露天礦內(nèi)排土場(chǎng)堆疊過程中邊坡形態(tài)優(yōu)化

周永利，黃浩軒，翟正江，王忠鑫，王金金

（1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

近年來我國(guó)大部分的露天礦都遇到了外排土場(chǎng)排土空間嚴(yán)重不足進(jìn)而轉(zhuǎn)向內(nèi)排的問題。內(nèi)排土場(chǎng)的邊坡形態(tài)與露天礦的安全、經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，由于內(nèi)排土場(chǎng)的運(yùn)距較短，所以內(nèi)排土場(chǎng)的排棄空間越大，露天礦的經(jīng)濟(jì)效益越好，但隨之而來的邊坡安全隱患問題變得尤為重要[1-2]。近年來許多學(xué)者專家對(duì)露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性及其變性破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了一些成果[3-7]。盡管眾多專家學(xué)者對(duì)露天礦排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于含有軟弱基地的內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問題的研究較少，尤其是在邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究屈指可數(shù)。導(dǎo)致有關(guān)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡發(fā)生的災(zāi)害頻頻發(fā)生，如2014年9月，霍林河露天礦下部弱層沿F4斷層剪出，并于2015年2月發(fā)生滑坡，滑坡體積量約77萬m3，造成大量壓煤無法開采[8]；寶日希勒露天煤礦分別于2005年11月、2006年5月發(fā)生了2次內(nèi)排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，滑坡發(fā)生后采取一系列治理措施對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行加固，導(dǎo)致露天礦經(jīng)濟(jì)效益的損失[9]?？梢妰?nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問題是露天礦亟待解決的難題之一。

綜上所述，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性與露天礦的安全生產(chǎn)息息相關(guān)。為此以哈爾烏素露天煤礦軟弱基地內(nèi)排土場(chǎng)為工程背景，采用剛體極限平衡法與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究，確定了不同排棄高度下邊坡合理的幫坡角度，揭示了內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變性破壞機(jī)理，以確保露天礦日常生產(chǎn)的安全性、高效性、合理性，為類似條件下邊坡穩(wěn)定性問題的研究與治理提供參考。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

哈爾烏素露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，距內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗旗府所在地薛家灣直距約13 km。礦區(qū)內(nèi)第四系黃土廣泛覆蓋。黑岱溝、哈爾烏素溝、不連溝等溝內(nèi)地層出露較好。礦區(qū)內(nèi)地層出露由老到新為：中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭太原組、下二迭統(tǒng)山西組、下二迭統(tǒng)下石盒子組、上二迭統(tǒng)上石盒子組、第四系更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。主要可采煤層6號(hào)煤埋藏淺，厚度大，埋藏深度一般70～130 m，6號(hào)煤平均厚21 m，適合露天開采。由于煤層底板夾有極薄的泥巖層，遇水極易軟化、崩解，促使內(nèi)排土場(chǎng)發(fā)生以基底軟弱夾層為底界面的切層-順層滑動(dòng)。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

剛體極限平衡法是目前國(guó)內(nèi)外最常用的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該方法因操作簡(jiǎn)單、方便、快捷而被人們廣泛使用。它的基本原理是將邊坡分成若干個(gè)剛性塊體，分別計(jì)算每個(gè)塊體的下滑力與抗滑力的比值，再根據(jù)塊體間的相互作用，最終通過迭代算法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)[10]。常用的邊坡穩(wěn)定性二維極限平衡分析法[11-13]主要有簡(jiǎn)化Bishop法、剩余推力法、Janbu法、Spencer法等。其中Bishop法適合用于計(jì)算圓弧滑面滑坡，剩余推力法適合用于計(jì)算任意曲面滑坡，因此以2種算法為基礎(chǔ)，基于CAD平臺(tái)自主研發(fā)了一款邊坡穩(wěn)定性分析軟件對(duì)哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.2 邊坡穩(wěn)定性定量分析

