王創(chuàng)業(yè)　趙少東　薛瑞雄

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

?

排土場不同邊坡角度對安全系數(shù)的影響*

王創(chuàng)業(yè)趙少東薛瑞雄

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

摘要在對邊坡工程地質(zhì)條件進(jìn)行勘察和對排土場巖土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，利用FLAC(3D)數(shù)值模擬軟件對黑岱溝露天礦排土場不同邊坡角度對其安全系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。認(rèn)為邊坡角度的大小與安全系數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系，并建立了兩者的量化關(guān)系，對于確保露天礦安全生產(chǎn)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞排土場邊坡角度安全系數(shù)數(shù)值模擬FLAC(3D)

準(zhǔn)格爾煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，對于緩解華北地區(qū)能源短缺的問題發(fā)揮了重大作用。為提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，減小排土場征地面積，相當(dāng)一部分礦山最大限度地利用排土場已有的占地，增加堆高，建設(shè)超高臺階排土場，雖然最大限度地利用了排土場的占地面積，但增加了排土場邊坡的安全隱患，一旦失穩(wěn)，造成的損失相當(dāng)嚴(yán)重[1-3]。大量學(xué)者對排土場邊坡角度與穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究，但研究成果普適性不強(qiáng)[4-5]。為此，本研究以準(zhǔn)格爾煤田黑代岱溝露天礦排土場為例，對其邊坡角度與安全系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析。

1礦區(qū)概況

準(zhǔn)格爾煤田東起煤層露頭，西至6#煤層600 m底板等高線，東西寬21 km，北至煤層露頭，南至黃河之濱，南北長65 km，面積1 022 km2，煤巖傾角一般小于5°，巖性屬中等硬度，區(qū)內(nèi)屬大陸性半干燥氣候，降水量較小，蒸發(fā)量較大，常有春旱現(xiàn)象。黑岱溝露天礦的黃土層平均厚約49 m，采用輪斗連續(xù)開采工藝。露天礦有內(nèi)排土場、外排土場，內(nèi)排土場基底較平緩，基底巖性為砂巖或砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較高；外排土場的地形坡度5°～10°，基底為黃土，強(qiáng)度較低，排棄物的內(nèi)摩擦角23°，凝聚力30 kPa，密度1.8 t/m3。

2模擬結(jié)果分析

FLAC3D數(shù)值模擬軟件，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則[6]，以黑岱溝排土場為例，建立邊坡角度分別為30°、34°、38°、42°、46°的5個(gè)模型，排土場基底高20 m，排土場高92 m。固定模型底部邊界，左、右邊界施加水平約束，并且所有邊界施加y方向約束。數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：隨著邊坡角度的增加，安全系數(shù)逐漸減小，可明顯看到塑性貫通區(qū)域，即潛在的滑動面；當(dāng)邊坡角度為42°時(shí)，安全系數(shù)為1.01，排土場很有可能出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，即達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)邊坡角度為46°時(shí)，安全系數(shù)(0.94)小于1，說明排土場不穩(wěn)定。

邊坡角度與安全系數(shù)的關(guān)系見圖2。

由圖2可知：隨著邊坡角度的增加，安全系數(shù)逐漸降低，降低的幅度先減小，后增加，最后再減小。

邊坡角度與安全系數(shù)的關(guān)系可表示為

K=3.065 5-0.075α+6.25×10-4α2,

式中，K為安全系數(shù)；α為排土場邊坡角度，(°)。

在已知邊坡角度的情況下，用上式可計(jì)算出安全系數(shù)，從而可估測排土場的安全性，若超出了允許范圍，可提前采取措施，避免人員的傷亡和建筑物的損害。

3結(jié)語

以黑岱溝露天礦排土場為例，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析并建立了其不同邊坡角度與安全系數(shù)的量化關(guān)系，據(jù)此可預(yù)先估測排土場的安全程度，對于確保該露天礦排土場的安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]黃敏，李夕兵，付玉華，等.江西省永平銅礦西部排土場極限堆載高度確定[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19(2)：109-112.

圖1　不同邊坡角度對應(yīng)的剪切應(yīng)變增量

圖2　邊坡角度與安全系數(shù)的關(guān)系

[2]翟文龍，周漢民.簡化Bishop法和余推力法在高臺階排土場穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(8)：168-170.

[3]米子軍.礦山排土場穩(wěn)定性主動調(diào)控機(jī)制研究[J].金屬礦山，2014(9)：1-6.

[4]廖國華，潘長良.邊坡穩(wěn)定[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[5]顏榮貴，賀躍光，劉文鈺，等.排土場極限高度確定方法研究及工程實(shí)例[J].礦冶工程，1996(2)：7-10.

[6]王琰.基于摩爾-庫倫準(zhǔn)側(cè)的邊坡穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(1)：196-198.

(收稿日期2016-01-18)

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51464036，51564038)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：2012MS0718)。

王創(chuàng)業(yè)(1976—)，男，副教授，014010 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市昆區(qū)阿爾丁大街7號。