傾斜基底排土穩定分析及邊坡角優化

白 宇，閆 杰，鐘曉勇，王志權

（1.國能新疆托克遜能源有限責任公司，新疆 托克遜 838000；2.內蒙古平西白音華煤業有限責任公司，內蒙古 錫林郭勒 026200；3.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；4.呼倫貝爾東明礦業有限責任公司，內蒙古 海拉爾 021000；5.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；6.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122）

露天礦生產中需要大量排土場，傾斜露天煤礦為減少土地占用和縮短剝離運距，面臨順傾基底排土作業安全問題。排土場邊坡的穩定性與排棄物料性質、基底巖土體性質、邊坡形態等因素有關外?；變A向與排土場邊坡傾向一致時，形成順傾邊坡，將對排土場穩定與安全造成重大隱患，是影響穩定性重要因素[1-2]。學者們針對排土場排土極限與增高研究方面開展大量研究工作。王勝[3]以吉朗德露天礦為例，分析了順傾層狀邊坡穩定性；張信等[4]基于有限元強度折減方法，對順傾軟弱基底邊坡進行了穩定性分析；陳立云等[5]以勝利西二號露天礦為研究背景，對傾斜基底排土場邊坡穩定性進行了預測；曹蘭柱等[6]研究了軟弱傾斜復合基底排土場邊坡失穩機理與基底傾角對穩定系數變化規律。因此，如何保障傾斜基底排土場邊坡穩定性及排土場最終形態，具有重要的工程實際意義。

基于此，以神新黑山露天煤礦為研究背景，針對順傾基底排土設計與邊坡安全問題開展研究[7-12]，分析了順傾基底排土場滑動模式，確定了排土場最優邊坡角及最終排土參數的留設方法；研究結果為順傾基底排土設計及邊坡安全提供借鑒。

1 黑山露天煤礦內排基底巖土體特征

黑山露天煤礦地表開采設計境界東西長13.57～19.29 km，南北寬1.37～3.21 km，地表面積41.64 km2；深部東西長9.70～14.00 km，南北寬0.56～1.60 km，開采深度50～630 m。礦區位于南傾的單斜構造區域，地層傾向185°，傾角13°～25°，為典型傾斜煤層礦山。首采區由北向南開采，南幫為工作幫，東西幫為端幫，北幫為非工作幫，剝離及采煤臺階高度15 m，運輸道路寬度為18 m。礦區含煤煤層為中侏羅統西山窯組（J2x），該地層含煤15 層，主采煤層從上向下為9＃、11＃和13－2＃煤層。

1.1 傾斜基底工程地質條件

首采區北幫最高點為＋2 742 m 水平，從＋2 565 m 水平以上為燒變巖邊坡，曾出現燒變巖整體滑動變形，邊坡削坡處理后，存在局部單臺階片幫現象。＋2 565 m 水平以下為正常地層，13－2＃煤層直接底板為堅硬的厚層砂巖，基底巖性為中、細砂巖為主，根據13－2＃煤底板0～100 m 地層勘查資料統計，底板以下地層分為3 組：①上部：13－2＃煤底板以砂巖為主，局部區域砂巖剝離顯露泥巖層，該段夾3～4組泥巖層，泥巖最厚約為6 m 左右，該區段層厚約為25～36 m；②中部：泥巖砂巖互層組，以泥巖與砂巖主要，砂巖中主要為中砂巖－細砂巖，該組層厚約為17～28 m；③下部：粗砂巖與泥巖互層組，頂部為粗砂巖，中部砂巖以中細砂巖為主，深部為粗砂巖，中部夾泥巖層組，泥巖一般厚度為4 m 左右，該組為主要含水層。

在底板以下30 m 內未發現穩定存在的弱層和不良地質條件。

1.2 水文地質條件

北幫地層單斜構造，南側為礦坑，北側和東側為自然邊坡，西側為火燒巖山體，存在大量燒變巖。邊坡燒變巖體裂隙發育，透水性較好，大氣降水及冰雪融化在燒變巖區域形成補給源，裂隙水在重力作用下，沿地層形成順傾補給。補給通道為西側火燒巖與礦坑采取坡面。根據礦區地下水位觀測資料，在6—7 月豐水期，地下水埋深在傾斜基底深部30.2～93.8 m，靠近邊坡上部埋深較深，邊坡下部埋深較淺。

