塔爾煤田II 區塊露天礦外排土場邊坡形態優化

李成盛

（中國機械設備工程股份有限公司，北京 100073）

隨著我國經濟的快速發展，煤的需求量日益增加，露天煤礦規模也逐步增大[1-2]。產能提高的同時，排棄物料也隨之增多，要求外排土場的容量增大，外排土場邊坡逐漸高陡，邊坡穩定性降低。針對露天礦外排土場邊坡形態優化，學者們展開了大量研究。馬力等[3]根據瑞典條分法、簡化Bishop 法、Janbu法，優化了外排土場的邊坡形態，增加了紅沙泉露天煤礦外排土場的容量；李天華等[4]通過理論分析和數值模擬的方法，分析了昆陽磷礦排土場的穩定性，確定了磷礦排土場的排棄高度和最終幫坡角；孫成亮[5]基于極限平衡理論和剛體極限平衡分析法，對外排土場邊坡的失穩過程進行模擬，最終確定依蘭露天礦外排土場的最佳邊坡角；郝全明等[6]以扎哈淖爾露天礦排土場為工程背景，通過數值模擬方法，分析了外排土場邊坡可能存在的位移與塑性區的分布特征，確保了外排土場邊坡的穩定性。

本文在考慮外排土場邊坡斷面形態效應的同時[7]，采用剛體極限平衡分析法和數值模擬相結合的手段[8-10]，對塔爾煤田Ⅱ區塊露天礦外排土場邊坡形態進行優化，可為類似的邊坡形態優化提供參考。

1 工程背景

巴基斯坦塔爾煤田II 區塊露天煤礦邊坡巖體構成主要有第四系砂土層、第三系軟巖層和古近系煤、軟巖層等。該露天煤礦邊坡地層順傾，傾角約2°；坡體內共含3 個關鍵性弱層和3 個含水層，弱層巖石強度等級均為極軟；弱層巖性以泥巖、炭質泥巖或粘土質粉砂巖為主，泥質含量較高，結構比較松散，穩定性差；泥巖吸水性強、持水性也較強，遇水易軟化、膨脹和崩解。

隨著外排土場不斷增高，其基底為第四系砂土，力學性能較差，有可能在排土場載荷作用下發生破壞，進而誘發滑坡。

考慮工程地質條件的變化情況、地質信息的掌握程度；依據各相關規范，同時根據擴產方案，擴產后實現全內排時間大約在運維期第5.5 年，即各幫最大服務年限為10 年左右。綜合兼顧巖土體指標掌握程度、滑坡引發的潛在危害、邊坡服務年限及邊坡重要程度等因素，確定的巴基斯坦塔爾煤田II 區塊露天煤外排土場邊坡安全儲備系數見表1。

表1 外排土場邊坡安全儲備系數

2 原邊坡穩定性

原設計外排土場邊坡形態參數：臺階高度為20 m，平盤寬度為36 m，臺階坡面角為33°，最終排棄標高為＋140 m 水平。為了驗證原設計外排土場參數的合理性，有必要對其穩定性進行評價；若評價結果高于安全儲備系數要求，可縮短平盤寬度，進而增加排土容量；若評價結果低于安全儲備系數要求，可增大平盤寬度，進而達到安全要求。外排土場各幫原設計邊坡穩定性評價結果如圖1，外排土場原設計邊坡穩定性評價結果匯總見表2。

圖1 外排土場各幫原設計邊坡穩定性評價結果

表2 外排土場原設計邊坡穩定性評價結果匯總

分析圖1、表2 可知：原設計外排土場邊坡最小穩定性系數為1.795，位置在南幫1－1′剖面附近；其他區域的穩定性系數均在1.80 以上，遠遠大于安全儲備系數1.4 和1.5 的要求。因此，為了增大外排土場容量，對外排土場各幫邊坡進行重新優化設計。

3 邊坡形態優化

3.1 逐水平形態優化方法

排土場最終排棄標高一定的條件下，邊坡形態優化的實質是在滿足邊坡穩定的前提下確定其各個排棄平盤的最小寬度。計算方法選用應用最為廣泛的剛體極限平衡分析法[11]，最優平盤寬度確定原理如圖2。

圖2 最優平盤寬度確定原理

令：K 為安全儲備系數，平盤寬度為B，Fs為邊坡穩定性系數；并作如下假設：

1）滑坡模式為沿排土場地下部分的軟弱夾層發生滑坡（如圖中的1、2、3 滑面）。

2）當B＝a 時，Fs＜K；當B＝b 時，Fs＝K；當B＝c時，Fs＞K，式中：a 為小于b 的任意值；c 為大于b 的任意值。

首先設計一個初步方案，各平盤寬度的確定順序是由下至上進行驗算，直至確定出各個平盤寬度的最優值，使Fs接近

按照假設條件：對于最下部水平臺階，若B＝a（對應的臺階坡面為藍色線），則逐步增大平盤寬度值，直至B＝b（對應的臺階坡面為紫色線）；若B＝c（對應的臺階坡面為藍色線），則逐步減小平盤寬度值，直至B≈b。至此，確定了該水平的平盤寬度，接下來確定下部第2 水平臺階的平盤寬度值，依次向上逐個臺階搜索最危險滑動面（圖中的1、2、3 滑面），其原理基本相同。

3.2 邊坡形態參數

基于原設計外排土場邊坡穩定性評價結果可知，原設計參數過大，為了增大外排土場容量，對外排土場各幫邊坡進行重新優化設計，外排土場各剖面邊坡形態優化結果如圖3，外排土場各位置邊坡形態優化結果見表3。

圖3 外排土場各剖面邊坡形態優化結果

表3 外排土場各位置邊坡形態優化結果

分析圖3、表3 可知：優化后的外排土場邊坡穩定系數均能滿足安全儲備系數要求；外排土場西幫、北幫、東幫和南幫＋100 m 水平的平盤寬度在10.5～23 m，＋120 m 水平的平盤寬度在15～17.5 m；從安全角度出發，最終設計西幫、北幫、東幫和南幫＋100 水平的平盤寬度為23 m，＋120 m 水平的平盤寬度為17.5 m；考慮到現場組織施工因素，＋100 m 水平的平盤寬度為25 m，＋120 m 水平的平盤寬度為20 m。

4 形態優化效益分析

根據排土場現狀模型，分臺階計算剩余容量，新設計與原設計排土場各臺階剩余容量見表4。

表4 新設計與原設計排土場各臺階剩余容量

分析表4 可知：新設計參數的外排土場比原設計參數的外排土場在100～120 m 水平可多容納2.79 Mm3的排棄物料；在120～140 m 水平可多容納6.37 Mm3的排棄物料；總計多容納9.16 Mm3的排棄物料。由此可見，新設計的排土場邊坡在保證安全的基礎上，實現了外排空間最大化。

5 結語

1）在充分考慮邊坡斷面形態效應的基礎上，基于極限平衡理論，分析了外排土場邊坡穩定性，為露天礦實現安全高效生產提供了強有力的技術支撐。

2）原設計的外排土場穩定性遠遠高于安全儲備系數要求，新設計的外排土場形態為：＋100 m 水平的平盤寬度為25 m；＋120 m 水平的平盤寬度為20 m。

3）新設計參數的外排土場比原設計參數的外排土場可多容納9.16 Mm3的排棄物料。