平朔東露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及控制對(duì)策

王燕濤，葛山峰，李生龍

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006）

在露天礦生產(chǎn)中，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性是礦山能否正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[1-2]，滑坡是露天煤礦排土場(chǎng)破壞的主要形式，外在原因主要有邊坡受到冰凍、雨雪以及日曬等，誘發(fā)排土場(chǎng)邊坡滑坡的地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在原因有地質(zhì)構(gòu)造、采礦活動(dòng)、水文地質(zhì)條件等，但邊坡技術(shù)管理方面影響往往被人們忽視。如何選擇安全經(jīng)濟(jì)的邊坡角，保證排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，做到杜絕滑坡事故，對(duì)提升礦山經(jīng)濟(jì)效益安全性具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)影響[3-4]。目前，已有不少專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究。陳曉玉[5]基于極限平衡理論的瑞典圓弧法和簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)朝陽(yáng)露天礦排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，排土場(chǎng)邊坡在各種設(shè)計(jì)荷載組合情況下，滿足規(guī)范的最小安全系數(shù)要求，邊坡是穩(wěn)定的。但對(duì)較高且偏陡邊坡，應(yīng)采取如壓坡等處理措施。張春鋒等[6]采用GEO－slop 軟件和Morgenstern－Price 方法定量計(jì)算不同排棄高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果表明：在既定條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)與排棄高度基本呈反比關(guān)系。丁鑫品[7]采用Geo Studio 巖土環(huán)境模擬計(jì)算仿真軟件與三維離散元軟件3DEC 分別就內(nèi)排壓腳對(duì)軟巖邊坡穩(wěn)定的控制作用與內(nèi)排追蹤距離的優(yōu)化方法進(jìn)行研究結(jié)果表明，內(nèi)排壓腳方法對(duì)于端幫邊坡穩(wěn)定控制作用明顯，當(dāng)內(nèi)排追蹤距離為40 m時(shí)，邊坡變形可以得到有效控制，而且生產(chǎn)工作可以實(shí)現(xiàn)正常接續(xù)。張小雪等[8]針對(duì)傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法事先假定滑動(dòng)面可能導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，采用（PFC）顆粒流理論，給出了顆粒流模擬方法，首先對(duì)黏土試樣的雙軸試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合摩爾－庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，得到細(xì)觀參數(shù)對(duì)宏觀特性的影響規(guī)律，然后模擬演示了黏性土坡在自重作用下變形破壞的全過程。馮錦艷等[9]在露天礦高陡邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)中將數(shù)學(xué)中的二分法理念引用于邊坡角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。李文秀等[10]基于限平衡理論和模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)金屬露天礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并依此對(duì)礦山總體邊坡角進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

為了解決東露天礦北幫東排土場(chǎng)屢次滑坡問題，立足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，參考國(guó)內(nèi)已有類似成果，采用離散元PFC 軟件分析了排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面的應(yīng)力分布規(guī)律和位移矢量特征，在此基礎(chǔ)上建立SLIDE 極限平衡模型開展了邊坡穩(wěn)定的定量評(píng)價(jià)，最后針對(duì)存在隱患的邊坡提出了有針對(duì)性的穩(wěn)定控制對(duì)策。

1 工程地質(zhì)概況

平朔東露天煤礦位于平朔礦區(qū)北端，隸屬山西省朔州市平魯區(qū)管轄，地質(zhì)儲(chǔ)量1 848.92 Mt，設(shè)計(jì)服務(wù)年限75 年，4#、9#、11#煤為本區(qū)主要可采煤層，5#、6#、7#、8#煤層為局部可采煤層。平朔東露天礦是在21 世紀(jì)初對(duì)外合作開發(fā)的大型露天礦，是國(guó)家煤炭工業(yè)“十一五”規(guī)劃的重點(diǎn)開工項(xiàng)目，也是平朔建設(shè)億噸級(jí)礦區(qū)的重要組成部分，國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)的建設(shè)規(guī)模為20.0 Mt／a，。礦區(qū)范圍南北長(zhǎng)6.53～10.3 km，東西寬4.42～5.47 km，面積48.409 8 km2。煤層厚、煤質(zhì)好、煤層埋藏淺、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，是我國(guó)為數(shù)不多適合露天開采的優(yōu)良礦田之一。

