淺談露天煤礦排土場邊坡穩(wěn)定性

董寶林 張立明

（吉林省工程技術(shù)有限公司，吉林 長春 130012）

1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

該露天煤礦排土場土層由第四系粉質(zhì)粘土、砂、礫石組成。根據(jù)巖土性質(zhì)，露天采掘場剝離物可分三層。上部為粉質(zhì)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(jù)《該露天煤礦水文地質(zhì)、工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查報(bào)告》及巖土物理試驗(yàn)結(jié)果，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)表

2 排土場邊坡穩(wěn)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(qū)初始拉溝北部設(shè)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(shí)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(dá)產(chǎn)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(qū)初始拉溝境界以外北西側(cè)，占地面積18.30hm2，排棄高度40m，實(shí)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(dá)產(chǎn)第1 年剝離物的外部排棄。

2.1.2 內(nèi)排土場概況

根據(jù)開采進(jìn)度計(jì)劃和排土計(jì)劃，露天礦達(dá)產(chǎn)第3 年即可具備完全內(nèi)排條件，內(nèi)排標(biāo)高為+360～+370m，基本與地表保持相同高度。

2.2 排土場邊坡穩(wěn)定分析

2.2.1 計(jì)算方法的確定

本次分析采用Bishop 法，Bishop 法設(shè)滑面為圓弧面，安全系數(shù)表述為對滑面旋轉(zhuǎn)中心的抗滑力矩與下滑力矩之比，每個(gè)分條都處于力的平衡狀態(tài)。這一方法在求解安全系數(shù)時(shí)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(shù)的表達(dá)式中不存在，但它是在推導(dǎo)安全系數(shù)的過程中，通過平衡方程消去的。每個(gè)分條都滿足力的平衡條件，整個(gè)滑體滿足力矩的平衡條件，沒有考慮單個(gè)分條力矩的平衡條件。由于分條間的剪力很難求得準(zhǔn)確，所以從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，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(shù)，在安全系數(shù)的表達(dá)式中，又消除了滑面旋轉(zhuǎn)半徑的影響。

計(jì)算公式如下：

式中：K-抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；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(shí)取負(fù)值，向下時(shí)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(shí)針為正角，順時(shí)針為負(fù)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(shí)針為正角，順時(shí)針為負(fù)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(nèi)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(dòng)方向一致時(shí)取正值，反之取負(fù)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(dòng)面圓弧半徑(m)。

2.2.2 排土場邊坡穩(wěn)定計(jì)算

本次排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，通過slide 專業(yè)軟件，結(jié)合排土場具體參數(shù)建立計(jì)算模型，通過計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)行了上千次的搜索（計(jì)算機(jī)通過軟件計(jì)算過程見圖1）。報(bào)告中給出的計(jì)算結(jié)果是最危險(xiǎn)的滑弧，也是安全系數(shù)最低的滑弧，具體結(jié)算結(jié)果如下：

圖1 簡化畢肖普法計(jì)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(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，外排土場排棄最高度35～40m，邊坡角18°～20°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.58，見圖3。

圖3 外排土場邊坡計(jì)算結(jié)果圖

2.2.2.2 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

內(nèi)排土場基底為采坑底部巖層，計(jì)算條件如下：

（1）排棄物料內(nèi)摩擦角18°，凝聚力15kPa，容重18kN/m3；

（2）內(nèi)排土邊坡滑坡模式為圓弧式滑坡。

經(jīng)過計(jì)算，內(nèi)排土場排棄高度120m，邊坡角17°時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.249，見圖4。

圖4 內(nèi)排土場邊坡計(jì)算結(jié)果圖

2.2.3 排土場邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，外排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.2（服務(wù)年限小于10 年）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果外排土場穩(wěn)定性系數(shù)為1.58，內(nèi)排土場穩(wěn)定性系數(shù)為1.249，均大于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定數(shù)值。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

排土場邊坡穩(wěn)定性直接影響露天煤礦正常安全生產(chǎn)。本報(bào)告通過對礦山的地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，根據(jù)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)。通過邊坡計(jì)算軟件slide 進(jìn)行計(jì)算分析得出排土場邊坡計(jì)算結(jié)果圖，通過進(jìn)一步對結(jié)果圖的分析得出以下結(jié)論：

該露天煤礦詳細(xì)的地質(zhì)資料及巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，為排土場的邊坡穩(wěn)定性分析提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采用極限平衡方法計(jì)算排土場邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明排土場邊坡穩(wěn)定性良好，可以確保安全生產(chǎn)。

3.2 建議

3.2.1 嚴(yán)格按《該露天煤礦初步設(shè)計(jì)》施工，在露天煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，排土場參數(shù)必須與設(shè)計(jì)保持一致。

3.2.2 在建設(shè)和生產(chǎn)過程中，如外排土量增加（在現(xiàn)有排土場地）或排土場內(nèi)排條件發(fā)生變化時(shí)，需要對排土場邊坡穩(wěn)定性重新計(jì)算。

3.2.3 在建設(shè)和生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)排土場邊坡監(jiān)測工作，確保邊坡穩(wěn)定持續(xù)性。