王海洋

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順113122）

隨著露天礦的快速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性問題和綜合防治技術(shù)逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的重視[1]。通常受排土空間限制，露天礦外排土場與采場之間的距離都較近，容易形成復(fù)合邊坡并相互影響，且排土場周邊常有重要設(shè)施，存在一定的安全隱患[2]。排土場失穩(wěn)影響到露天礦的正常生產(chǎn)，影響著露天礦的經(jīng)濟效益。

目前，關(guān)于露天礦排土場邊坡穩(wěn)定性研究較多，陳毓等在分析黑山露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的前提下，對其破壞機理進(jìn)行數(shù)值研究[3]；蔡明祥等運用極限平衡法對增高擴容后的北排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，確定了合理的安全系數(shù)，并提出了增高擴容后的邊坡穩(wěn)定控制措施[4]；張子光等分析紅沙泉煤礦外排土場邊坡的潛在滑移面及滑坡模式，計算邊坡的安全系數(shù)，并分析各因素對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律[5]。

根據(jù)某露天礦排土場的實際變形情況，分析邊坡的變形特征，通過物理力學(xué)實驗，對現(xiàn)場情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析某露天礦北外排土場的穩(wěn)定性，提出防治措施。

1 礦山概況

新疆某露天礦東西長約20 km，南北寬約4.90 km，總面積約97.75 km2，地勢北高南低，西高東低。

該露天礦基底地層為古生界泥盆系、石炭系，在此基礎(chǔ)上又沉積了中生界三疊系、侏羅系和新生界的古近系、第四系地層。含煤層系為西山窯組（J2x）。礦區(qū)構(gòu)造簡單，主體為一南傾的單斜構(gòu)造，地層走向約95°，傾角一般在13°～25°，走向上傾角變化不大。礦區(qū)還發(fā)育3 個斷層。

北外排土場目前處于沉降固結(jié)期間，每年沉降量約30～40 cm，排棄物按自然安息角進(jìn)行排棄，一般在33°左右，排土場單臺階平盤寬度在30～45 m。截至2019 年10 月底，北側(cè)外部排土場現(xiàn)已形成排土臺階7 個，分別為＋2 570、＋2 590、＋2 610、＋2 630、＋2 650、＋2 670、＋2 690 m 水平排土臺階，高度均按20 m 設(shè)置，最終邊坡角為20 °。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 外排土場穩(wěn)定性的主控因素

影響排土場邊坡的主控因素包括排土場基底基底因素（包括基底形態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)）、排棄物料的物理力學(xué)性質(zhì)、邊坡高度及坡度，其它因素還包括自然因素的影響，如地下水、暴雨、地震等。露天礦北外排土場的排棄物主要由大小不等泥巖、砂巖、砂土礫石組成，呈松散狀、孔隙較大，無膠結(jié)性，透水性極強。

1）排土場基底性質(zhì)。通過地勘報告、現(xiàn)場踏勘以及巖石力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)，排棄物料為松散體，其力學(xué)強度偏低；排土場基底第四系覆蓋層主要為砂礫層，基底強度相對較低，不利于排土場邊坡穩(wěn)定。

2）水文條件。礦區(qū)內(nèi)每年春季冰雪消融期和夏秋季的降雨集中期，往往會形成較大的暫時性水流。外排土場基底受水的擾動影響，砂礫土層力學(xué)強度將惡化，進(jìn)而加劇邊坡變形，影響著北外排土場的穩(wěn)定。

3）排棄物荷載作用。排土場邊坡的穩(wěn)定性隨著排棄高度、排棄角度、基底壓力的增加而降低[6]。

2.2 破壞機理數(shù)值模擬

根據(jù)實際地質(zhì)資料和研究區(qū)巖土物理力學(xué)參數(shù)，建立的北外排土場工程地質(zhì)簡化模型如圖1[7]。

圖1 BWP1 剖面工程地質(zhì)簡化模型

采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，選取剖面BWP2 分析、研究某露天礦北外排土場邊坡變形破壞機理。模型的2 個邊界及底部邊界條件分別施加水平x 和垂直y 方向約束，采用理想的彈塑性模型描述介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)，保持整個系統(tǒng)的受力平衡。BWP2 剖面數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～圖4。