平朔東露天礦北端東側(cè)排土場(chǎng)目前最大標(biāo)高為+1 509 m，已形成6 個(gè)排棄臺(tái)階，單臺(tái)階的高度約為30 m，平盤寬度為40～100 m，單臺(tái)階坡面角37°，整體邊坡角15°～20°，排棄物料主要為粉砂巖、中砂巖、泥巖、熱值低的廢煤、少量第四系土體以及電廠煤灰等。隨著開采的不斷推進(jìn)，北端東側(cè)排土場(chǎng)排棄量迅速增加，邊坡暴露的高度和時(shí)間加大，邊坡滑坡隱患凸顯，對(duì)礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 計(jì)算剖面

1）工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)東露天礦北端排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)提出有針對(duì)性的穩(wěn)定控制措施，基于工程地質(zhì)勘察成果，結(jié)合實(shí)際情況，在排土場(chǎng)東側(cè)選取7－2#和7－3#2 個(gè)典型剖面建立工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型，在此基礎(chǔ)上開展多臺(tái)階排土場(chǎng)、高臺(tái)階排土場(chǎng)變形失穩(wěn)模式差異性研究及其穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)，工程地質(zhì)模型如圖1。

圖1 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析工程地質(zhì)模型

2）排棄物料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。在已有巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，通過工程類比法和反演法獲得的東露天礦排土場(chǎng)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值見表1。（注：排土場(chǎng)的排棄物順臺(tái)階分層不明顯，不同地方性質(zhì)差異較 大，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察結(jié)果進(jìn)行區(qū)分，表中填土層是以粉土或粉質(zhì)黏土為主的松散體。）

表1 東露天礦巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值

3 排土場(chǎng)邊坡變形失穩(wěn)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值分析模型與參數(shù)

PFC（Particle Flow Code）是在Peter Cundall 主持下采用細(xì)觀離散元理論（又稱為粒子流理論）開發(fā)的一種數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，可以廣泛地應(yīng)用于研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制問題。PFC 允許粒子發(fā)生有限位移和轉(zhuǎn)動(dòng)粒子間可以完全脫離，在計(jì)算過程中能夠自動(dòng)辯識(shí)新的接觸，在描述巖土體介質(zhì)特殊特性方面有著其他常用數(shù)值方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)[11]。

排土場(chǎng)邊坡PFC 數(shù)值模型尺寸大小與極限平衡分析模型一致，在模型左右邊界施加沿x 方向的固定約束，底部邊界施加沿y 方向的固定約束。PFC模擬計(jì)算主要分以下4 步：①采用顆粒流程序內(nèi)部自帶程序生成初始長(zhǎng)方形邊坡模型；②用Fish 編寫函數(shù)進(jìn)行地層劃分；③賦予不同地層相應(yīng)的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，消除不均衡力；④開挖形成邊坡外部坡型，進(jìn)行第二次計(jì)算。建立的邊坡PFC 數(shù)值模型如圖2，2 個(gè)模型所包含的顆粒總數(shù)分別為42 027和10 303。數(shù)值模型包括排土場(chǎng)下部基底和上部填土2 部分，兩者在模型中分別用淺色和深色標(biāo)示出。

圖2 北端東側(cè)排土場(chǎng)邊坡PFC 數(shù)值分析模型

PFC 顆粒流程序需要輸入的是細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，參數(shù)選取要依據(jù)室內(nèi)巖土壓縮試驗(yàn)，通過多次調(diào)試，當(dāng)數(shù)值模型的宏觀力學(xué)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)一致，才能將其用于各邊坡模型。通過測(cè)試和分析得到的排土場(chǎng)邊坡細(xì)觀力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 排土場(chǎng)邊坡各層物料細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

