哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高研究

羅懷廷，紀(jì)玉石，閆 杰

（1.中國神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高研究

羅懷廷1，紀(jì)玉石2，閆 杰2

（1.中國神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場面臨排棄增高問題。分析了內(nèi)排土場存在的安全隱患，通過數(shù)值模擬內(nèi)排土場邊坡可能存在的破壞模式，研究了內(nèi)排土場承載高度與穩(wěn)定性關(guān)系，邊坡角與穩(wěn)定性關(guān)系。

內(nèi)排土場；增高；邊坡角；地基承載力

0 引 言

哈爾烏素露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，煤層賦存近水平，煤炭資源儲量16.72億t。哈爾烏素露天煤礦采場推進方向自西向東，煤層底板傾向SE，傾角3°～5°，內(nèi)排土場與黑岱溝排土場（外排土場）已經(jīng)連接起來。哈爾烏素露天煤礦排土場設(shè)計穩(wěn)定性：“內(nèi)排土場基底較平緩，基底巖性為砂巖或砂質(zhì)泥巖，強度較高。外排土場的地形坡度為5°～10°，基底為黃土，強度較低。排棄物的內(nèi)摩擦角為23°，內(nèi)聚力為30 kPa，密度為1.8 t/m3。經(jīng)過計算分析，排土場排棄高度為100～120 m時，內(nèi)排土場總邊坡角度為20°時，穩(wěn)定系數(shù)為1.25，可保持基本穩(wěn)定；當(dāng)外排土場邊坡高度為100～120 m時，外排土場總邊坡角為20°時，穩(wěn)定系數(shù)為1.26，可保持基本穩(wěn)定?！眱?nèi)排土場排棄高度為100～120 m，通過歷年穩(wěn)定性評價分析，內(nèi)排土場排棄高度260 m左右時，穩(wěn)定性仍大于1.2。

1 哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場現(xiàn)狀

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高安全隱患：

1）哈爾烏素露天煤礦北側(cè)為黑岱溝露天煤礦，設(shè)計中，哈爾烏素露天煤礦北幫壓煤由黑岱溝露天煤礦開采。由于哈爾烏素露天煤礦已實行內(nèi)排作業(yè)，為減少開采哈爾烏素露天煤礦北幫壓煤時二次剝離量，所以哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排時在北幫區(qū)域?qū)嵭小鞍肓魷吓磐练桨浮?。半留溝排土方案，致使哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場重心向南部偏移，內(nèi)排土場排棄標(biāo)高增加問題。

2）哈爾烏素露天煤礦采場推進方向自西向東，煤層底板傾向SE，傾角3°～5°，致使內(nèi)排土場位于順傾基底上部，易形成沿煤層底板或基底弱層的滑動，不利于內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定。

3）哈爾烏素露天煤礦處于黑岱溝河下部，上游水庫水在地下滲流作用下，通過黑岱溝防洪堤壩的下部，入滲至黑岱溝排土場基底[2－5]。黑岱溝排土場與哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場已連接在一起，地下水入滲將影響內(nèi)排土場安全。哈爾烏素露天煤礦開采中南端幫一直存在涌水點，同時雨水、生活污水均排至采場最下部。根據(jù)礦區(qū)以往內(nèi)排工作，南端幫涌水未經(jīng)處理，直接進行內(nèi)排。端幫滲水與黑代溝河的地下水，將形成內(nèi)排土場基底補充水，將會影響了排土場的穩(wěn)定性。

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排增加，排土場基底順傾，基底匯水等因素耦合影響內(nèi)排土場的穩(wěn)定性，因此對內(nèi)排土場增高作用下穩(wěn)定性進行研究，在哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場區(qū)域布置4個剖面研究，增高區(qū)域?qū)枮跛芈短烀旱V與黑岱溝露天煤礦的影響。哈爾烏素露天煤礦增高區(qū)域穩(wěn)定性控制剖面如圖1。

圖1 哈爾烏素露天煤礦增高區(qū)域穩(wěn)定性控制剖面

2 邊坡變形破壞模式分析

選取現(xiàn)狀邊坡NPZG3剖面，模型如圖2所示，進行數(shù)值模擬研究，在位移云圖如圖3—圖4顯示，位移變現(xiàn)主要為沉降變形，最大位移發(fā)生于1260平盤臨空一側(cè)。圖5為剪切應(yīng)力云圖，從圖中可知，最大剪切應(yīng)力發(fā)生于1260平盤與1058平盤坡腳出，但未出現(xiàn)塑形破壞區(qū)域，且剪應(yīng)力也未貫通。在1 058～1 260 m水平，由于排棄臺階段高較高，最大位移發(fā)生于該處。內(nèi)排土場整體表現(xiàn)為沉降變形。