2 傾斜排土變形機理與穩定系數

2.1 傾斜排土破壞機理

露天礦排土場為剝離散體物料堆積形成，傾斜基底排土時散體物料堆與基底堅硬巖層構成典型的二元結構。排棄物料在自重作用下沿順傾基底發生變形，基底傾向改變了堆積體的受力狀態，排土斜面上正壓力和下滑力均表現為中部高兩端低的狀態。傾斜基底單段排土時基底受力特征如圖1。

圖1 傾斜基底單段排土時基底受力特征

傾斜基底內排土場潛在滑坡模式分為3 種：排棄物內部滑動型、沿傾斜基底滑動型、底板基底的深部復合滑面滑動型。

1）排棄物料內部滑動型。指滑坡發生在排棄物料內部，在排土段高達到一定高度后，排棄物料在自重作用下，在坡頂排土較厚區域形成沉降變形，在臺階區域出現的裂縫，滑動位置出現在排棄物料內部，滑動模式為圓弧型滑動。

2）沿傾斜基底滑動型。其主要因素為基底層面在地下水或擾動作用下，排棄物料基底下滑力超過基底的嵌固咬合力時，易沿物料與基底接觸面滑坡，其后緣一般發生在排棄物料內部，以圓弧型為主，滑動面中部及下部沿基底層面滑動。

3）基底深部滑動型。是指排土場因地基承載力不足形成的沿深部基底滑動，主要因素為地下水水、排土超限制或邊坡過陡等導致的深層地基滑坡，其特點是沿深部基底破壞，滑動面切入排土場地基內產生的滑坡。沿基底弱層滑動時，滑動模式以“坐落滑移式”為主，其主要受弱層控制，既在排棄物料內部以圓弧型為主，在基底內部沿弱層面滑動，并在坡角處剪出，其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復合滑動形式。

因此，傾斜基底排土時易在坡頂區域形成變形區域，同時外部因素作用下易形成沿基底面的滑動與深部滑動模式。

2.2 傾斜排土安全儲備系數

極限平衡分析方法對邊坡安全評價中，安全儲備系數或穩定系數是分析重要定量參數，它直接關系到設計邊坡的經濟性與安全性?！睹禾抗I露天礦設計規范》6.0.8 條規定了邊坡穩定性安全系數Fs的選用范圍。黑山露天煤礦現狀坑底標高＋2 355 m 水平，若在＋2 355 m 水平開始內排作業，排棄至地表封閉圈標高＋2 550 m 水平，將形成13 級臺階的排土場，高度為195 m；同時，礦區設計采深為＋2 130 m 水平，未來排土場下部需要再降低225 m。因此，針對傾斜基底排土場與邊坡重要程度，傾斜基底上部排土時安全儲備系數為1.3（≥10 年）。

3 傾斜基底排土穩定性

黑山露天煤礦排土場坡面安息角為31°～34°，排棄物料黏聚力為14 kPa，摩擦角為24.3°排土基底地層傾角為15°，直接基底為厚層砂巖。采取同層排棄方式，單臺階排土高度為15 m，傾斜基底區域可采用單臺階排土或組合臺階排土方案。穩定性分析中選取的極限平衡方法為Morgenstern－Price（摩根斯坦－普拉斯法）。

3.1 單臺階與組合臺階排土穩定性

單臺階排棄高度為15 m 時穩定系數為1.340，上部平盤寬度為33.74 m，其平盤安全距離遠大于礦區最小運輸平盤寬度18 m；同時，15 m 單臺階排土時穩定性大于1.3，穩定系數冗余度較大，存在較大的浪費空間。排棄高度為30 m 時穩定系數為1.091，邊坡穩定系數小于1.1，臺階處于自穩狀態，易在臺階邊緣形成滑動變形區，存在局部塌滑風險。單臺階排土模型及計算結果如圖2。

圖2 單臺階排土模型及計算結果

根據內排單臺階高度穩定與道路寬度分析，分析2 級15 m 組合排土臺階留設寬度為0、10、20、30 m 時，組合臺階的穩定性，2 級臺階組合排土穩定分析模型如圖3，2 級組合臺階排土時穩定系數匯總見表1。