3.2 排土場(chǎng)邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理分析

3.2.1 北段東側(cè)排土場(chǎng)7－2 剖面

北端東側(cè)排土場(chǎng)7－2 剖面數(shù)值分析結(jié)果如圖3。由邊坡應(yīng)力分布圖（圖3（a））可知，排土場(chǎng)各臺(tái)階應(yīng)力由坡頂?shù)狡碌字饾u增大，坡腳位置應(yīng)力集中明顯。坡頂處應(yīng)力最小，約為0.02～0.5×10-6MPa，坡腳處達(dá)到最大，約為2.5～3 MPa，模型最大接觸力出現(xiàn)在模型底部，為6.2134 MPa。

圖3 北端東側(cè)排土場(chǎng)7－2 剖面數(shù)值分析結(jié)果

由邊坡位移矢量圖（圖3（b））可知，由于該剖面位置邊坡上部臺(tái)階邊坡角較陡且單高度較大，最上部臺(tái)階及其下部臺(tái)階坡面中部存在局部崩塌的可能，最大位移量為6.259 m。

由邊坡潛在滑移區(qū)域示意圖（圖3（c））可知，7－2 剖面邊坡可能出現(xiàn)的局部崩塌范圍主要有2 處，分別為最上部臺(tái)階及其下部臺(tái)階中部，破壞模式為散體物料內(nèi)部的圓弧形滑動(dòng)，破壞深度有限，為了保證邊坡安全，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)巡查，同時(shí)建議采用邊坡雷達(dá)等監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域地表變形的全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.2.2 北段東側(cè)排土場(chǎng)7－3 剖面

北端東側(cè)排土場(chǎng)7－3 剖面數(shù)值分析結(jié)果如圖4。

雖然7－3 剖面位置邊坡總體高度及整體邊坡角與7－2 剖面位置基本相同，但由于7－3 剖面單臺(tái)階高度較大，除邊坡應(yīng)力分布趨勢(shì)外，位移矢量和潛在滑移區(qū)域存在明顯差異。由邊坡應(yīng)力分布圖（圖4（a））可知，坡頂處應(yīng)力最小，約為0.01～0.5×10-6MPa，坡腳處達(dá)到最大，約為2.5～3 MPa，模型最大接觸力出現(xiàn)在模型底部，為5.002 8 MPa。

由邊坡位移矢量圖（圖4（b））可知，由于單臺(tái)階高度較大，在地表降水、爆破震動(dòng)等因素的共同作用下，極易發(fā)生由坡頂至坡底的大范圍圓弧滑動(dòng)，最大位移量為24.99 m。

圖4 北端東側(cè)排土場(chǎng)7－3 剖面數(shù)值分析結(jié)果

由邊坡潛在滑移區(qū)域示意圖（圖4（c））可知，7－3 剖面邊坡可能出現(xiàn)滑坡的區(qū)域?yàn)樽钌喜颗_(tái)階，破壞模式為單臺(tái)階內(nèi)部的圓弧形滑動(dòng)，為了保證生產(chǎn)安全，建議加強(qiáng)巡視和監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取專門措施減小上部臺(tái)階高度。

4 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性及控制對(duì)策

4.1 基于SLIDE 的邊坡穩(wěn)定分析

SLIDE 是加拿大RocScience 公司開發(fā)的一款使用垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動(dòng)面穩(wěn)定性的軟件，該軟件可分析單條滑面，也可使用自動(dòng)搜索方法來搜尋給定邊坡的臨界滑動(dòng)面，可適用于尋找圓弧或非圓弧滑動(dòng)面，集成了Bishop、Janbu、Spencer、GLE/M－P 和其他一些方法，可考慮多種材料模型，比如各向異性、非線性摩爾一庫(kù)侖等，計(jì)算過程中可在模型上施加線性荷載、分布荷載或動(dòng)荷載[12-13]。

