陳立云

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局104勘探隊(duì) 赤峰 024005

勝利煤田西二號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)環(huán)境條件及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

陳立云

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局104勘探隊(duì) 赤峰 024005

本文以西二號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)基底工程地質(zhì)條件為例，利用FLAC3D數(shù)值模型著重分析了基底巖土體性質(zhì)對(duì)排土場(chǎng)邊坡變形破壞機(jī)制的影響和排棄物本身及排土場(chǎng)基底變形破壞的失穩(wěn)機(jī)制，其結(jié)論有助于指導(dǎo)此類排土場(chǎng)邊坡應(yīng)急防治工程方案的選擇。

排土場(chǎng)；邊坡；地質(zhì)環(huán)境條件；三維數(shù)值模型；基底系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

2011年10月勝利煤田西二號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)東側(cè)局部地段出現(xiàn)裂縫并下沉、塌陷，公路兩側(cè)地表出現(xiàn)近1m高的地鼓及張裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅了露天煤礦安全生產(chǎn)。如何根據(jù)礦區(qū)特有的工程地質(zhì)條件，研究并掌握排土場(chǎng)邊坡的變形破壞機(jī)制，預(yù)測(cè)其穩(wěn)定性，是廣大巖土工程技術(shù)人員亟待解決的重大問題。

勝利煤田西二號(hào)露天礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模10Mt/a，現(xiàn)排土場(chǎng)東西長2.52km，南北平均寬0.65km，占地面積1.64km2，排土場(chǎng)基底標(biāo)高1，040m～1，070m，臺(tái)階高度14m（5個(gè)臺(tái)階），排棄物標(biāo)高1，075m～1，043m，排土高度大于60m，邊坡角18°。

1.地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古勝利煤田西部，距錫林浩特市約為12km，行政隸屬錫林浩特市勝利蘇木管轄。礦區(qū)地面高程1，022km～1，111km之間，相對(duì)高差89m。為西北高、東南低的緩波狀侵蝕、堆積地形，地面坡度小于7°。

礦區(qū)總體呈高原丘陵地貌景觀，地表無基巖出露（除露天采掘場(chǎng)外），僅有一條溝谷穿過，暴雨時(shí)成為主要匯水排泄點(diǎn)。

排土場(chǎng)基底總體地形傾向東南、傾角較小、近視水平狀。

1.2 氣象、水文

本區(qū)屬半干旱大陸性氣候，多年平均降水量為289.2mm（多集中在七八九月）；年平均蒸發(fā)量1，805.1mm。凍結(jié)日期一般150d左右。最大凍土深度為2.89m。

礦區(qū)地下水分為兩類，一類為松散巖類孔隙水，以大氣降水（包括冰雪融水）補(bǔ)給為主，僅在雨季形成潛流（絕大部分時(shí)間松散層為透水不含水層），由西北向東南徑流、排泄。另一類為基巖裂隙水，賦存6#煤組內(nèi)，礦坑疏干排水是其主要排泄方式。地下水滲流對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性無甚影響。

排土場(chǎng)臺(tái)階面上各處的滲透性差異很大，一般情況下滲透性非常好，在經(jīng)反復(fù)碾壓的地方，滲透性明顯降低。

1.3 地層巖性

根據(jù)排土場(chǎng)基底揭露深度范圍內(nèi)的地層成因、沉積規(guī)律、物理力學(xué)性質(zhì)及巖石風(fēng)化程度自上而下劃分為第四系松散層、新近系砂礫巖層、下白堊系煤系地層和部分排棄物料堆積及雜填土層。

（1）第四系沖洪積層（Q）

主要由粉土和粉細(xì)砂夾礫砂組成，發(fā)育厚度變化較大，一般僅數(shù)米至十幾米。黃色，稍濕，中密。粉、細(xì)砂成分以石英為主，含少量小礫石。粉土搖震反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度、韌性較低。礫砂成分以砂巖礫，石英巖礫，安山巖礫為主，礫徑一般10mm～40mm不等，次圓狀，2mm以上顆粒占總質(zhì)量的35%，其他為中粗砂充填，分選不好。