根據(jù)GB 50197—2005《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，結(jié)合哈爾烏素露天礦的實(shí)際情況，確定內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2。哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)最終排棄標(biāo)高為1 200 m，計(jì)算了內(nèi)排土場(chǎng)排棄至1025、1095、1165、1200平盤時(shí)的不同邊坡角度的穩(wěn)定性系數(shù)，邊坡角度從15°開始計(jì)算，每次增加1°，列舉每個(gè)平盤最終確定的邊坡形態(tài)，最終確定的邊坡形態(tài)如圖1，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖1 最終確定的邊坡形態(tài)

圖2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算結(jié)果可知哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)的滑坡模式為沿基底接觸面發(fā)生的切層-順層式滑動(dòng)；在同一排棄高度的條件下，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性隨邊坡角度的增加而降低；在同一邊坡角度時(shí)，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性隨排棄高度的增加而降低，但沒有邊坡角度對(duì)穩(wěn)定性的控制效果好；最終確定當(dāng)排棄至1025平盤時(shí)邊坡角度為18°、當(dāng)排棄至1095平盤時(shí)邊坡角度為17°、當(dāng)排棄至1165平盤時(shí)邊坡角度為16°、當(dāng)排棄至1200平盤時(shí)邊坡角度為16°時(shí)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。

3 邊坡數(shù)值模擬分析

傳統(tǒng)的二維剛體極限平衡法將巖體視作剛體，在計(jì)算過程中不考慮巖體內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，無法深入分析巖體發(fā)生變形破壞的過程；數(shù)值模擬分析中的有限元、有限差分等方法廣泛應(yīng)用于模擬巖體發(fā)生大變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的變化情況[14-15]?；诖耍捎么笮蛶r土工程類分析軟件FLAC3D對(duì)哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性及其變性破壞機(jī)理展開深入研究。為了客觀真實(shí)的反映出內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定情況，選取了排棄至1200平盤時(shí)的邊坡形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。經(jīng)過強(qiáng)度折減，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)為1.211。數(shù)值模擬結(jié)果如圖3。

圖3 模擬結(jié)果

通過模擬結(jié)果中的最大位移云圖可以看出內(nèi)排土場(chǎng)邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的位移分布規(guī)律。從應(yīng)力分布云圖可以看出邊坡自身應(yīng)力近似沿著坡面的形狀呈層狀分布，并由外向內(nèi)應(yīng)力逐漸增加。從剪切應(yīng)變?cè)隽繄D可以發(fā)現(xiàn)邊坡的破壞形式主要受到基底弱層的影響，剪應(yīng)力在弱層處最大。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的滑坡機(jī)理為：內(nèi)排土場(chǎng)基底賦存的弱層在排棄物料的自重作用下產(chǎn)生塑性屈服，其與排棄物內(nèi)部產(chǎn)生的滑裂面貫通時(shí)，邊坡巖體發(fā)生剪切破壞并沿內(nèi)排土場(chǎng)基底弱層擠出。FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與剛體極限平衡法計(jì)算得出的滑面位置、滑坡模式有較好的一致性。

4 結(jié)語

1）哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性主要受基底形態(tài)和基底弱層的控制，潛在滑坡模式為沿排土場(chǎng)地基底接觸面發(fā)生的切層-順層式滑坡。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性隨排棄高度的增加而降低。

2）對(duì)哈爾烏素露天礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定當(dāng)排棄至1025平盤時(shí)邊坡角度為18°、當(dāng)排棄至1095平盤時(shí)邊坡角度為17°、當(dāng)排棄至1165平盤時(shí)邊坡角度為16°、當(dāng)排棄至1200平盤時(shí)邊坡角度為16°。

3）內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的滑坡機(jī)理為：內(nèi)排土場(chǎng)基底賦存的弱層在排棄物料的自重作用下產(chǎn)生塑性屈服，其與排棄物內(nèi)部產(chǎn)生的滑裂面貫通時(shí)，邊坡巖體發(fā)生剪切破壞并沿內(nèi)排土場(chǎng)基底弱層擠出。FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與剛體極限平衡法計(jì)算得出的滑面位置、滑坡模式有較好的一致性。