根據(jù)研究區(qū)域及其周邊地質(zhì)條件，結(jié)合邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式分析成果，選取7－2#和7－3#2 個(gè)剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)。基于《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于露天煤礦邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用的邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)為：邊坡安全系數(shù)大于1.20，邊坡穩(wěn)定；邊坡安全系數(shù)在1.10～1.20 之間，邊坡基本穩(wěn)定；邊坡安全系數(shù)在1.0～01.10 之間，邊坡存在一定風(fēng)險(xiǎn)；邊坡安全系數(shù)在小于1.00，邊坡不穩(wěn)定。

以排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，建立SLIDE 極限平衡分析模型，通過分析計(jì)算，得到存在安全隱患的邊坡位置及安全系數(shù)如圖5。

圖5 北幫東排土場(chǎng)2 個(gè)典型剖面穩(wěn)定分析結(jié)果

7－2 剖面邊坡上部第一級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為0.970，穩(wěn)定狀態(tài)為不穩(wěn)定，上部第二級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為1.079，穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風(fēng)險(xiǎn)；7－3 剖面上部第一級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為1.073，穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風(fēng)險(xiǎn)，邊坡典型位置穩(wěn)定性分析結(jié)果匯總見表3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，極限平衡分析結(jié)果與數(shù)值模擬得到的不穩(wěn)定位置基本吻合。

表3 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.2 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定控制對(duì)策

為了切實(shí)保證邊坡穩(wěn)定安全，基于數(shù)值分析與極限平衡分析結(jié)果，充分借鑒條件類似礦山成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)東露天礦北幫東側(cè)排土場(chǎng)不穩(wěn)定邊坡提出如下穩(wěn)定控制對(duì)策：

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采礦條件及邊坡工程地質(zhì)條件，針對(duì)因單臺(tái)階高度過大導(dǎo)致穩(wěn)定性不滿足要求的臺(tái)階采取局部削坡措施，通過施工，將單臺(tái)階高度和最終平盤寬度分別控制在30 m 和65 m[14]以內(nèi)。

2）加強(qiáng)邊坡巡查，必要時(shí)采用邊坡雷達(dá)、GPS 等監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)潛在不穩(wěn)定區(qū)域的持續(xù)變形監(jiān)測(cè)。雨季時(shí)，在排土場(chǎng)及其周邊建立完善的防排水系統(tǒng)，使雨水盡快排出，降低地表水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

3）對(duì)已經(jīng)到界的排土邊坡，及時(shí)進(jìn)行植樹種草。與傳統(tǒng)邊坡防護(hù)相比，因具有長(zhǎng)期有效地發(fā)揮涵水固土、穩(wěn)定邊坡表層、美化環(huán)境等功能，且費(fèi)省效宏，生態(tài)護(hù)坡近年來逐漸受到人們重視[15-16]。

5 結(jié)論

1）建立了東露天礦北幫東側(cè)外排土場(chǎng)邊坡PFC 數(shù)值分析模型，通過對(duì)邊坡應(yīng)力分布規(guī)律、位移矢量特征以及潛在滑移區(qū)域進(jìn)行分析研究，探明了排土場(chǎng)邊坡的變形破壞模式及失穩(wěn)機(jī)理，為穩(wěn)定性定量計(jì)算及穩(wěn)定控制措施確定提供了理論依據(jù)。

2）建立了SLIDE 極限平衡分析模型，通過計(jì)算確定了邊坡不穩(wěn)定位置及其安全系數(shù)。計(jì)算表明，7－2#剖面邊坡上部第一級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為0.970，穩(wěn)定狀態(tài)為不穩(wěn)定，上部第二級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為1.079，穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風(fēng)險(xiǎn)；7－3#剖面上部第一級(jí)臺(tái)階安全系數(shù)為1.073，穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3）基于數(shù)值分析與極限平衡分析結(jié)果，充分借鑒條件類似礦山成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)東露天礦北幫東側(cè)排土場(chǎng)不穩(wěn)定邊坡提出了局部削坡、完善排水系統(tǒng)、變形監(jiān)測(cè)和生態(tài)護(hù)坡相結(jié)合的邊坡穩(wěn)定控制措施，為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。