某露天礦東排土場邊坡穩定性分析

張東旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧 撫順 113122）

露天開采作業條件好、效率高、安全性好，礦山的規模和數量逐年增加。外排土場是露天開采的必然產物，因其一般與采場毗鄰，其穩定與否同時關系到排土與采剝作業人員與設備的安全，一直以來露天采礦行業的學者們對外排土場的研究都非常重視，其穩定性分析是我國露天開采與巖土工程領域研究的熱點問題之一[1-6]。鄭廣斌等[7]利用極限平衡方法對排土場穩定性進行評價，提出增容方案及排土場穩定性防治措施；張子光等[8]運用基于極限平衡理論的Geo-studio 軟件分析邊坡的潛在滑移面及滑坡模式，計算邊坡的安全系數，并分析各因素對邊坡穩定性的影響規律；孫成亮[9]定量計算了外排土場邊坡以及復合邊坡的穩定性，確定了合理的到界邊坡形態，運用FLAC3D軟件對復合邊坡的失穩過程進行了模擬分析，并揭示其滑坡機理；王東旭等[10]對外排土場與非工作幫組成的復合邊坡進行了穩定性分析與計算，總結出邊坡巖體的變形特點及破壞模式，提出了白音華三號露天礦非工作幫變形破壞的治理措施。整體上，以往對于排土場穩定性的研究主要有條分法和數值模擬2 類，尤其是二者相結合時，可發揮各自優勢，獲得比較滿足的效果。某一大型露天礦山，廢石排棄量大，對其穩定性狀態進行科學分析，對于后續排土工程正常接續及保護作業人員設備安全，具有重要的現實意義。

1 工程地質背景

該露天礦目前有2 個外排土場，分別為東排土場和南排土場。其中東排土場排高約40 m、整體邊坡角約12°；南排土場排高約25 m，整體邊坡角度約17°。東排土場與南排土場設計排高均為75 m。主要研究對象為東排土場，東排土場基底主要為風蝕的風積、洪積地貌、裸露的基巖風化巖體；近地表以泥巖、砂質泥巖及煤為主，砂巖類次之組成的風化巖段，風化巖段之下為由煤巖交互巖段和燒變巖段組成，其中煤巖交互巖段巖性以粉砂巖、砂質泥巖及泥巖為主，次為中、細砂巖、粗砂巖，中砂巖、粗砂巖多為接觸－孔隙式膠結類型，泥質膠結物，具顆粒支撐，大多疏松。強度指數6.99～44.18 MPa，平均14.47 MPa；75.8%的巖樣天然抗壓強度<15 MPa，飽和抗壓強度＜10 MPa，軟化系數基本<0.70。鉆孔RQD 值0～75%的巖層占88.3%，巖體完整性為巖體破碎-巖體中等完整，局部地段砂巖的RQD 值可大于75%。燒變巖段多數層段巖石質量指標RQD 為0，巖心采取率較低；強度指數5.23～61.27 MPa，平均18.87 MPa；巖石物理力學試驗天然狀態抗壓強度（下稱天然抗壓強度）0.5～80.9 MPa，平均29.25 MPa，飽和狀態抗壓強度（下稱飽和抗壓強度）1.5～61.6 MPa，但半數樣品飽和后即碎，無法進行試驗。該巖段巖石質量以極劣為主，巖體破碎，穩固性差。東排土場下部燒變巖段屬富水性極強的含水層；又因其四周封閉、氣候嚴重干旱、降雨稀少，補給來源缺乏，在充水影響的范圍內，礦床屬于水文地質條件中等，易于疏干。

綜合來看，東排土場的工程地質條件為層狀巖類中等-復雜型。東排土場的典型工程地質剖面如圖1，東排土場邊坡巖土體物理力學參數見表1。

圖1 東排土場的典型地質剖面

表1 東排土場邊坡巖土體物理力學參數

2 東排土場邊坡穩定性

2.1 邊坡破壞模式

按滑動面與基底面之間的位置關系，露天礦排土場邊坡滑坡通?？煞譃榛滓陨匣瑒印⒀鼗谆瑒雍突谆瑒? 種。為精準確定潛在滑面的位置與形態，采用基于有限差分原理的大型巖土工程分析軟件FLAC 對邊坡穩定性進行了數值模擬研究。模型的四周邊界施加水平約束，底部邊界固定不動，頂部和坡面為自由邊界；加載方式為重力加載。模擬過程中，采用Mohr-Coulomb 準則，以位移不收斂作為滑坡判據，同時考慮剪切和拉伸2 種破壞機制，通過分析模擬得到的位移云圖、剪應變增量圖和速度矢量場，獲取東排土場的最危險滑坡模式，東排土場最終邊坡數值模擬云圖如圖2。

圖2 東排土場最終邊坡數值模擬云圖

數值模擬結果表明，東排土場邊坡變形主要集中在排土場中部單臺階處，以單臺階“圓弧”滑坡為主，剪應力也集中在中部單臺階處。排棄物的松散程度和單臺階高度是邊坡穩定性的控制因素。

2.2 邊坡穩定性定量分析和計算方法

分析排土場穩定性研究的國內外現狀可知，二維極限平衡法是目前應用最廣泛、實用性最強的邊坡穩定性計算方法。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學機理與適用條件均有所不同?？紤]到排土場最危險的滑坡模式為單臺階圓弧滑動，受基底影響是整體邊坡也可能發生非規則曲面滑動，分別采用簡化畢肖普法和Spencer 法，綜合分析邊坡的穩定性，選擇專業軟件Geo-slope 作為計算工具?，F狀邊坡穩定性計算結果見表2。

表2 東排土場邊坡穩定性計算結果

由表2 可知，當考慮單臺階發生圓弧滑動時，穩定系數大于1.2；當考慮排土場發生整體破壞時，穩定系數可達到1.5 以上，均可滿足GB 50778—2012露天煤礦巖土工程勘察規范11.3.1 條關于邊坡安全系數的規定，說明目前東排土場邊坡角度及高度都小于設計值，邊坡穩定性較好，滿足排棄要求。由于東排土場整體邊坡角較小，其穩定性相對較好。

3 排土場邊坡防治措施

依據邊坡穩定性分析結果可知，對于該露天礦東排土場邊坡而言，可從以下幾方面控制其穩定性：

1）采用分散排棄表土及強風化巖的方法，保持高臺階排土的穩定，雨季汛期控制排土物料中泥巖的含量不超過30%～40%，這樣可避免排土堆中形成軟弱界面及地下滲水隔斷層產生滑坡的危險。

2）控制排土場外推進速度，給排土場一定的固結時間，以便增加排土堆場的抗壓強度，采用多點排土或者交替排土，可以緩和這個矛盾。

3）排土場下部，以排棄大塊巖石為主，增強排土場基底的抗剪強度，以提高整體邊坡穩定性。

4 結語

1）東排土場邊坡整體穩定性與單臺階穩定性均能滿足安全要求，可繼續按設計施工。

2）東排土場邊坡最危險的破壞模式為單臺階“圓弧”滑坡，可通過分散排棄表土及強風化巖與控制排土場外推進速度等方式提高其局部穩定性。

3）隨著排棄標高增大和邊坡角加陡，東排土場邊坡整體穩定性必然下降，可通過調整排土順序，先拋棄大塊巖石的方式來增強排土場基底的抗剪強度，以提高整體邊坡穩定性。