侯成恒

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

隨著礦山露天開(kāi)采比例的不斷增加，露天礦建設(shè)規(guī)模趨于大型化，露天礦生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，露天礦外排土場(chǎng)規(guī)模隨之加大[1]。由于露天礦受基建投資、基建工期、征地費(fèi)用、綠色開(kāi)采等條件的限制，外排土場(chǎng)面積受到嚴(yán)重制約。露天礦開(kāi)采初期，露天開(kāi)采內(nèi)排形成之前，外排土場(chǎng)起到至關(guān)重要的作用，剝離物全部排棄至露天礦外排土場(chǎng)，因此外排土場(chǎng)位置決定整個(gè)排棄運(yùn)輸系統(tǒng)的布置及運(yùn)輸費(fèi)用，排土場(chǎng)占地面積決定外排土場(chǎng)收容量[2]。

露天礦外排土場(chǎng)位置一般選擇在露天礦坑周?chē)?，基于地理位置、地質(zhì)條件的限制，排土場(chǎng)基底一般存在軟弱層組，隨著開(kāi)采深度的增加，排土場(chǎng)高度不斷加大，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)，并且排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題影響整個(gè)露天礦的開(kāi)采設(shè)計(jì)，同時(shí)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定與否直接制約著露天礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1 露天礦排土場(chǎng)滑坡原因

根據(jù)露天礦排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)、變形、破壞滑動(dòng)面位置不同，排土場(chǎng)滑坡主要分為3 種情況：

1）沿基底以上滑動(dòng)，即滑動(dòng)面位于排棄物料內(nèi)部，它是滑面全部產(chǎn)生在排棄物料內(nèi)部的滑動(dòng)，產(chǎn)生這種滑動(dòng)的主要原因是排棄物料抗剪強(qiáng)度低于排土場(chǎng)基底抗剪強(qiáng)度，排土場(chǎng)基底地基承載力大于上部怕棄物料所施加的壓力。

2）沿基底面滑動(dòng)，即滑動(dòng)面底部沿基底面或沿基底內(nèi)相對(duì)較淺的軟弱接觸面，一般而言，排土場(chǎng)基底面或軟弱接觸面呈傾斜式，傾向與邊坡傾向基本一致或傾向呈水平式，此狀態(tài)下基底面抗剪強(qiáng)度較小，基底面或軟弱接觸面的傾角與抗剪強(qiáng)度大小是導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡沿基底滑動(dòng)的主要決定因素。

3）沿基底滑動(dòng)，即滑動(dòng)面沿排土場(chǎng)基底巖層，主要呈旋轉(zhuǎn)剪切式滑動(dòng)，導(dǎo)致該滑坡模式發(fā)生的主要因素是排土場(chǎng)的基底軟弱，通常是由沼澤地或浸水的塑性巖層組成，承載能力相對(duì)較低，滑動(dòng)過(guò)程中基底表現(xiàn)出明顯的外部特征，即排土場(chǎng)前基底有底鼓現(xiàn)象的發(fā)生，并且沿邊坡走向方向形成一定的巖堆[4]。

對(duì)于大多數(shù)露天礦而言，排土場(chǎng)滑坡主要是由排土場(chǎng)基底存在軟弱層引起的，嚴(yán)重影響露天礦安全生產(chǎn)[5]。根據(jù)排土場(chǎng)占地面積大的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)排土場(chǎng)基底進(jìn)行清理、置換或加固等措施，以上措施具有施工工程量大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此，開(kāi)采過(guò)程中不能輕易的去改變排土場(chǎng)周?chē)牡刭|(zhì)環(huán)境，在設(shè)計(jì)階段未對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)帶來(lái)重大的安全生產(chǎn)隱患[6]。

2 工程地質(zhì)條件及巖土體力學(xué)性質(zhì)

為研究露天礦外排土場(chǎng)邊坡變形破壞模式及分析其穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的治理措施，以某露天為例進(jìn)行分析、研究。