上述地層屬松散土體結(jié)構(gòu)，為細(xì)顆粒均勻連續(xù)介質(zhì)，受地下水作用易于流動(dòng)。與下伏地層呈角度不整合接觸。

（2）新近系上新統(tǒng)地層（N2）

主要為砂礫巖，灰色—灰綠色，成分為安山巖礫、石英巖礫、砂巖礫、礫徑5mm～30mm，分選較差，系泥質(zhì)基底式膠結(jié)，半交接狀，松散、風(fēng)化，手捻即碎，中等壓縮性。

該地層屬松散土體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差。與下伏地層呈

角度不整合。

（3）煤系地層（K1）

主要由灰色—深灰色泥巖和煤層組成，細(xì)膩，塊狀，質(zhì)軟，分層厚度0.40mm～4.20mm，頂部弱風(fēng)化；其間煤層破碎，透水性較強(qiáng)。

該地層屬層狀碎裂結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，完整性較差。

（4）雜填土、排棄物回填土（Q4ml）

雜填土，場(chǎng)地內(nèi)呈零星不均勻分布，以砂土、細(xì)砂夾砂礫為主，含生活垃圾等雜物。

排棄物回填土，以粉土為主，含泥巖、砂礫巖等混合排棄物，層厚38.00m～63.70m。壓縮性差—中等密實(shí)度，無固結(jié)、性質(zhì)差。

2.排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)的三維數(shù)值模型

通過分析西二號(hào)露天煤礦工程概況及地質(zhì)條件，掌握排土場(chǎng)坡體結(jié)構(gòu)劃分及基底巖土層賦存特征；分析測(cè)定排棄物料和基底巖土體物理力學(xué)指標(biāo)；建立排土場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)模型。

（1）三維有限差分模型

根據(jù)勘察資料，建立排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)的三維計(jì)算模型。模型尺寸：X軸3.0km，Y軸2.5km，基底地層總厚度不小于200 m；排土場(chǎng)最下部臺(tái)階沿X軸1.0km～2.0km，沿Y軸方向長度為0.4km～2.0km，臺(tái)階數(shù)4～9個(gè)（對(duì)應(yīng)排棄高度H），單臺(tái)階高度15m；地層傾角θ為0°～10°，排棄物自然安息角β為33°，邊坡角α為14°～22°（以2°為步長）。地層傾角θ為0°、坡角α為14°、坡高為60m時(shí)排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)的三維有限差分模型見圖1所示（其他工況的計(jì)算模型略）。

圖1 排土場(chǎng)-基底系統(tǒng)的有限差分模型（θ=0°、α=14°、H=60m）

（2）巖土體物理力學(xué)參數(shù)

以排土場(chǎng)為例，排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)材料分區(qū)示意圖見圖2。數(shù)值模擬中排棄物與地層巖土體采用帶拉剪復(fù)合屈服判據(jù)的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，選取變形參數(shù)及抗拉強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

（3）數(shù)值模型邊界條件及模擬過程描述

數(shù)值計(jì)算模型4個(gè)豎向面及模型底面采用法向位移固定的邊界條件；坡體及基底地層的應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。

圖2 排土場(chǎng)-基底系統(tǒng)材料分區(qū)示意圖

根據(jù)勘察結(jié)果，結(jié)合以往邊坡穩(wěn)定性研究成果，推薦邊坡穩(wěn)定性時(shí)采用表1中所列的指標(biāo)。

表1 排棄物與基底巖層物理力學(xué)參數(shù)

（4）數(shù)值模擬過程描述

第一步，進(jìn)行未排棄前地層初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬；

第二步，將獲得的初始應(yīng)力場(chǎng)模型的位移場(chǎng)及速度場(chǎng)清零，進(jìn)行排土場(chǎng)排棄的模擬，可依次分臺(tái)階或一次性排棄模擬，獲得排土場(chǎng)排棄后的力學(xué)響應(yīng)；

第三步，采用等比強(qiáng)度折減法獲得不同工況下排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)穩(wěn)定系數(shù)Ks。

