田愛民，黃 江，許道剛，丁建勇

(1.神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010 )

陰灣排土場壓腳區(qū)防排水設(shè)計(jì)優(yōu)化

田愛民1，黃 江2，許道剛2，丁建勇2

(1.神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 017000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010 )

準(zhǔn)格爾黑岱溝露天礦陰灣排土場是典型的黃土基底排土場，為確保大準(zhǔn)鐵路路基和陰灣排土場西側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，在壓腳排土區(qū)域設(shè)置地面防排水系統(tǒng),在排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)基于謝才公式對(duì)排水溝底寬進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。

露天礦；排土場；防排水；謝才公式；數(shù)值優(yōu)化

1 概 況

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦是我國90年代開發(fā)建設(shè)的現(xiàn)代化大型露天礦，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模12×106t/a，現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)30×106t/a。伴隨黑岱溝露天煤礦的開發(fā)建設(shè)，在礦坑周邊建設(shè)有北排、西排、東排、陰灣和東沿幫排土場5個(gè)外排土場以及1個(gè)內(nèi)排土場。

陰灣排土場位于黑岱溝露天煤礦首采區(qū)西南側(cè)，西排土場南側(cè)，西側(cè)距大準(zhǔn)鐵路哈爾烏素專用線段約190 m，運(yùn)量約6×105t/d。2013年，由于采場轉(zhuǎn)向，陰灣排土場承擔(dān)著較大的剝離外排量，另陰灣南部力量煤業(yè)排水長期浸泡陰灣排土場基底，導(dǎo)致基底承載力驟減，影響了排土場穩(wěn)定性[1]，以上種種因素導(dǎo)致邊坡安全存在潛在危險(xiǎn)。防排水系統(tǒng)的完善成為迫切需要解決的問題。

2 陰灣排土場壓腳區(qū)防排水設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)域地形地貌及水文氣象條件

滑坡影響區(qū)域位于大好賴溝主溝位置，東西側(cè)分別緊鄰大準(zhǔn)鐵路路基和陰灣排土場，為大準(zhǔn)鐵路和陰灣排土場地表徑流、沖溝北側(cè)原始地表徑流以及鐵路涵洞的主要排泄通道。該區(qū)域地表覆蓋有厚層黃土，僅在沖溝谷底出露石炭、二疊系砂巖和泥巖，上部黃土層滲透性較好。整個(gè)陰灣排土場由排棄物料構(gòu)成，由于上部未進(jìn)行復(fù)墾作業(yè)，整體水土保持性較差，且滲透性極好。由于氣候干旱，植被稀少，降雨集中，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，發(fā)育有樹枝狀沖溝。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，大好賴溝主溝由北向南延伸，溝底基本無水，局部地區(qū)有少量地下水滲出，沖溝南側(cè)水浸基底之上存在排棄物料，且基底部未進(jìn)行清淤作業(yè)，沖溝南端緊鄰石壩位置存在積水坑。在鉆探深度范圍內(nèi)未見穩(wěn)定地下水。地下水補(bǔ)給來源為大氣降水、凍土融化。除局部分布小沖刷溝谷外整個(gè)大好賴溝地形整體呈現(xiàn)北高南低、西高東低狀態(tài)，雨季地表徑流排泄主要集中于東側(cè)緊靠陰灣排土場坡腳處并由北向南穿越滑坡影響區(qū)順流排出，同時(shí)由于滑坡體及裂隙生產(chǎn)區(qū)域位于陰灣排土場上表面低洼處，雨季易匯流陰灣排土場上表面中部的地表徑流，這些都可能造成對(duì)滑坡體的滲流補(bǔ)給，影響潛在滑坡體的安全性[2]。

