高地震烈度帶傾斜基底排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

羅 淵，劉興德

(四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院，成都 610000)

0 引 言

我國(guó)露天煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，外排土場(chǎng)的選址及安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是礦山持續(xù)長(zhǎng)久生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。青海大頭羊煤礦二礦為一夾持在北西向逆推斷層帶內(nèi)，呈條帶狀含煤區(qū)。為積極響應(yīng)國(guó)家低產(chǎn)能礦井升級(jí)改造政策，公司決定對(duì)大頭羊煤礦二礦進(jìn)行改擴(kuò)建，設(shè)計(jì)將礦區(qū)西側(cè)F4斷層上盤(pán)及野羊溝以西+3 750 m 水平以上區(qū)域進(jìn)行露天開(kāi)采。結(jié)合該露天礦開(kāi)拓運(yùn)輸方式，考慮到露天礦采掘場(chǎng)周?chē)匦味盖?，?jīng)多次實(shí)地踏勘，首采區(qū)往東約0.3 km處有一迂回彎曲的溝谷條帶，溝谷地形上寬下窄，地形坡度9°～12°，可選做外排土場(chǎng)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石就近排棄，降低礦山運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。由于本礦地處祁連山地震帶[2]，根據(jù)我國(guó)地震帶分布顯示，該地區(qū)地震發(fā)生頻率高，強(qiáng)度大，峰值加速度可達(dá)0.1～0.15 m/s2，平均震害指數(shù)為0.11～0.30，一旦發(fā)生高烈度地震，將對(duì)外排土場(chǎng)的安全造成較大影響[3]，因此對(duì)大頭羊煤礦二礦排土場(chǎng)改擴(kuò)建過(guò)程中不同工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，提出相應(yīng)治理措施。

1 排土場(chǎng)滑移模式預(yù)測(cè)

該礦新選擇外排土場(chǎng)排土?xí)r，沿溝谷地形轉(zhuǎn)折分段排棄，分段設(shè)置攔石壩。經(jīng)計(jì)算，外排土場(chǎng)總占地129 hm2，容量131.11 Mm3。達(dá)產(chǎn)時(shí)共排土兩段，第一段占地面積8.67 hm2，達(dá)產(chǎn)時(shí)排棄總高度100 m，自上而下共計(jì)4個(gè)排土臺(tái)階，單臺(tái)階平盤(pán)寬度60 m，累計(jì)可排土(松方)9.36 Mm3，最終幫坡角18°。第二段向外擴(kuò)容，累計(jì)占地面積11.25 hm2，增加2個(gè)排土臺(tái)階，形成最終排土總高度140 m，松方容量11.24 Mm3，最終幫坡角12°。

該礦采用單斗+卡車(chē)的間斷式開(kāi)采工藝，剝離物經(jīng)坑內(nèi)非工作幫運(yùn)輸平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)至外排土場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)堆棄，經(jīng)推土機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)壓坡腳堆置。排土臺(tái)階由上而下逐個(gè)形成。先剝離的第四系表土層和內(nèi)化層排棄在較高標(biāo)高位置，當(dāng)臺(tái)階形成后，在坡腳處堆置礦坑深部比較堅(jiān)硬的巖石，逐漸蓋住上一臺(tái)階的坡腳，同時(shí)在臺(tái)階破底線位置開(kāi)始設(shè)置3%～5%的反坡并設(shè)置車(chē)檔，起到擋滑土和滾石的作用。這種“上土上排”“下巖下排”的壓坡腳式組合臺(tái)階排棄方式，不僅實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)固基底的作用[4]，同時(shí)大大縮短運(yùn)距，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)排土場(chǎng)地形地質(zhì)特征，推測(cè)滑移模式主要可能在人工排棄物料層中或在人工排棄物料層與基底表層內(nèi)形成[5]，滑動(dòng)模式為圓弧或順層折線式滑動(dòng)。

