淺談露天煤礦排土場邊坡穩定性

董寶林 張立明

（吉林省工程技術有限公司，吉林 長春 130012）

1 巖土體物理力學指標

該露天煤礦排土場土層由第四系粉質粘土、砂、礫石組成。根據巖土性質，露天采掘場剝離物可分三層。上部為粉質粘土，厚度20m。中部為砂、礫石，厚度15m。下部為砂巖、泥巖、頁巖，厚度65～85m。

根據《該露天煤礦水文地質、工程地質補充勘查報告》及巖土物理試驗結果，巖土體物理力學指標詳見表1。

表1 巖土體物理力學指標表

2 排土場邊坡穩定性分析

2.1 排土場概況

2.1.1 外排土場概況

該露天煤礦外排土場分別為北東外排土場、北西外排土場。

2.1.1.1 北東外排土場

在西部首采區初始拉溝北部設置北東外排土場。北東外排土場占地面積19.30hm2，排棄高度35m，實方容量為3.05Mm3，排土場境界均距離露天礦北部境120m 以外。外排土場主要用于基建期、達產第1 年剝離物的外部排棄。

2.1.1.2 北西外排土場

北西外排土場位于西部首采區初始拉溝境界以外北西側，占地面積18.30hm2，排棄高度40m，實方容量為3.35Mm3，排土場境界均距離露天礦北部境120m 以外。外排土場主要用于基建期、達產第1 年剝離物的外部排棄。

2.1.2 內排土場概況

根據開采進度計劃和排土計劃，露天礦達產第3 年即可具備完全內排條件，內排標高為+360～+370m，基本與地表保持相同高度。

2.2 排土場邊坡穩定分析

2.2.1 計算方法的確定

本次分析采用Bishop 法，Bishop 法設滑面為圓弧面，安全系數表述為對滑面旋轉中心的抗滑力矩與下滑力矩之比，每個分條都處于力的平衡狀態。這一方法在求解安全系數時考慮了分條間力的作用。對于分條間的法向力雖然在安全系數的表達式中不存在，但它是在推導安全系數的過程中，通過平衡方程消去的。每個分條都滿足力的平衡條件，整個滑體滿足力矩的平衡條件，沒有考慮單個分條力矩的平衡條件。由于分條間的剪力很難求得準確，所以從實用的觀點出發，忽略了分條間剪力的作用，這就是Bishop 簡化法。Bishop 法是按力矩定義的安全系數，在安全系數的表達式中，又消除了滑面旋轉半徑的影響。

計算公式如下：

式中：K-抗滑穩定安全系數；Wi-第i 條塊重量(kN)；

Vi-第i 條塊垂直向地震慣性力(V 向上時取負值，向下時取正值)(kN)；

Pi-作用于第i 條塊的外力(不含坡外水壓力)(kN)；

βi-第i 條塊外力Pi 與水平面的夾角(以水平線為起始線，逆時針為正角，順時針為負角)(°)；

αi-第i 條塊底面與水平面的夾角(以水平線為起始線，逆時針為正角，順時針為負角)(°)；

ui-第i 條塊底面的單位孔隙壓力(kN/m)；

bi-第i 條塊寬度(m)；

ci、ψi-第i 條塊底面的有效黏聚力(kPa)和內摩擦角(°)；

MQi-第i 條塊水平向地震慣性力Qi對圓心的力矩(kN·m)；

Qi-第i 條塊水平向地震慣性力(Qi方向與邊坡滑動方向一致時取正值，反之取負值)(kN)；

hPi-第i 條塊外力P 水平方向分力對圓心的力臂(m)；

R-滑動面圓弧半徑(m)。

2.2.2 排土場邊坡穩定計算

本次排土場邊坡穩定性計算，通過slide 專業軟件，結合排土場具體參數建立計算模型，通過計算機模擬，進行了上千次的搜索（計算機通過軟件計算過程見圖1）。報告中給出的計算結果是最危險的滑弧，也是安全系數最低的滑弧，具體結算結果如下：

圖1 簡化畢肖普法計算簡圖

圖2 邊坡軟件分析過程中模擬搜索示意圖

2.2.2.1 外排土場邊坡穩定計算結果

經過計算，外排土場排棄最高度35～40m，邊坡角18°～20°時，穩定系數為1.58，見圖3。

圖3 外排土場邊坡計算結果圖

2.2.2.2 內排土場邊坡穩定計算結果

內排土場基底為采坑底部巖層，計算條件如下：

（1）排棄物料內摩擦角18°，凝聚力15kPa，容重18kN/m3；

（2）內排土邊坡滑坡模式為圓弧式滑坡。

經過計算，內排土場排棄高度120m，邊坡角17°時，穩定系數為1.249，見圖4。

圖4 內排土場邊坡計算結果圖

2.2.3 排土場邊坡穩定性分析

根據《煤炭工業露天礦設計規范》，外排土場邊坡穩定系數不小于1.2，內排土場邊坡穩定性系數不小于1.2（服務年限小于10 年）。根據計算結果外排土場穩定性系數為1.58，內排土場穩定性系數為1.249，均大于《煤炭工業露天礦設計規范》規定數值。

3 結論及建議

3.1 結論

排土場邊坡穩定性直接影響露天煤礦正常安全生產。本報告通過對礦山的地質條件進行了詳細的分析，根據巖土體物理力學指標。通過邊坡計算軟件slide 進行計算分析得出排土場邊坡計算結果圖，通過進一步對結果圖的分析得出以下結論：

該露天煤礦詳細的地質資料及巖土體物理力學指標，為排土場的邊坡穩定性分析提供了可靠的基礎數據。

采用極限平衡方法計算排土場邊坡穩定性，結果表明排土場邊坡穩定性良好，可以確保安全生產。

3.2 建議

3.2.1 嚴格按《該露天煤礦初步設計》施工，在露天煤礦建設和生產過程中，排土場參數必須與設計保持一致。

3.2.2 在建設和生產過程中，如外排土量增加（在現有排土場地）或排土場內排條件發生變化時，需要對排土場邊坡穩定性重新計算。

3.2.3 在建設和生產過程中，加強排土場邊坡監測工作，確保邊坡穩定持續性。