魏家峁露天煤礦內排土場增高擴容研究

曹殿華，張永貴，張曉波

（北方魏家峁煤電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著征地政策逐步完善，征地貴、林草土手續多、用地耗時長嚴重影響各大露天煤礦正常生產，少征地可加快征地進度、降低征地費用，保證露天煤礦高效運轉。據不完全統計，露天煤礦外排土場占地面積達到總占地面積1/2，露天煤礦科技研究學者及工程技術人員已將減少外排土場占用面積作為一項重要研究課題，因露天煤礦剝采比一定，總體剝離量不變，那么內排土場增高擴容研究就成為關鍵所在，也是未來應對征地問題的發展趨勢。

國內安太堡、黑岱溝、哈爾烏素、黑山、河曲、金正泰等[1-8]露天煤礦對排土場擴容進行了不同角度不同程度的研究，并且在工程實踐中取得良好效果，為企業帶來巨大經濟效益。位于黃土高原地區的魏家峁露天煤礦同樣面臨節約征地的問題，因此，針對魏家峁露天煤礦生產實際，將內排土場增高多少米、最終幫坡角提高多少度等問題的研究尤為必要且非常迫切[9-10]。

1 礦山概況

魏家峁露天煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗東部，是一座現代化大型露天煤礦，一期設計規模600 萬t/a，二期設計規模1 200 萬t/a，可采儲量6.86 億t，露天煤礦目前在首采區開采，整體向西南方向推進，已正常連續生產多年。露天煤礦自上而下為黃土層大部分布、紅土層局部分布、砂巖泥巖全區分布、6#號煤層全區分布，煤層賦存平穩，地層傾角近水平，煤層傾角一般要小于2°，個別處小于3°～5°，含水層涌水量小，煤層底板工程地質條件好，隨著工作幫的向前推進，內排土場逐步形成。

2012 年初步設計內排土場臺階參數如圖1。根據2012 版魏家峁露天煤礦初步設計說明書，設計內排土場總高度200 m，總邊坡角17°，最終排棄高度1 176 m 水平。排土臺階高度Hp為32 m，排土臺階坡面角αp為33°。排土帶寬度Ap為20 m，道路外援擋土堆F 為13.5 m，路面寬度T 為28 m，大塊滾動距離G 為26.5 m，道路平盤寬度Bo為68 m，最小工作平盤寬度Bmin為88 m。

圖1 2012 年初步設計內排土場臺階參數

2 內排土穩定性影響因素

魏家峁露天煤礦潛在滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧直線型滑面，排土場邊坡穩定性受多種因素影響，分析主要因素才能確定排土場最大排棄高度。

1）基底承載力。基底承載力大小直接影響排土場高度，承載力不足排棄物料壓入基底，當排棄物料壓入到一定厚度時，容易發生周圍底鼓現象。

2）排棄物料性質。巖石與黃土的黏聚力和內摩擦角不同，造成排棄物料抗剪強度不同，不同排棄物料同等排棄條件下邊坡穩定情況不同。

3）水的作用。大部分滑坡發生在雨季，水體進入邊坡豎向裂縫，土體的含水量或孔隙水壓力增加，有效應力降低，導致土體抗剪強度降低，抗滑力減小，導致邊坡失穩。

3 內排土場增高擴容方案

確定內排土場增高擴容方案應先確定內排土場最大排棄高度，然后通過不同單臺階高度與臺階坡面角、內排土場臺階高度與幫坡角列出增高擴容方案，再通過極限平衡法分析邊坡穩定性進而確定最優內排土場增高擴容方案。

3.1 內排土場基底承載力

眾所周知，基底承載力用表土抗剪強度或基底土相對壓縮變形20 %表示，排土場邊坡穩定應滿足下式要求：

式中：ps為排土場上覆排棄物料主荷載，kPa；pu為地基極限載荷，kPa；fs為地基承載力儲備系數。

式中：ρ 為排棄物料的密度，t/m3；h 為內排土場高度，m；g 為重力加速度，m/s2。

引用太沙基理論，計算土體限承載力pu：

對內排土場而言，可將上式簡化為：

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式中：c 為排棄物料黏聚力，kPa；q 為基底埋深產生載荷，kPa；b 為基底寬度，m；Nc、Nγ為無量綱承載力因數，僅與內摩擦角有關。

魏家峁露天煤礦內排土場邊坡穩定性儲備系數要求大于1.2，內排土場基底以黏土巖、砂質泥巖為主，強度較高。以低洼處積水的不利假設為依據，內摩擦角定為20°，黏聚力定為0.5 t/m2，排棄土巖時下部80 m 為砂巖，上部為紅土、黃土，經計算，內排土場最高增至300 m。