露天礦外排土場(chǎng)基底為第四系巖土層，在區(qū)內(nèi)廣泛分布，巖性為紅褐色、黃褐色黏土、粉質(zhì)黏土，底部有1 薄層鐵質(zhì)結(jié)核層，厚度0～15 m，礦區(qū)一帶厚度較大，一般為5～15 m，具垂直節(jié)理，透水性較弱，在分水嶺一帶厚度較小，一般不超過(guò)1 m。在溝谷底部、河漫灘一帶，巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂，厚度0～1 m，結(jié)構(gòu)松散。

露天礦排棄物料為采場(chǎng)排棄剝離的土巖，為松散物料，露天礦在進(jìn)行資源開(kāi)采時(shí)，剝離巖層主要有第四系巖土、白云質(zhì)頁(yè)巖、塊狀硅化白云巖、層狀硅化白云巖、白云質(zhì)細(xì)砂巖、白云質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)泥巖、黏土滑石白云巖、白云質(zhì)石英砂巖、粉砂巖等。

排土場(chǎng)區(qū)域內(nèi)有舊河道，后期對(duì)其進(jìn)行改道，由于排土場(chǎng)基底以黏性土為主，在河道水作用的影響下，基底強(qiáng)度大大降低，軟化基底黏性土并形成1 層“演化弱層”，易發(fā)生沿排土場(chǎng)基底的滑動(dòng)破壞。

根據(jù)對(duì)外排土場(chǎng)工程地質(zhì)條件研究，同時(shí)結(jié)合以往地質(zhì)鉆孔資料，以初步設(shè)計(jì)為依據(jù)，建立研究區(qū)典型工程地質(zhì)模型，典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

3 邊坡變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性

露天礦邊坡變形、破壞機(jī)理研究，主要采用試驗(yàn)研究、理論研究及數(shù)值計(jì)算綜合分析的研究方法，采用該研究方法的根本原因是邊坡變形、破壞是由多種因素共同作用下引起的，變形、破壞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，單一的研究方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)破壞過(guò)程的研究。目前，對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的研究，分析均采用綜合分析研究方法，其中數(shù)值計(jì)算方法主要包括：有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法及流形元法等。通過(guò)對(duì)以上數(shù)值分析方法對(duì)比、分析，有限元數(shù)值分析方法常被人們采用，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是處理關(guān)于邊界和邊界條件的組合問(wèn)題相對(duì)較容易[7-8]。

目前邊坡穩(wěn)定性分析常用的理論體系為極限平衡理論體系，具有計(jì)算模型簡(jiǎn)單、計(jì)算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直截實(shí)用的特點(diǎn)，其簡(jiǎn)化計(jì)算方法包括：瑞典法、傳遞系數(shù)法、畢肖普法、陸軍工程師團(tuán)法Spencer 法和MorgensternPrice 法等。與其它方法相比，Morgenstern-Price 法考慮了全部平衡條件與邊界條件、消除計(jì)算方法上的誤差。因此，本次穩(wěn)定計(jì)算采用MorgensternPrice 法來(lái)確定邊坡安全系數(shù)[9-10]。

3.1 邊坡變形破壞機(jī)理

1）數(shù)值模擬模型的建立。為研究外排土場(chǎng)邊坡變形破壞機(jī)理，本次模擬計(jì)算選取典型工程地質(zhì)剖面，模型的左邊界、右邊界和底部邊界分別以水平x方向和垂直y 方向的位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，介質(zhì)采用理想的彈塑性模型描述，以保持整個(gè)系統(tǒng)受力體系的平衡，模擬計(jì)算模型如圖2。

圖2 模擬計(jì)算模型

2）數(shù)值模擬結(jié)果。通過(guò)對(duì)典型剖面數(shù)值模擬，得出外排土場(chǎng)設(shè)計(jì)邊坡水平方向位移云圖（圖3）、總位移云圖（圖4）、剪應(yīng)力云圖（圖5）及位移矢量圖（圖略），并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果最終確定外排土場(chǎng)邊坡變形、破壞機(jī)理。

圖3 水平方向位移云圖

圖4 總位移云圖

圖5 剪應(yīng)力云圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，排土場(chǎng)邊坡以沉降為主，水平位移最大區(qū)域出現(xiàn)在坡底區(qū)域，主要是由于第四系地基承載力較低；剪應(yīng)力集中區(qū)域第四系黏土和粉質(zhì)黏土層，該區(qū)域巖土體風(fēng)化較嚴(yán)重，在地下水的作用下，形成“演化弱層”，巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度降低。