圖2 邊坡模型

圖3 水平方向位移云圖

圖4 總位移云圖

圖5 剪切應(yīng)力云圖

3 內(nèi)排土場增高控制措施

3.1 地基承載力

排土場基底承載力作為影響排土場整體穩(wěn)定的內(nèi)在因素，分析并研究其極限承載力將顯得至關(guān)重要。排土場整體穩(wěn)定應(yīng)滿足以下條件：

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

其中由式（1）確定：

式中：γ為排土場物料重度，kN/m3；h為排土場的排棄物料排高，m；

排土場整體穩(wěn)定的承載力計算方法，引用太沙基（Terzaghi）關(guān)于土體整體剪切破壞的極限承載力理論，進行排土場基底極限承載力的分析計算。計算公式：

相對于排土場而言，承載力計算公式（3）可簡化為：

式中：pu為地基極限承載力，kPa；c為巖土體的內(nèi)聚力，kPa；q為基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生的荷載；Nc、Nq與地基內(nèi)摩擦角相關(guān)的量綱為1的系數(shù)。通過式（4）可以計算出地基承載力pu。

根據(jù)露天礦邊坡安全儲備要求，哈爾烏素內(nèi)排土場內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性要求大于1.2?？紤]地基安全系數(shù)選取fs＞1.3，最大排高h=280 m；若地基安全系數(shù)選取要大于1.2時，可以增高至h=310 m。因此，哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場可增高至280～310 m。

3.2 排土場不同排棄角度時內(nèi)排土場穩(wěn)定性

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場設(shè)計最終邊坡角為20°。目前，內(nèi)排排土場整體邊坡角18°，本次研究排土場增高至1 275 m水平，在排土場整體邊坡角14°、16°、18°、20°、22°、24°時邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)內(nèi)排土場整體邊坡角與內(nèi)排土場穩(wěn)定性關(guān)系，排土場邊坡穩(wěn)定性大于1.2時，排土場邊坡應(yīng)控制在20°以內(nèi)，可滿足安全要求。目前，內(nèi)排土場邊坡18°時，內(nèi)排土場工作平盤處于設(shè)計最小值，因此內(nèi)排土場排棄邊坡角為18°。內(nèi)排土場不同邊坡角與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系如圖7。

圖6 排土場排棄高度與地基安全系數(shù)關(guān)系

圖7 內(nèi)排土場不同邊坡角與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系

4 內(nèi)排土場增高方案與經(jīng)濟效益

4.1 內(nèi)排土場增高方案

哈爾烏素內(nèi)排土場設(shè)計邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果可知，因黑岱溝露天煤礦剝離開采過程中于哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場北部進行二次剝離，NPZG4剖面整體邊坡角達到30°，其穩(wěn)定系數(shù)不滿足安全儲備系數(shù)的要求。故根據(jù)本次內(nèi)排土場增高區(qū)域研究，建議排土場基底安全儲備系數(shù)選取1.3以上，排土高度增加至275 m，邊坡角控制在18°，內(nèi)排土場由1 245 m增高至1 275 m，分為2臺階增高，每臺階高15 m。增高具體方案為1245平盤及1260平盤寬度為60 m，1260臺階及 1275臺階單臺階邊坡角為38°，增高后內(nèi)排土場排棄至1275平盤，哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場可與黑岱溝外排土場1275平盤并攏，內(nèi)排土場增高區(qū)域平面如圖8。

4.2 增高方案穩(wěn)定性分析

內(nèi)排土場增高至1275平盤后，排土場區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)均大于1.2，滿足安全儲備系數(shù)要求。NPZG4剖面設(shè)計邊坡1140—1200區(qū)間段邊坡角穩(wěn)定系數(shù)不滿足安全儲備系數(shù)要求，在進行增高的同時，建議對1140—1200區(qū)間段邊坡角進行調(diào)整，將該區(qū)間段邊坡角由原設(shè)計的30°調(diào)整為26°，調(diào)整后穩(wěn)定系數(shù)可提高至1.218，滿足安全儲備系數(shù)要求；按照黑岱溝露天煤礦設(shè)計方案，露天礦開挖至最下部時，邊坡穩(wěn)定性為1.040，邊坡處于臨界平衡狀態(tài)。