3.2 內排土場參數

3.2.1 單臺階段高與坡面角

單臺階段高越高，同等占地面積情況下，排土場容量越大；然高、超高臺階排土勢必造成單臺階穩定性不夠而片幫滑坡問題，所以單臺階段高應有1 個優選值。巖土物理力學性質不一，巖土單臺階段高也是不一致，砂巖內摩擦角25°，黏聚力120 kPa，密度2.6 t/m3；黃土內摩擦角24°，黏聚力25 kPa，密度1.93 t/m3。

魏家峁露天煤礦內排土場下部2 個臺階為巖石臺階，上部為黃土臺階，臺階高度均為32 m，坡面角為自然安息角33°，結合內排土場排棄實際情況和以往勘探報告，內排土場邊坡較穩定。

調研鄂爾多斯周邊露天煤礦，分析巖土力學性質，單臺階段高選用10、20、30、40 m 4 種方式，單臺階坡面角選用30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40° 10 種方式，對內排土場4 種段高與10種坡面角進行十字正交，計算得到的不同段高/不同單臺階坡面角計算結果，每種方案下的邊坡穩定性系數見表1。

表1 不同段高/不同單臺階坡面角下邊坡穩定性系數

由表1，根據魏家峁露天煤礦采排規劃，內排土場邊坡暴露時間短，按照邊坡穩定系數要求，最大段高的合理區間為30～40 m，最大單臺階坡面角合理區間為30°～33°。因巖石臺階與黃土臺階黏聚力、內摩擦角不同，將巖石臺階段高定為32 m，黃土臺階段高定為16 m，臺階坡面角為自然安息角33°。

3.2.2 內排土場高度與幫坡角

內排土場容量不僅受單臺階高度影響，還與內排土場總高度相關。魏家峁露天煤礦目前排棄高度200 m，邊坡角為17°，根據基底承載力計算可得極限最大高度為300 m。以20 m 為階梯，最大排棄高度選用200、220、240、260、280、300 m 6 種方式。參照周邊露天煤礦情況，幫坡角選用16°、17°、18°、19°、20°、21°、22° 7 種方式，對內排土場6 種最大排棄高度與7 種幫坡角進行十字正交，計算得到的不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩定性系數見表2。

由表2，根據內排土場邊坡穩定性系數要求，結合魏家峁露天煤礦采排規劃，最大排棄高度240 m、最終幫坡角18°較為合理，因內排土場單臺階高度為巖石32 m、黃土16 m，所以將排土場最大排棄高度定為232 m，最終排棄標高1 208 m 水平，最終幫坡角17°，內排土場容量增加6 500 萬m3。

表2 不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩定性系數

3.3 內排土場邊坡穩定措施

為確保內排土場增高擴容方案有效實施，根據煤礦生產實際，制定了內排土場邊坡穩定的措施。

1）測定排棄物料的力學參數。內排前查清基底巖層的賦存狀態及巖石物理力學性質，清除基底上不利于邊坡穩定因素，對內排土場采取基底加固措施，對于不利匯水區域進行疏導引流，提前鉆鑿集水坑，防止邊坡形成滑坡弱層。

2）嚴格按照設計臺階高度及排土順序進行排棄。先排棄2 個巖石臺階增強承載力并提高導水性，內排土場排土工作面向坡頂線方向設置3%～5%的反坡，排土場沿排土工作線方向設置3‰的流水坡度，形成流水通道。

3）對內排土場到界邊坡。重點邊坡每隔200 m布設自動監測線，每條自監測線不低于3 個自動監測點，安排專人進行巡視，在春季解凍期、雨季或坡面上出現沉陷裂縫時加大巡查監測頻率。

4）內排土場堅持到界一塊復墾一塊的原則。修筑網格圍梗并種草綠化，利用植物措施防止水土流失，進而提高邊坡穩定性。

5）定期對露天煤礦的排土場邊坡進行邊坡穩定性分析與評價。定期對露天煤礦的排土場邊坡進行邊坡穩定性驗算，制定邊坡滑預案并定期組織演練，提高全體應對突發邊坡事故的應急處置能力。

4 結語

以降低外排土場用地面積為目的，以內排土場增高擴容為手段，分析了內排土場基底地質條件，內排土場排棄200 m 高度時邊坡穩定且有余量，存在增高擴容的可能性。分析影響邊坡穩定的因素，計算出基底最大承載力對應的極限排棄高度為300 m。采用十字正交法，研究了4 種單臺階段高、10 種邊坡角組合方案下的邊坡穩定性系數，確定巖石單臺階32 m、黃土臺階16 m、邊坡角33°較為合理。采用十字正交法，研究了6 種最大排棄高度、7 種最終幫坡角組合方案下的邊坡穩定性系數，確定最大排棄高度232 m，最終幫坡角17°。內排土場排棄高度增加32 m，排土容量增加6 500 萬m3。