綜合以上分析結(jié)果，該露天礦外排土場(chǎng)潛在的邊坡變形破壞模式為沿排土場(chǎng)基底（第四系）易發(fā)生“坐落滑移式”滑動(dòng)。

3．2 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

1）安全儲(chǔ)備系數(shù)的確定。按照GB 50197—2015露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定，服務(wù)年限大于20年的外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs取值為1.2～1.5，同時(shí)依據(jù)對(duì)研究區(qū)域工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)程度和對(duì)所收集到的資料的掌握程度，以及邊坡穩(wěn)定性對(duì)露天礦生產(chǎn)的重要程度等方面因素綜合考慮，選取安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.3。

2）穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)。根據(jù)所建立的外排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面圖，利用Morgenstern-Price 法分析外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.046，結(jié)合外排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)，外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)不能滿足安全儲(chǔ)備要求，外排土場(chǎng)邊坡易發(fā)生滑坡事故。巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見(jiàn)表1，邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果如圖6。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

圖6 邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果

4 邊坡治理措施

露天礦邊坡穩(wěn)定治理措施主要包括削坡減載、調(diào)整邊坡角、回填壓腳、改善巖土體強(qiáng)度、人工支擋等，鑒于外排土場(chǎng)面積、排棄量較大，采用人工支擋和改善巖土體強(qiáng)度措施并不適用。因此，根據(jù)以上治理措施的適用性，同時(shí)結(jié)合外排土場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境等因素，提出以下2 種治理措施：①調(diào)整邊坡角；②底部境界壓腳壓腳。

4．1 調(diào)整邊坡角措施

排土場(chǎng)設(shè)計(jì)排棄水平為＋560 m，整體邊坡角為26°，根據(jù)邊坡角與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系可知，保證其它邊坡參數(shù)不變的情況下，隨著邊坡角度的降低、邊坡穩(wěn)定性逐步提高。

調(diào)整邊坡角方案為：以1°為等差，分別對(duì)每一種方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，最終確定邊坡角由26°調(diào)整至21°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲(chǔ)備要求，此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.304，調(diào)整設(shè)計(jì)邊坡角方案如圖7。

圖7 調(diào)整設(shè)計(jì)邊坡角方案

4．2 底部境界壓腳措施

底部境界壓腳措施主要是保證排棄高度不變，在排土場(chǎng)最下部區(qū)域周?chē)艞墑冸x物料，使得治理后的邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲(chǔ)備要求。具體治理方案：在現(xiàn)狀邊坡基礎(chǔ)上進(jìn)行壓腳，壓腳設(shè)計(jì)為3 個(gè)安全平盤(pán)，第1 個(gè)安全平盤(pán)位于＋470 m 水平，平盤(pán)寬度55 m，第2 個(gè)安全平盤(pán)位于＋450 m 水平，平盤(pán)寬度30 m，第3 個(gè)安全平盤(pán)位于＋430 m 水平，平盤(pán)寬度56 m，臺(tái)階坡面角34°，底部境界壓腳后邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.301，底部境界壓腳方案如圖8。

圖8 底部境界壓腳方案

4．3 邊坡治理措施確定

綜合對(duì)比分析邊坡治理措施可知，調(diào)整邊坡角和底部境界壓腳措施均能提高邊坡穩(wěn)定性，但在排土場(chǎng)面積不變的情況下，調(diào)整邊坡角措施使外排土場(chǎng)收容量減小，底部境界壓腳措施可增加排土場(chǎng)收容量，同時(shí)縮短壓腳量運(yùn)距。故推薦采用底部境界壓腳措施提高邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)露天礦外排土場(chǎng)工程地質(zhì)資料分析，確定了基底弱層巖性為黏性土。

2）受弱層影響，排土場(chǎng)邊坡變形破壞機(jī)理為：沿基底弱層的“坐落-滑移”式破壞模式。

3）在邊坡穩(wěn)定性分析成果基礎(chǔ)上，提出了底部境界壓腳邊坡治理措施，采用該治理措后邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲(chǔ)備要求，同時(shí)增加了排土場(chǎng)收容量、縮短了排棄物料的運(yùn)距。