圖2 BWP2 剖面x 方向位移云圖

圖3 BWP2 剖面塑性應(yīng)變云圖

圖4 BWP2 剖面速度矢量云圖

通過數(shù)值模擬可知，BWP2 剖面區(qū)域總體表現(xiàn)為沉降變形，其中水平方向位移27.2 mm，水平位移主要放生在＋2 600～＋2 690 m 水平平盤，且最大位移發(fā)生在＋2 660～＋2 690 m 水平區(qū)域，排土場邊坡變形總體指向臨空方向。塑性應(yīng)變云圖顯示，最大剪切應(yīng)力發(fā)生于＋2 660～＋2 690 m 水平坡腳處，未見塑性貫通區(qū)，邊坡尚未發(fā)生破壞。排土場塑性應(yīng)變云圖較去年在局部坡角處應(yīng)變值變大，同時排土場邊坡位移有所增加，表現(xiàn)為沉降變形，通過速度矢量圖可以看出，最大位移發(fā)生在＋2 690 m 水平平盤。

結(jié)合現(xiàn)場及數(shù)值模擬結(jié)果，就現(xiàn)狀邊坡而言，某露天礦北外排邊坡潛在滑坡模式主要表現(xiàn)為：單臺階片幫、排土場內(nèi)部圓弧滑動、排土場沉降變形引起的裂縫。

2.3 穩(wěn)定性評價

1）穩(wěn)定性計算。本次穩(wěn)定計算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定邊坡的安全系數(shù)[8-10]。本次研究中安全儲備系數(shù)的確定主要按照GB 50197—2015 露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定[11]，依據(jù)對研究區(qū)工程地質(zhì)條件的認(rèn)識程度和對所收集到的資料的掌握程度以及邊坡穩(wěn)定性對露天礦生產(chǎn)的重要程度，結(jié)合北外排土場東北角存在廠區(qū)及臨時施工駐地的實際情況，安全儲備系數(shù)選取為1.3。通過極限平衡法對BWP2 剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計算，BWP2 剖面整體穩(wěn)定系數(shù)（圓弧滑動）如圖5、BWP2剖面整體穩(wěn)定系數(shù)（沿基底滑動）圖6。

圖5 BWP2 剖面整體穩(wěn)定系數(shù)（圓弧滑動）

圖6 BWP2 剖面整體穩(wěn)定系數(shù)（沿基底滑動）

2）北外排土場穩(wěn)定性分析。除BWP2 剖面，還計算了BWP1、BWP3、BWP4、BWP5 剖面的穩(wěn)定系數(shù)，北外排邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果統(tǒng)計表見表1 。通過多個剖面的穩(wěn)定系數(shù)，綜合分析該露天礦北外排土場各區(qū)域邊坡穩(wěn)定性。目前，北外排土場整體邊坡角在15 °～22 °，表1 穩(wěn)定計算結(jié)果顯示，BWP1 至BWP5剖面整體滑動時穩(wěn)定系數(shù)分別為1.302、1.302、1.325、1.333、1.330，沿基底滑動時穩(wěn)定系數(shù)分別為1.432、1.351、1.460、1.421 和1.409。目前，整體上均滿足安全儲備系數(shù)要求，不易出現(xiàn)整體滑坡，北外排土場距廠區(qū)及臨時施工駐地2 處建筑物距離在225～255 m，也滿足安全規(guī)程200 m 的要求。

表1 北外排邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果統(tǒng)計表

3 結(jié) 語

1）露天礦北外排土場變形主要表現(xiàn)為單臺階片幫、排土場內(nèi)部圓弧滑動、排土場沉降。

2）目前排土場穩(wěn)定系數(shù)滿足安全儲備要求，但北外排土場的基底透水性較強，遇到大氣降水和地表水滲透容易發(fā)生滑坡，仍要做好防護(hù)和監(jiān)測。

3）做好北外排土場及周邊的排水疏干工程；及時回填壓實排土場出現(xiàn)的沉陷與裂縫；完善日常的巡查監(jiān)測制度，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，及時預(yù)警避讓，采取防治工程措施。