趙立春,王 崇,張佳琦,韓龍啟
(1.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司,內蒙古扎魯特旗 029100;2.霍林河露天煤業(yè)股份有限公司,內蒙古霍林郭勒 029200)
排土場邊坡穩(wěn)定性問題既是一個安全問題,又是一個經濟問題[1]。排土場最終幫坡角越大,拋棄高度越大,排土場排棄量越大,占地越少,經濟效益越好,但滑坡可能性增大,安全性下降,對露天礦安全生產及周邊設施的安全影響較大,反之亦然[2-3]。因此,對于露天煤礦而言,排土場邊坡穩(wěn)定不容忽視,合理的排土場邊坡形態(tài)是確保露天礦安全、持續(xù)生產及減少土地資源浪費的前提和基礎。如何根據礦區(qū)特有的工程地質條件,研究并掌握排土場邊坡的失穩(wěn)破壞機制,科學評價其穩(wěn)定性,優(yōu)化合理邊坡的形態(tài),有效控制成本,提出合理的排土場優(yōu)化方案是采礦工程技術人員亟待解決的重大問題[4-6]。
隨著扎哈淖爾露天礦內排逐步推進及重心向西發(fā)展,再加上南幫壓腳工程實施,導致內排土場中下部局部邊坡角較大,對其邊坡穩(wěn)定極其不利,同時內排土場物料為松散體,力學性能差,邊坡高陡存在一定的潛在滑坡危險,為消除潛在滑坡帶來的安全隱患,切割了東西走向方向。
1)巖土層及煤層分布及特征。通過采場邊坡揭露情況和現(xiàn)場踏勘結果可知,內排土場巖層、巖性分布與基底產狀簡單,典型地質計算剖面如圖1。
圖1 典型地質計算剖面圖
2)巖體物理力學參數。結合西安煤科院試驗結果、扎哈淖爾露天礦初步設計中的數據及遼寧工程技術報告,綜合確定到界北幫北邊坡穩(wěn)定性分析計算采用的巖體物理力學指標,巖體物理力學指標見表1。
表1 巖體物理力學指標
3)安全儲備系數。按照GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范中的規(guī)定,依據內排土場邊坡的服務年限、內排土場動態(tài)發(fā)展等因素,確定內排土場邊坡的安全儲備系數均為1.2。
4)計算方法。邊坡穩(wěn)定性計算方法有很多種,以二維方法中剛體極限平衡法應用最為廣泛,計算準確度更高。最常用極限平衡分析方法有簡化Bishop 法、剩余推力法、Fellenious 法、Janbu 法,其中Bishop 法適合圓弧滑動計算,剩余推力法適用于任意滑面的滑坡計算[7]。
5)邊坡潛在滑坡模式。內排土場邊坡一般由散體、破碎的巖體組成,將邊坡的地質結構類型定性為散體介質邊坡,內排土場基底層不存在軟弱結構面。內排土場潛在滑坡模式為圓弧滑動[8],適合于Bishop法計算的模型。
為了優(yōu)化排土場邊坡形態(tài),確保排土場作業(yè)安全,消除忽略邊坡形態(tài)參數對內排土場邊坡穩(wěn)定影響,按照內排土場排土參數,排土臺階高度24 m、臺階坡面角35°,研究了排棄高度120 m 情況下滿足安全儲備系數Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內排土場形態(tài)參數,排棄高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果如圖2。
圖2 排棄高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果
通過計算可知,內排土場邊坡高度在120 m 情況下,F(xiàn)s=1.0 極限平衡(1.002)條件下,確定極限平盤寬度為30 m,說明內排土場邊坡高度在0~120 m范圍內,內排土場排土平盤寬度不小于30 m,才能確保內排場邊坡穩(wěn)定系數大于1;內排土場邊坡高度在120 m 情況下,F(xiàn)s=1.2 儲備系數(1.2)條件下,確定極限平盤寬度為50 m,說明內排土場邊坡高度在0~120 m 范圍內,內排土場排土平盤寬度不小于50 m,才能確保內排場邊坡穩(wěn)定系數大于1.2;通過以上2 種邊坡穩(wěn)定情況分析,在內排土場高度在120 m、排土臺階高度24 m、臺階坡面角35°情況下,確定排土平盤寬度在30~50 m 范圍內為最優(yōu)平盤寬度,內排土場邊坡角在18°~22°,既能保證安全需要,又可以有效控制成本。
按照內排土場排土的參數,排土臺階高度為24 m、臺階坡面角為35°,研究了排棄高度216 m 情況下滿足安全儲備系數Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內排土場態(tài)參數,排棄高度216 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果如圖3。
按照內排土場排土參數,排土臺階高度24 m、臺階坡面角35°,研究了排棄高度336 m 情況下滿足安全儲備系數Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0內排土場形態(tài)參數,排棄高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果如圖4。
圖3 排棄高度216m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果
圖4 排棄高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下內排土場邊坡穩(wěn)定性計算與形態(tài)參數結果
通過SLOPE/W 軟件中剛體極限平衡法計算可知,內排土場邊坡高度分別在120、216、336 m 情況,F(xiàn)s=1.0 極限平衡條件下,確定極限平盤寬度為分別為30、38、46 m,說明內排土場邊坡高度在不大于120、216、336 m 范圍內,內排土場排土平盤寬度不小于30、38、46 m。Fs=1.2 極限平衡條件下,確定極限平盤寬度為分別為50、55、60 m,說明內排土場邊坡高度在不大于120、216、336 m 范圍內,內排土場排土平盤寬度不小于50、55、60 m。通過以上2 種邊坡穩(wěn)定情況分析,在內排土場高度在120、216、336 m,排土臺階高度24 m,臺階坡面角35°情況下,確定最優(yōu)排棄平盤寬度分別為30~50 m、38~55 m 及46~60 m,確定內排土場最優(yōu)邊坡角在15°~18°、18°~20°、18°~22°之間,既能保證安全需要,又可以有效控制成本,內排土場排棄高度與邊坡角和平盤寬度的關系圖如圖5。
圖5 內排土場排棄高度與邊坡角和平盤寬度的關系圖
1)內排土場物料主要由松散巖體組成,且基底無軟弱層,通過模型模擬分析,排土場失穩(wěn)模式為圓弧形滑動。
2)隨著排土場排棄高度增加,穩(wěn)定邊坡角度相應減低,平盤寬度相應的增加,說明排土場滑坡因素主要受邊坡高度、邊坡角大小和平盤寬度控制。
3)通過滿足安全儲備系數Fs=1.2 及極限平衡狀態(tài)下Fs=1.0 內排土場穩(wěn)定系數,在內排土場高度在120、216、336 m,排土臺階高度24 m,臺階坡面角35°情況下,確定最優(yōu)排棄平盤寬度分別為50、55、60 m,確定內排土場最優(yōu)邊坡角為18°、20°、22°,既能保證安全需要,又可以有效控制成本。