胡鐵男

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

對于近水平煤層露天煤礦，盡早實現(xiàn)內排、盡可能地增大內排量，是露天礦減少外排量和提高經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益的重要途徑。隨著露天礦降深不斷增大，對內排土場邊坡穩(wěn)定性的要求也日漸凸顯。同時，隨著工作幫的不斷推進，在實現(xiàn)完全內排前對內排土場的排棄空間的要求也逐漸增大。因此，如何在保障安全、技術可行且滿足實際生產(chǎn)需求的前提下如何釋放出更大的排土空間成為迫切需要解決的問題。

20 世紀70 年代以來，很多學者結合已有土質邊坡分析方法及土力學理論，對排土場邊坡的穩(wěn)定性展開了理論研究及實踐探索，宋子嶺等[1]以受到蘆子溝背斜構造影響的安太堡露天礦內排土場邊坡為研究對象，基于剛體極限平衡法，研究傾斜基底對邊坡穩(wěn)定性的影響，確定了內排土場邊坡的滑坡模式是以危險圓弧為側界面、以基底為底界面的切層-順層滑動，背斜構造導致的傾斜基底是邊坡穩(wěn)定性的控制因素；王思文等[2]于2013 年通過對不同壓幫狀態(tài)下的露天礦邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，基礎性的揭示了內排臺階參數(shù)與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)之間的函數(shù)關系；1992 年周昌壽[3]對露天礦排土場邊坡的變形類型、穩(wěn)定性影響因素及滑坡防治措施進行了分析和論述，并第一次指出了基于實踐的穩(wěn)定性分析的重要性；高猛[4]應用Flac3D軟件對黑岱溝露天礦內排土場邊坡建立數(shù)值模型并進行安全性評價，確定了剪切應力增大區(qū)以及可能出現(xiàn)的安全隱患；曹蘭柱等[5]于2018 年針對順傾軟弱基地內排土場邊坡進行研究，分析了內排角度及內排土場發(fā)展至不同工程位置對內排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，基礎性的揭示了內排土場邊坡變形破壞特征，并設計了順傾軟弱基底內排土場邊坡空間形態(tài)；丁鑫品[6]采用基底承載力分析與極限平衡分析相結合的方法，研究了背斜構造影響下增高擴容方案的可行性；羅懷廷等[7]分析了內排土場存在的安全隱患，研究了內排土場承載高度與穩(wěn)定性關系，邊坡角與穩(wěn)定性關系。盡管國內外學者對內排土場邊坡在各種地質、工程條件下的穩(wěn)定性以及對內排空間形態(tài)進行了大量的研究，但針對不同工程位置時排土參數(shù)優(yōu)化的研究相對較少。

1 工程地質條件

白音華煤田位于內蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗白音華蘇木和哈日根臺蘇木。三號露天礦位于煤田中部。該礦地處內蒙古高原大興安嶺南段北側。屬丘陵低山區(qū)，剝蝕堆積地形沖洪積平原，南西高北東低，煤田內是地形平緩的草原、沼澤地形，兩者間的過渡帶是由剝蝕堆積和風蝕形成的緩波狀丘陵[8]。巖土體物理力學指標見表1。

表1 巖土體物理力學指標

2 排土場參數(shù)優(yōu)化

2.1 模型參數(shù)和工程位置

依據(jù)露天煤礦初步設計，剝采工程采用水平劃分臺階，露天礦南幫煤層露頭處拉溝，沿走向布置工作線，沿煤層傾向推進。剝采參數(shù)見表2，排土參數(shù)見表3。

表2 剝采參數(shù)表

1）采場工程位置。均衡剝采比之后，尤其是達產(chǎn)期間內的采煤量與剝離量一定，以通過調整開采參數(shù)和臺階工作線位置實現(xiàn)對工程位置狀態(tài)的調整，來滿足工程量的要求與保證[9]。得到達產(chǎn)后各個年末時所對應的采場工程位置。

表3 排土參數(shù)表

2）內排工程位置。由式（1）確定跟蹤距離Zmin＝60 m。

式中：Zmin為跟蹤距離，m；F 為大塊滾落寬度，取15 m；T 為道路寬度，取20 m；C 為安全距離，取25 m。

通過上述采場工作線推進位置的確定，同時保證采場最下煤臺階與內排土場最下排土臺階之間的跟蹤距離，對應得到達產(chǎn)后各年末時內排土場的工程位置。

2.2 內排土場邊坡穩(wěn)定性

選取安全儲備系數(shù)為1.2。由原設計排土參數(shù)可知，邊坡角為11°，從11°開始計算，逐次加陡1°，并保證最上臺階排棄標高達到＋990 m，同時，分別以達產(chǎn)期間每年末的工程位置為條件，對內排土場不同邊坡形態(tài)的穩(wěn)定性進行分析計算，列舉達產(chǎn)1 年末、達產(chǎn)3 年末、達產(chǎn)5 年末、達產(chǎn)7 年末、達產(chǎn)9 年末計算結果如圖1～圖3。