2 排土場(chǎng)巖土物理力學(xué)性質(zhì)的選取

排土場(chǎng)所接受的排棄物為成巖性差的松散巖體和軟弱巖。基巖主要由上石炭統(tǒng)扎布薩卡蘇組和克魯克組(C2z-k)組成，巖性為灰綠色絹云母千枚巖，灰白色厚層狀條帶狀結(jié)晶灰?guī)r，局部為奧陶系中統(tǒng)大頭洋組(O2dt)，巖性以礫屑灰?guī)r為主，夾紫色砂巖、泥巖。對(duì)于排土場(chǎng)地表基底層，長(zhǎng)期裸露受風(fēng)化作用影響較大，力學(xué)強(qiáng)度較低。排棄物的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ的取值主要由原巖屬性折減，排棄物中不同性質(zhì)巖石的分布及比例，物料塊度、光滑度、松碎程度、孔隙度、含水率等多因素決定[6]。初始排棄的物料是松散的，黏聚力為零，內(nèi)摩擦角為其自然安息角32°。但隨著時(shí)間的推移和機(jī)械設(shè)備的碾壓，排棄物中的黏土質(zhì)巖土壓實(shí)后有了黏結(jié)作用[7]，同時(shí)因巖塊剝蝕、破碎等作用而使內(nèi)摩擦角有所減小[6]。參照其他礦山經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合當(dāng)?shù)貛r層情況，最終采用指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算選取的物理力學(xué)指標(biāo)表

3 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)可行性研究確定的排土方案，外排土場(chǎng)排棄方式采用單斗卡車(chē)-推土機(jī)壓坡腳式組合臺(tái)階排棄方式。其中，第一段外排土場(chǎng)分4個(gè)臺(tái)階，分別為4 370～4 335 m、4 360～4 300 m、4 350～4 265 m、4 340～4 230 m。第二段外排土場(chǎng)分6個(gè)臺(tái)階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 310～4 260 m。

選取典型剖面，建立排土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，分別采用簡(jiǎn)化BISHOP法和Morgenstern-Price法對(duì)選取的邊坡進(jìn)行圓弧滑坡及順層滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，第一段外排土場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～4。

圖1 天然工況圓弧滑坡Fs=1.198

圖2 地震工況圓弧滑坡Fs=0.952

圖3 天然工況順層滑坡Fs=1.210

圖4 地震工況順層滑坡Fs=0.961

同樣，采用簡(jiǎn)化BISHOP法(圓弧滑坡)和Morgenstern-Price法(順層滑坡)分析方法對(duì)第二段外排土場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 可研確定的排土方案邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由上表可知，按可行性研究確定的排土方案，第一段外排土場(chǎng)邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)，第二段外排土場(chǎng)邊坡為基本穩(wěn)定狀態(tài)，均不符合規(guī)范要求。為此，在原排土方案基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析情況，對(duì)排土臺(tái)階高度進(jìn)行調(diào)整，其中，第一段外排土場(chǎng)4個(gè)臺(tái)階分別為4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(該臺(tái)階坡面角由30°改為27°)。第二段外排土場(chǎng)分6個(gè)臺(tái)階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。經(jīng)調(diào)整后，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，調(diào)整后外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表3 調(diào)整后的排土方案邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)論與建議

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，可行性研究確定的排土方案，第一段外排土場(chǎng)邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)，第二段外排土場(chǎng)邊坡為基本穩(wěn)定狀態(tài)，均不符合規(guī)范要求。為此，在可行性研究確定的排土方案基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析情況，對(duì)排土臺(tái)階高度進(jìn)行調(diào)整，其中，第一段外排土場(chǎng)設(shè)4個(gè)臺(tái)階，分別為4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(該臺(tái)階坡面角由30°改為27°)。第二段外排土場(chǎng)設(shè)6個(gè)臺(tái)階，分別為4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。經(jīng)調(diào)整后，外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

該礦外排土場(chǎng)服務(wù)年限長(zhǎng)，溝谷地形蜿蜒曲折，需正確處理外排土場(chǎng)場(chǎng)址地基，清除溝谷第四系軟弱層，破臺(tái)階底板形成臺(tái)階狀，形成粗糙基地接觸面，增大摩擦力，提高穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)外排土場(chǎng)溝谷內(nèi)的地下水和滯留水，在堆排土之前挖滲溝疏干基底，傾填碎石塊作墊層，采用盲溝、透水管或涵洞形式將水引出場(chǎng)外，減少外排土場(chǎng)的匯水，提高外排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。