞典圓弧法、簡化Bishop 法等。扎哈淖爾露天礦內排土場的潛在滑坡模式為以IVC 煤層底板為底界面的切層-順層滑動，滑動面形狀為圓弧-折線復合型，基于Bishop 法與剩余推力法2 種算法的原理，進行計算軟件的二次開發，實現了上部圓弧-下部斜切的組合滑動面穩定性計算。

2.2 邊坡安全儲備系數確定

按照GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范中的規定，內排土場小于10 年的安全儲備系數宜為1.2，內排土場大于等于10 年的安全儲備系數宜為1.3。考慮到礦山內排的實際情況與內排跟進速度，綜合確定內排土場的安全儲備系數為1.2。邊坡穩定系數Fs值見表1。

表1 邊坡穩定系數Fs值

2.3 邊坡穩定性計算參數及剖面位置確定

扎哈淖爾露天礦邊坡穩定性分析計算采用的巖土體力學參數指標及其確定方法見表2。

表2 巖土體力學參數指標及其確定方法

結合扎哈淖爾露天礦內排土場邊坡的工程實際，以東西向剖面圖為例進行分析，內排土場穩定性計算剖面位置如圖1。

2.4 內排土場邊坡穩定性驗算及形態優化

由于礦山松散體物料與基底泥巖接觸時間短、黏結不充分，二者的接觸面可視為黏聚力極差、摩擦角較小的軟弱層面，因此，內排土場的潛在滑坡模式為以IVC 煤層底板為底界面的切層-順層滑動。

圖1 內排土場穩定性計算剖面位置

內排土場發展為工作線平行布置，向西傾向推進，以+850 m 水平作為服務分界線，卡車與排土機2 種排土方式并行排土。其中，+850 m 水平以下采用卡車排土，+850～+1 057 m 水平由3 套排土機進行排土。

為驗算內排土場發展過程中的穩定性，選取一走向剖面上的2 個典型工程位置進行穩定性分析，計算時分別考慮了存在基底弱層和弱層被破壞2 種工況，以工程位置I 基底弱層不被破壞時內排土場為例，工程位置I 基底弱層不被破壞時內排土場穩定性計算結果如圖2；工程位置II 基底弱層不破壞時內排土場為例，工程位置II 基底弱層不破壞時內排土場穩定性計算結果如圖3。

圖2 工程位置I 基底弱層不被破壞時內排土場穩定性計算結果

圖3 工程位置II 基底弱層不破壞時內排土場穩定性計算結果

分析內排土場向西發展過程中典型位置的穩定性可知，當內排土場基底弱層不被破壞時，存在一定的滑坡風險，需要局部調整邊坡角度，或采取破壞底板等方式進行處理；當弱層被破壞后，內排土場邊坡角12°，標高增高至+1 057 m 水平時仍能夠滿足安全儲備系數1.2 的要求；另一方面，由于基底形態的起伏和各平盤寬度的不斷變化，內排土場增高后的穩定性不一定會降低。內排土場西幫典型工程位置排土場穩定性計算結果見表3。

2.5 2023 年內排土場的構成

2023 年內排土場已經形成卡車排土場、巖破排土場、輪斗排土場的連片排土場。西側卡車排土場是該礦橫采內排形成的排土場，其推進度受坑內剝采工程進度的影響，同時布置在坑內的3 號煤破碎站也需及時移設，保證卡車內排土場的跟進。經過內排加高10 m 后，卡車排土場位于930 m 水平以下，排棄高度為24 m。

表3 內排土場西幫典型工程位置排土場穩定性計算結果

中部為巖破排土機排土場，新增2 號巖破排土機平行排棄，計劃布置在970 m 水平，只有下排，下排高度為40 m，下排標高930 m 水平，視根據推進度和工作線長度確定。1 號巖破排土機扇形排棄，經過內排加高10 m 后，站立于1 000 m 水平，上排標高為1 017 m 水平，下排標高為970 m 水平。巖破排土機站立水平不改變，根據卡車內排土場的推進度適當調整下排高度。

東部為輪斗排土機排土場，此時輪斗排土機由原有的北排土場逐年過渡至內排土場，輪斗排土機扇形排棄，布置于1 050 m 水平，上排標高為1 067 m 水平，下排標高為1 017 m 水平。

3 結語

1）參照GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范，并綜合考慮邊坡重要性、服務年限以及工程地質條件、力學參數掌握程度，確定內排土場的邊坡安全儲備系數為1.2。

2）按照調整后的設計方案，內排土場向西發展過程中，當基底弱層不被破壞時，在不同的工程位置，存在一定的滑坡風險，需要局部調整邊坡角度，或采取破壞底板等方式進行處理，保證內排動態變化的過程中邊坡的穩定性。

3）當弱層被破壞后，內排土場穩定性系數明顯提高，內排土場增高至+1 057 m 水平時仍能夠滿足安全儲備系數1.2 的要求。

4）建議在開采IVC 煤時，將其底板弱層進行處理并回填巖性較好的大塊，以改善內排土場穩定性。建議做好排棄過程中邊坡監測措施，同時露天礦生產過程中應做好坑內排水措施，防止內排基底遇水泥化，強度減小而引起滑坡災害。