滑坡影響區(qū)域?yàn)榈湫偷拇箨懶愿珊禋夂騕3]。冬季嚴(yán)寒而漫長，夏季炎熱而短暫年總降水量為231～634.7 mm，年平均降水量為408 mm。降雨多集中在7,8,9三個(gè)月，占全年降水量的60%～70%左右，歷年雨季月平均降雨量94.9 mm。月最大降水量247.5 mm，最大三日平均降雨量72 mm，歷年最大24 h平均降雨量53.1 mm，1 h最大降水量44 mm。10 min最大降水量19.8 mm。一次最大降水量88.1 mm，延時(shí)25 h54 min。最長連續(xù)降水日分別為7 d和8 d，降水量分別為74 mm和37.1 mm。最大積雪厚度150 mm，年總蒸發(fā)量為1824.70～2896.10 mm。最大凍土深度1.5 m。

2.2 壓腳區(qū)防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為陰灣排土場、大準(zhǔn)鐵路路基和北部原始地表的徑流正常排泄，確保大準(zhǔn)鐵路路基和陰灣排土場西側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，在壓腳排土區(qū)域設(shè)置地面防排水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用“截、排、蓄、抽”四位一體的綜合防排水體系[4]。即在壓腳排土平盤(1170 m平盤)的北側(cè)設(shè)置東西方向的截水溝，截留大好賴溝北側(cè)的原始地表徑流；在陰灣排土場西側(cè)坡底設(shè)置貫穿1170 m、1160 m、1150 m和1140 m平盤并接入南部積水坑的南北向排水溝，壓腳排土作業(yè)過程中整個(gè)壓腳排土平盤形成朝向主排水溝的3‰順向坡度和由北向南的3‰縱向坡度，以便使得大準(zhǔn)鐵路路基和陰灣排土場的地表徑流疏排至排水溝內(nèi)并順排水溝排泄至南部積水坑內(nèi)；在壓腳排土區(qū)域臨近鐵路涵洞口處分別設(shè)置4個(gè)蓄水池和常備排水泵以保證大準(zhǔn)鐵路涵洞的正常排水；正常時(shí)期蓄水池內(nèi)水主要依靠蒸發(fā)平衡和臨近復(fù)墾灌溉作業(yè)消耗，南部積水坑內(nèi)積水依靠布置于南部石壩之上的排水設(shè)備抽干，當(dāng)暴雨來臨蓄水池內(nèi)積水超過臨界值時(shí)利用常備的排水泵將池內(nèi)蓄水排泄排水溝內(nèi)，以保證大準(zhǔn)鐵路路基和陰灣排土場基底免于浸水[5]。

2.3 陰灣排土場排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)

排水溝設(shè)計(jì)布置于陰灣排土場西側(cè)坡底，呈南北向縱貫1170 m、1160 m、1150 m和1140 m四個(gè)平盤接入南部積水坑。設(shè)計(jì)主排水溝全長1850 m，由鐵質(zhì)渡槽筑成(粗糙系數(shù)為0.014)，采用梯形斷面，溝底寬度1 m，溝深1 m，溝坡面坡度1∶1，縱向坡度為3‰，以水深0.8 m計(jì)算，主排水溝容水量為2664 m3。考慮到排水溝由北向南經(jīng)過三次小角度彎折，四次跨域坡面，跨越坡面段的縱向坡度約650‰(遠(yuǎn)大于平段縱向坡度的3‰)，完全可以忽略溝道彎折造成的水力損失，且排水能力大于全溝道縱向坡度3‰時(shí)的排水能力。故本方案按全溝道為縱向坡度3‰進(jìn)行排水能力計(jì)算時(shí)滿足排水要求，則可滿足溝道排水能力，計(jì)算時(shí)認(rèn)為排水溝中水流是均勻流運(yùn)動(dòng)；流體阻力主要是流動(dòng)中產(chǎn)生的沿程水頭損失,而由于邊界條件變化所產(chǎn)生的局部水頭損失省略不計(jì)[6]。并用謝才公式驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，具體計(jì)算如下。

過水?dāng)嗝?/p>

w=(1+2.6)÷2×0.8=1.44 m2

濕周

水力半徑

R=w/ρ=1.44/3.28=0.44 m

謝才公式計(jì)算：

流速系數(shù)