圖1 各邊坡角對應的穩(wěn)定系數(shù)隨推進位置變化曲線

圖2 各位置穩(wěn)定系數(shù)隨邊坡角變化曲線

圖3 不同推進位置時的穩(wěn)定性計算結果

隨著邊坡角的增大以及推進位置的向前發(fā)展，內排土場邊坡穩(wěn)定性明顯降低，其中，邊坡角影響邊坡的穩(wěn)定性比推進距離明顯[10]。通過對各個內排土場工程位置時邊坡穩(wěn)定性分析研究，在保證邊坡穩(wěn)定性在安全需要的條件下，保持臺階高度、臺階坡面角與原設計中20 m、33°相同的條件下，達產(chǎn)1 年末到5 年末邊坡角為15°，平盤寬度為50 m 時，達產(chǎn)6年末到9 年末邊坡角為14°，平盤寬度為56 m 時，達產(chǎn)10 年末到15 a 末邊坡角為13°，平盤寬度為64 m 時，達產(chǎn)16 年末到18 年末邊坡角為12°，平盤寬度為70 m 時，達產(chǎn)19 年末到20 年末邊坡角為11°，平盤寬度為75 m 時，均達到安全儲備系數(shù)1.2的要求。根據(jù)式（2）可得滿足實際生產(chǎn)需求的最小工作平盤寬度Bmin=63 m。

式中：Bmin為最小排土工作平盤寬度，m；L1為安全寬度，取2 m；L2為料堆占用寬度，取6 m；L3為卡車長度，取12 m；L4為汽車回轉占用部分寬度，取8 m；L5為道路寬度，取20 m；G 為大塊滾落寬度，取15 m。

內排土場優(yōu)化后排土參數(shù)見表4。

通過穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡角之間的關系曲線，定量描述了邊坡角對穩(wěn)定性的影響，同一推進位置邊坡穩(wěn)定系數(shù)與邊坡角之間，基本成線性關系；通過穩(wěn)定性系數(shù)與推進位置之間的關系曲線可知，同一邊坡角，隨著推進位置的向前發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也明顯降低，但要比邊坡角提高穩(wěn)定性的效果差。

表4 內排土場優(yōu)化后排土參數(shù)

3 優(yōu)化結果

達產(chǎn)期內年和年新增內排量為：

式中：VPm為年新增內排容量，Mm3；LT為年推進距離，m；h 為臺階高度，20 m；n 為臺階個數(shù)。

達產(chǎn)期內年剝離松方量為：

式中：V＇ 為剝離松方量，Mm3；VBL為剝離量，Mm3；α 為松散系數(shù)，1.1。年剝離松方量和年新增內排量表見表5。

將達產(chǎn)期間年剝離松方量與年新增內排容量相比較，得到的年剝離松方量與年新增內排容量關系曲線圖如圖4。

經(jīng)過對比分析可得，達產(chǎn)14 年末，新增內排容量大于剝離物松方量，且此后年新增內排容量均大于年剝離物松方量，因此，優(yōu)化后的排土參數(shù)可于達產(chǎn)14 年末實現(xiàn)完全內排，相較于原設計排土參數(shù)，可提前1 年實現(xiàn)完全內排。優(yōu)化后完全內排時空間位置如圖5。

表5 年剝離松方量和年新增內排量表

圖4 年剝離松方量與年新增內排容量的關系曲線圖

圖5 優(yōu)化后完全內排時空間位置

4 結語

1）建立了白音華三號露天煤礦三維地質模型、剝采模型以及排土模型，確定了剝采工程位置，結合露天礦生產(chǎn)設備等因素確定了內排跟蹤距離，進而確定出內排土工程位置，為研究提供了基礎。

2）確定在達產(chǎn)1～15 年期間，內排土場邊坡角13°，平盤寬度64 m；達產(chǎn)16～18 年，內排土場邊坡角12°，平盤寬度70 m；達產(chǎn)19～20 年，內排土場邊坡角11°，平盤寬度75 m。

3）優(yōu)化后的排土參數(shù)可使完全實現(xiàn)內排時間提前1 年。