3.基底力學(xué)性質(zhì)對(duì)排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

設(shè)計(jì)排土場(chǎng)坡高H=60m，基底地層傾角θ=0°，邊坡角α=14°，基底第一層分別為弱層、砂礫巖、粉細(xì)砂、粉土，對(duì)上述四種工況進(jìn)行模擬，獲得不同基底下的排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)（見圖3）。

圖3 不同基底力學(xué)性質(zhì)下排土場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)（H=60m，θ=0°，α=14°）

不同基底下排土場(chǎng)臨界失穩(wěn)時(shí)滑裂面的形式見圖4。

圖4 不同基底力學(xué)性質(zhì)下排土場(chǎng)臨界失穩(wěn)時(shí)滑裂面的形式（H= 60m，θ=0°，α=14°）

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，若排土場(chǎng)下方基底第一層土層的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)于排棄物時(shí)，如基底為粉細(xì)砂或粉土，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性主要取決于排棄物的力學(xué)性質(zhì)，排土場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)基本相當(dāng)，其滑移面主要貫穿于坡體內(nèi)部；若第一層土層的力學(xué)性質(zhì)弱于排棄物時(shí)，如基底為砂礫巖或弱層，由于該層基底受上部排棄物非均布重力荷載的作用，在坡腳位置附近易發(fā)生剪切滑動(dòng)，使得排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)有所降低，且系統(tǒng)的滑裂面有向基底貫穿發(fā)展的趨勢(shì)，滑移失穩(wěn)模式由坡體內(nèi)部單一的純剪切滑移失穩(wěn)向坡體—基底系統(tǒng)的拉剪復(fù)合失穩(wěn)模式發(fā)展。即當(dāng)排土場(chǎng)基底力學(xué)強(qiáng)度較小時(shí)，其變形破壞模式及穩(wěn)定性在很大程度上取決于弱層。

4.結(jié)論

通過對(duì)排土場(chǎng)基底的破壞模擬預(yù)測(cè)分析，得出如下結(jié)論：

（1）掌握邊坡工程地質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。這為潛在滑坡模式的初步判定提供了基礎(chǔ)資料。

（2）不同時(shí)期、不同成因的地層，諸如礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)物性質(zhì)和膠結(jié)程度等巖土體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造征性差別甚大，且受到巖體結(jié)構(gòu)類型等眾多不確定性因素影響，具有各自的不同的物理力學(xué)性質(zhì)，繼而影響到自身巖體及排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

（3）在基底形態(tài)及邊坡高度一定的條件下，當(dāng)排土場(chǎng)基底力學(xué)強(qiáng)度較小時(shí)，其變形破壞模式及穩(wěn)定性在很大程度上取決于弱層；反之，若排土場(chǎng)下方基底第一層土層的抗剪強(qiáng)度強(qiáng)于排棄物時(shí)，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性主要取決于排棄物的力學(xué)性質(zhì)。

（4）由松散軟弱介質(zhì)構(gòu)成的排土場(chǎng)位移以下沉為主，排土場(chǎng)變形在西南側(cè)為相對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域，滑坡模式為排土場(chǎng)內(nèi)部拉裂-剪切圓弧+基底剪切滑移的切層-順層滑動(dòng)；排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)是一個(gè)應(yīng)力調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)材料抗剪力學(xué)性能充分發(fā)揮后也未能抵抗坡體的滑動(dòng)力時(shí)，排土場(chǎng)邊坡將發(fā)生滑坡；排土場(chǎng)—基底系統(tǒng)失穩(wěn)是一漸進(jìn)過程，須經(jīng)歷排土場(chǎng)沉降、局部剪切錯(cuò)動(dòng)、局部剪切破壞、剪切裂縫擴(kuò)展和貫通幾個(gè)階段；排土場(chǎng)-基底系統(tǒng)失穩(wěn)過程存在明顯空間異性特征。

[1]劉大野，陳志宏.蒙東能源控股有限責(zé)任公司西二號(hào)露天煤礦排土場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)勘查報(bào)告[R].內(nèi)蒙古赤峰：內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局104勘探隊(duì)2012.

[2]煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50197-20015)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2005.

[3]巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2001)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

陳立云(1963-)，男，地質(zhì)高級(jí)工程師，從事地質(zhì)勘查工作。