扎哈淖爾露天煤礦軟弱基底排土場變形區(qū)治理研究

劉敬玉，趙立春

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 通遼 029100）

由于排土場不能人為的自由選址，加之排土運距、征地困難和環(huán)境保護(hù)等條件限制，排土場的變形破壞、邊坡穩(wěn)定性是影響露天煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1-2]。我國多數(shù)露天煤礦對排土場地未經(jīng)嚴(yán)格勘察和設(shè)計，因而這些排土場邊坡時常發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)與安全。歷史上排土場邊坡發(fā)生失穩(wěn)曾有慘痛的教訓(xùn)，因此有必要對現(xiàn)有排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析及評價，從而為采取合理的治理措施提供依據(jù)[3-6]。

1 排土場穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式

1）穩(wěn)定性影響因素。排土場邊坡的內(nèi)部不存在結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性的主要受排土場基底的工程性質(zhì)、形態(tài)、排土場的高度及角度等因素的影響。排土場覆蓋范圍內(nèi)基底形態(tài)大體分為近水平、順傾、逆傾3 種形態(tài)。當(dāng)排土場基底面的傾向與排棄物邊坡傾向相反時邊坡穩(wěn)定性較好，相同時穩(wěn)定性差[7-8]。

2）潛在的滑坡模式分析。確定滑坡模式是邊坡穩(wěn)定性分析的前提，排土場邊坡是由松散的碎石土人工堆積而成，因而在本質(zhì)上可以認(rèn)為是碎石土材料，這類邊坡的穩(wěn)定性不僅取決于材料本身的強度，而且更重要受到排土場基底巖土體抗剪強度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響，如果基底為軟弱巖層而且力學(xué)性質(zhì)低于排棄物料的力學(xué)性質(zhì)時，則軟基底在排土場荷載作用下必產(chǎn)生地鼓，發(fā)展到一定程度然后導(dǎo)致排土場滑坡[9]。根據(jù)扎哈淖爾露天煤礦排土場現(xiàn)狀和基底巖性考慮，確定其以過主滑線位置的剖面為例，判斷其潛在的滑坡模式為推動式的部分切層－順層－擠出性滑動。

2 排土場數(shù)值模擬

結(jié)合軟弱基底排土場潛在滑坡模式，考慮到排土場潛在變形區(qū)破壞位置確定的復(fù)雜性，采用SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬的方法對排土場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過有限元法應(yīng)力－應(yīng)變位移云圖來判斷變形區(qū)的發(fā)展過程進(jìn)而確定最危險的變形破壞區(qū)。

2.1 模型建立

根據(jù)排土場的排土現(xiàn)狀、軟弱基底形態(tài)和基巖頂板等高線等地層信息建立數(shù)值模擬模型，采用四邊形和三角形相結(jié)合節(jié)點有限元網(wǎng)格，模型共有網(wǎng)格1 094 個節(jié)點，1 009 個單元，模型排土場高度為70 m、砂層厚度45 m，新近系厚度9 m，南北長為1 950 m，各地層從上至下分別為：排棄物料，第四系粉土、新近系黏土，風(fēng)化泥巖帶。

2.2 現(xiàn)狀排土場變形

通過SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬得到的軟弱基底排土場變形云圖如圖1。

圖1 軟弱基底排土場變形云圖

受第四系、新近系軟弱基底影響，排棄物料在自身自重的影響變形以沉降、滑移為主。其中模型最大滑移量為24.3 m，坡頂滑移區(qū)影響范圍0～350 m，坡底滑移區(qū)影響范圍0～320 m；最大沉降為12.4 m，隆起平均4.3 m 坡頂沉降區(qū)影響范圍0～730 m，坡底滑移區(qū)影響范圍0～200 m。在現(xiàn)階段排棄高度下，邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在排土場邊坡上部的推動作用下，中、下部土體出現(xiàn)變形，受軟弱基底的影響，形成類橢球形的變形區(qū)，其中邊坡中部的變形區(qū)滑移量大于沉降量。

2.3 排土場穩(wěn)定性

軟弱基底排土場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果圖如圖2。

圖2 軟弱基底排土場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果圖

由于前期通過擴(kuò)大產(chǎn)能、發(fā)展建設(shè)速度和經(jīng)濟(jì)原因考慮，排土場基底一般不做水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘查，這樣造成對排土場基底地層賦存、軟弱基底結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和巖性指標(biāo)等情況都不甚清楚，這也增加了軟弱基底排土場邊坡問題研究的難度。在現(xiàn)階段排棄高度下，通過計算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.958，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡模式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動，當(dāng)排土場邊坡暴露時間過長、大氣降雨量與降雨強度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動之前建議采用坡角處壓腳、坡頂卸荷減載或者兩者方案結(jié)合實施治理工程措施。

3 排土場邊坡變形區(qū)邊坡治理

結(jié)合以往邊坡工程治理實踐可知，邊坡滑坡治理措施包括3 大類，即卸荷減載、坡角處壓腳；增強、增大邊坡巖體強度；利用三維效應(yīng)，制造支擋物。扎哈淖爾露天煤礦排土場邊坡已經(jīng)形成多年，對于未排之前的防治措施（破壞弱層回填巖石、爆破滑面等）來說并不適用；采用錨索、抗滑樁及擋墻等方式進(jìn)行人工加固時，適用硬巖基底邊坡，不建議采用。針對軟弱基底排土場邊坡的變形，唯一有效可行的措施是對邊坡進(jìn)行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性。

排土場坡坡底滑移區(qū)影響范圍0～320 m，而采、排場之間的安全距離為300 m，若在排土場坡底進(jìn)行壓腳工程，將影響采場邊坡穩(wěn)定。所以排土場邊坡變形區(qū)邊坡治理方案為排土場坡頂卸荷減載方案，北排場卸載方案為卸載為10、20 m 2 種。計算得出的不同卸載高度下排土場坡底位移、排土場坡頂位移、采場邊界位移和排土場穩(wěn)定系數(shù)見表1。排土場邊坡卸荷減載后變形云圖如圖3，排土場邊坡卸荷減載后穩(wěn)定性計算結(jié)果圖如圖4，排土場和采場不同卸載高度下變形量如圖5。

表1 不同卸載高度下排土場變形量和穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表

圖3 排土場邊坡卸荷減載后變形云圖

圖4 排土場邊坡卸荷減載后穩(wěn)定性計算結(jié)果圖

圖5 排土場和采場不同卸載高度下變形量圖

由圖5 可知，隨著排土場卸載高度的增加，排土場坡底位移、排土場坡頂位移采場邊界位移值均成減小趨勢，排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)成升高趨勢，因此，綜合考慮排土場邊坡變形和穩(wěn)定性，排土場卸載20 m，變形和穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

1）通過有限元法極限平衡計算可知，排土場邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.958，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡變形處于初加速和均加速階段，滑坡式為推動式的部分切層-順層-擠出性滑動。

2）通過排土場坡坡底滑移區(qū)影響范圍0～320 m，而采、排場之間的安全距離為300 m，若在排土場坡底進(jìn)行壓腳工程，將影響采場邊坡穩(wěn)定，不建議采用壓腳工程治理措施。

3）隨著排土場卸載高度的增加，排土場坡底位移、排土場坡頂位移采場邊界位移值均成減小趨勢，排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)成升高趨勢。

4）綜合考慮排土場邊坡變形和穩(wěn)定性，排土場卸載20 m，變形和穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。