C=R^(1/6)÷n=0.44^(1/6)÷0.014=62.29

平均流速

v=C×R×i=62.29×0.44×0.003=0.08 m/s

排水能力：

Q=vw=0.1152 m3/s=414.72 m3/h

3 排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化

3.1 排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)分析

排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)中取溝底寬度1 m，溝深1 m最終通過利用謝才公式計(jì)算得出排水能力為414.72 m3/h。根據(jù)《露天采礦手冊(cè)》中關(guān)于防排水設(shè)計(jì)的規(guī)定[7]，暴雨排水強(qiáng)度為5日暴雨5日排除，每日排水20 h，通過計(jì)算，移交時(shí)期正常排水量和暴雨排水量分別為17 m3/h和168 m3/h，暴雨期間防排水系統(tǒng)最大儲(chǔ)水量為6444 m3。而414.72 m3/h的排水能力遠(yuǎn)大于168 m3/h泄洪要求。故主排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)滿足泄洪能力要求。

但實(shí)際排水工程中只要求大于168 m3/h即可，在此排水溝設(shè)計(jì)中的排水能力達(dá)到要求的近2.5倍，即設(shè)計(jì)的工程量比實(shí)際所需工程量多出2.5倍。排水溝參數(shù)設(shè)計(jì)有待于優(yōu)化。

3.2 排水溝參數(shù)優(yōu)化

在原有設(shè)計(jì)參數(shù)中將底寬設(shè)為a(m)其余不變,則計(jì)算結(jié)果如下：

過水?dāng)嗝?/p>

w=(2a+1.6)÷2×0.8=(0.8a+0.64)m2

濕周

水力半徑

謝才公式計(jì)算：

流速系數(shù)

C=R^(1/6)÷n

平均流速

v=C×R×i

排水能力

Q=vw=C×R×i×(0.8a+0.64)

綜合上式得

因?yàn)閷?shí)際排水工程中對(duì)排水能力只要求大于168 m3/h，所以底寬a只需滿足

解得a≥0.21。當(dāng)?shù)讓挒?.21 m時(shí)已經(jīng)滿足排水能力為169.25 m3/h滿足泄洪要求。

4 結(jié) 論

(1) 排土場積水問題是邊坡失穩(wěn)的重要影響因素，應(yīng)該在保證排水能力的情況下優(yōu)化完善排水系統(tǒng)使得工程量得到有效減少，減少了工程投資成本并且加快了露天礦邊坡穩(wěn)定防治進(jìn)度。

(2) 在謝才公式的應(yīng)用上，通過逆向求解不等式，從簡單驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用公式求解最小底寬值，為排水溝設(shè)計(jì)參數(shù)選擇提供了一種新的思維方法。

(3) 排水溝參數(shù)的設(shè)計(jì)使用只是初步的，之后還應(yīng)該根據(jù)排土場地質(zhì)的變化而隨時(shí)作出調(diào)整。

[1]張玉英.排水溝邊坡坍塌的原因及防治措施[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1988(02):70-75.

[2]劉向峰,朱劍鋒與王振偉.黑岱溝露天礦排土場西部變形區(qū)滑坡控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(03):361-364.

[3]楊建國.黑岱溝露天煤礦防洪設(shè)計(jì)及防洪設(shè)施[J].采礦技術(shù),2011(05):35-36.

[4]王潤和.黑岱溝露天煤礦防排水措施[J].中國煤炭,2009(06):95-97.

[5]張學(xué)明.明溝排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺談[J].陜西水利，2012(03)：94-95.

[6]孫書云.水力計(jì)算公式(謝才公式)推導(dǎo)初探[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊,1988:39-43.

[7]褚振堯.集水坑及排水溝明排疏干方式[J].露天采煤技術(shù),1998(S1):47-50.

2014-08-26)

田愛民(1961-) , 男,遼寧桓仁人, 碩士， 教授級(jí)高工，主要從事采礦技術(shù)研究，Email:375465870@qq.com。