圖8 內(nèi)排土場增高區(qū)域平面

4.3 經(jīng)濟效益分析

哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高方案中，通過對哈爾烏素內(nèi)排土場增高研究，內(nèi)排土場由1245平盤增高至1275平盤，按照該排棄方案，1245—1260排土平盤可增加0.19億m3排棄物料，1245—1260排土平盤可增加0.23億m3排棄物料，增高擴容區(qū)域共計可增加0.42億m3的排棄空間。在產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟效益的同時，避免了哈爾烏素露天煤礦剝離物料外排。若將該區(qū)域排棄物料排至外排土場，需要增加1.5 km，按每公里運費2元計算，該方案至少可以節(jié)約運輸成本1.26億元。

本項目通過對內(nèi)排土場現(xiàn)有設(shè)計分析，排土場可增加的排土高度，及排土場增高控制措施，形成了一套排土場增高控制方法，為排土場建設(shè)提供了參考；同時，為高效利用現(xiàn)有排土場技術(shù)的推廣起到了一定的推動作用，極具社會效益。

1）最大限度地利用了現(xiàn)有的土地資源，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞；

2）避免了哈爾烏素露天煤礦因運距增加，而運營成本增加，降低生產(chǎn)運營費用；

3）研究成果對排土場的增高及擴容研究提供了參考，可推廣與排棄空間不足礦山，同時為邊坡穩(wěn)定性分析及發(fā)展的推廣起到了一定的推動作用。

5 結(jié) 論

1）通過內(nèi)排土場地基承載力及內(nèi)排土場增高措施的研究，確定了內(nèi)排土場地基安全系數(shù)大于1.3時最大排棄高度為280 m，地基安全系數(shù)大于1.2時最大排棄高度為310 m；內(nèi)排土場邊坡角控制在18°，確定了內(nèi)排基本參數(shù)。

2）哈爾烏素露天煤礦排土場基底安全儲備系數(shù)選取1.3以上，排土高度增加至280 m，邊坡角控制在18°，內(nèi)排土場增高至1 275 m水平。增高哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場沿采礦方向穩(wěn)定性大于1.2，滿足安全儲備系數(shù)要求。

3）北幫NPZG4剖面控制區(qū)域面臨黑岱溝露天礦二次剝離，建議在增高的同時對1140—1200區(qū)間段邊坡角進行調(diào)整，將該區(qū)間段邊坡角由原設(shè)計的30°調(diào)整為26°，二次剝離過程中形成的臨時工作幫穩(wěn)定性大于1.0的要求。

4）哈爾烏素露天煤礦通過內(nèi)排增高，目前可增加0.42億m3的排棄空間，最大限度地利用了現(xiàn)有排土場地，減小了對生態(tài)環(huán)境的破壞。在保證安全的前提下，通過增高擴容避免了哈爾烏素露天煤礦剝離物料外排，預(yù)計可減少外運成本1.26億元。

［1］北方礦山工程技術(shù)聯(lián)合開發(fā)公司.哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高方案和邊坡穩(wěn)定性分析［R］.撫順：北方礦山工程技術(shù)聯(lián)合開發(fā)公司，2016.

［2］翟正江，王振偉，趙雪.黑岱溝排土場變形破壞機理研究［J］.露天采礦技術(shù)，2011（6）：37-39.

［3］劉玉福，王振偉，付相超，等.哈爾烏素露天煤礦充水基底外排土場穩(wěn)定性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2013（2）：25-26.

［4］姚建華.陰灣排土場增高擴容穩(wěn)定性研究［J］.露天采礦技術(shù)，2012（S2）：12-17.

［5］翟正江，王振偉，付相超，等.積水入滲作用下排土場變形破壞機理分析［J］.煤礦安全，2012，43（10）：204-206.

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［7］韓占占.哈爾烏素露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2013（9）：24-27.

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

圖9 C6測區(qū)采空區(qū)地表投影

［2］康文獻，張東闊，李海曉.瞬變電磁法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用［J］.中州煤炭，2009（4）：26-27.

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Research on inner dump increase in Ha'erwusu Open-pit Mine

LUO Huaiting1,JI Yushi2,YAN Jie2
(1.Ha'erwusu Open-pit Mine,China Shenhua Group,Ordos 010300,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Fushun113122,China)

The inner dump of Ha'erwusu Open－pit Mine faces the problem of increase.The article analyzes the safety hidden danger of the inner dump,researches the relationship between load height and stability of inner dump and the relationship between the slope angle and stability through the possible failure mode of the numerical simulation inner dump slope.

inner dump;increase;slope angle;foundation bearing capacity

TD824.7

B

1671－9816（2017）03－0019－04

2016－11－11

羅懷廷（1985—），男，江蘇徐州人，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部副經(jīng)理。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.006

羅懷廷，紀(jì)玉石，閆杰.哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場增高研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：19－22.