表1 2 級組合臺階排土時穩定系數匯總表

圖3 2 級臺階組合排土穩定分析模型

隨組合臺階安全距離增大，整體穩定性逐漸增大。排土臺階安全距離為10 m 時，兩級臺階之間形成整體滑動，穩定性大于1.338。而安全距離為20 m時，形式單臺階滑動與兩級臺階整體滑動，穩定系數均大于1.3。當安全距離達到30 m 時，僅出現局部臺階滑動，兩級臺階之間未形成整體滑動模式。因此，通過兩級組合臺階寬度分析可知，安全距離超過20 m 后，形成臺階之間的滑動形式，單臺階穩定系數大于1.3，且整體滑動穩定系數位1.829，可滿足安全儲備要求。

3.2 內排土場角度優化

露天煤礦現狀坑底為標高＋2 355 m 水平，排棄至＋2 550 m 水平，可以形成13 級的內排土臺階。在北幫排土時需要選取合理的排土邊坡角，設計的排土場邊坡角從16°增加至23°，分析不同排土角度下邊坡穩定系數的變化規律。內排土場排土邊坡角優化模型如圖4，內排土場排棄角度優化結果如圖5。

圖4 內排土場排土邊坡角優化模型

圖5 內排土場排棄角度優化結果

當內排土場排土角度大于21°時，整體滑動時穩定性小于1.3。由于深部煤層有15 個臺階未開采，為保障深部作業安全，內排土場最優邊坡角不能超過21°。當深部煤層完全開采后，傾斜基底排土角度可提升至22°。

3.3 傾斜基底最終排土參數優化

傾斜基底排土場邊坡角度整體優化研究單排土場邊坡角度不超過21°，穩定性可以大于1.3，滿足礦區安全生產要求。因此，根據排土邊坡角度優化結果開展排土臺階參數設計，根據礦區道路通行要求設計為：①方案Ⅰ：排土場臺階寬度為30 m，排土場最終邊坡角度為16.7°；②方案Ⅱ：排土場臺階寬度20 m，排土場最終邊坡角度為20.2°。

內排土場2 種排土方案穩定系數匯總見表2，內排土場坡最終排土方案如圖6。

表2 內排土場2 種排土方案穩定系數匯總表

圖6 內排土場坡最終排土方案

當排土臺階安全寬度為30 m 時，排棄物料內部穩定系數為1.868；當20 m 寬度臺階排棄物料內部穩定系數為1.399。沿傾斜基底深部泥砂巖層組滑動時，穩定性大于排棄物料內部，因此，最終排土設計中需要重點關注排棄物料內部的滑動模式。

排土臺階安全距離越小，則邊坡角度越大，排土場收納能力越大；單位寬度排土場，排土臺階安全寬度為30 m 時較20 m 的方案將少排棄1.16 萬m3的物料。黑山露天煤礦首采區北幫平均寬度為1.5 km，若選取30 m 的排土方案，穩定性較好，但將損失1 740 萬m3的排土空間；若選取20 m 的排土方案，需要加強排土過程中現場安全管理，同時，加強排土場邊坡監測及日常巡查，預防滑坡及變形發現。

4 結語

1）論述了順傾基底排土場滑動分析邊坡的3 類滑動模式：排棄物料內部圓弧型滑動、沿煤層底板的直線型滑動、沿底板深部弱層的復合滑面滑動型。

2）通過對傾斜排土場的單臺階排棄高度與組合臺階穩定分析，確定了黑山露天煤礦組合臺階排土方案，單臺階排棄段高15 m，組合臺階最小安全距離20 m。

3）對內排土場排棄邊坡角進行優化可知：當排土邊坡角小于21°時，排土場穩定系數在1.3 以上。當排土邊坡角在21°～22°時穩定性處于1.2～1.3。根據黑山露天煤礦采排規劃，建議排土場邊坡角不大于21°。

4）分析了邊坡排土臺階參數為20 m 和30 m，邊坡角為20.2°和16.7°時整體穩定性，形成沿排土基底滑動和沿深部基巖層滑動模式。2 種排土方案中穩定系數均可以滿足安全儲備要求，深部滑動穩定系數大于排棄物料內部，排土角度越大穩定性越小，則安全距離越小，對應內排土場容量越大。