張東旭

（1.中煤科工集團(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）

露天開采作業(yè)條件好、效率高、安全性好，礦山的規(guī)模和數(shù)量逐年增加。外排土場(chǎng)是露天開采的必然產(chǎn)物，因其一般與采場(chǎng)毗鄰，其穩(wěn)定與否同時(shí)關(guān)系到排土與采剝作業(yè)人員與設(shè)備的安全，一直以來(lái)露天采礦行業(yè)的學(xué)者們對(duì)外排土場(chǎng)的研究都非常重視，其穩(wěn)定性分析是我國(guó)露天開采與巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-6]。鄭廣斌等[7]利用極限平衡方法對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出增容方案及排土場(chǎng)穩(wěn)定性防治措施；張子光等[8]運(yùn)用基于極限平衡理論的Geo-studio 軟件分析邊坡的潛在滑移面及滑坡模式，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，并分析各因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律；孫成亮[9]定量計(jì)算了外排土場(chǎng)邊坡以及復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性，確定了合理的到界邊坡形態(tài)，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)復(fù)合邊坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，并揭示其滑坡機(jī)理；王東旭等[10]對(duì)外排土場(chǎng)與非工作幫組成的復(fù)合邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與計(jì)算，總結(jié)出邊坡巖體的變形特點(diǎn)及破壞模式，提出了白音華三號(hào)露天礦非工作幫變形破壞的治理措施。整體上，以往對(duì)于排土場(chǎng)穩(wěn)定性的研究主要有條分法和數(shù)值模擬2 類，尤其是二者相結(jié)合時(shí)，可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，獲得比較滿足的效果。某一大型露天礦山，廢石排棄量大，對(duì)其穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)于后續(xù)排土工程正常接續(xù)及保護(hù)作業(yè)人員設(shè)備安全，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程地質(zhì)背景

該露天礦目前有2 個(gè)外排土場(chǎng)，分別為東排土場(chǎng)和南排土場(chǎng)。其中東排土場(chǎng)排高約40 m、整體邊坡角約12°；南排土場(chǎng)排高約25 m，整體邊坡角度約17°。東排土場(chǎng)與南排土場(chǎng)設(shè)計(jì)排高均為75 m。主要研究對(duì)象為東排土場(chǎng)，東排土場(chǎng)基底主要為風(fēng)蝕的風(fēng)積、洪積地貌、裸露的基巖風(fēng)化巖體；近地表以泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤為主，砂巖類次之組成的風(fēng)化巖段，風(fēng)化巖段之下為由煤巖交互巖段和燒變巖段組成，其中煤巖交互巖段巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，次為中、細(xì)砂巖、粗砂巖，中砂巖、粗砂巖多為接觸－孔隙式膠結(jié)類型，泥質(zhì)膠結(jié)物，具顆粒支撐，大多疏松。強(qiáng)度指數(shù)6.99～44.18 MPa，平均14.47 MPa；75.8%的巖樣天然抗壓強(qiáng)度<15 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度＜10 MPa，軟化系數(shù)基本<0.70。鉆孔R(shí)QD 值0～75%的巖層占88.3%，巖體完整性為巖體破碎-巖體中等完整，局部地段砂巖的RQD 值可大于75%。燒變巖段多數(shù)層段巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為0，巖心采取率較低；強(qiáng)度指數(shù)5.23～61.27 MPa，平均18.87 MPa；巖石物理力學(xué)試驗(yàn)天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度（下稱天然抗壓強(qiáng)度）0.5～80.9 MPa，平均29.25 MPa，飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度（下稱飽和抗壓強(qiáng)度）1.5～61.6 MPa，但半數(shù)樣品飽和后即碎，無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)。該巖段巖石質(zhì)量以極劣為主，巖體破碎，穩(wěn)固性差。東排土場(chǎng)下部燒變巖段屬富水性極強(qiáng)的含水層；又因其四周封閉、氣候嚴(yán)重干旱、降雨稀少，補(bǔ)給來(lái)源缺乏，在充水影響的范圍內(nèi)，礦床屬于水文地質(zhì)條件中等，易于疏干。

綜合來(lái)看，東排土場(chǎng)的工程地質(zhì)條件為層狀巖類中等-復(fù)雜型。東排土場(chǎng)的典型工程地質(zhì)剖面如圖1，東排土場(chǎng)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 東排土場(chǎng)的典型地質(zhì)剖面

表1 東排土場(chǎng)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 東排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性

2.1 邊坡破壞模式

按滑動(dòng)面與基底面之間的位置關(guān)系，露天礦排土場(chǎng)邊坡滑坡通常可分為基底以上滑動(dòng)、沿基底滑動(dòng)和基底滑動(dòng)3 種。為精準(zhǔn)確定潛在滑面的位置與形態(tài)，采用基于有限差分原理的大型巖土工程分析軟件FLAC 對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模型的四周邊界施加水平約束，底部邊界固定不動(dòng)，頂部和坡面為自由邊界；加載方式為重力加載。模擬過(guò)程中，采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，以位移不收斂作為滑坡判據(jù)，同時(shí)考慮剪切和拉伸2 種破壞機(jī)制，通過(guò)分析模擬得到的位移云圖、剪應(yīng)變?cè)隽繄D和速度矢量場(chǎng)，獲取東排土場(chǎng)的最危險(xiǎn)滑坡模式，東排土場(chǎng)最終邊坡數(shù)值模擬云圖如圖2。

圖2 東排土場(chǎng)最終邊坡數(shù)值模擬云圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，東排土場(chǎng)邊坡變形主要集中在排土場(chǎng)中部單臺(tái)階處，以單臺(tái)階“圓弧”滑坡為主，剪應(yīng)力也集中在中部單臺(tái)階處。排棄物的松散程度和單臺(tái)階高度是邊坡穩(wěn)定性的控制因素。

2.2 邊坡穩(wěn)定性定量分析和計(jì)算方法

分析排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀可知，二維極限平衡法是目前應(yīng)用最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。在極限平衡法理論體系形成的過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)一系列簡(jiǎn)化計(jì)算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等，不同的計(jì)算方法，其力學(xué)機(jī)理與適用條件均有所不同?？紤]到排土場(chǎng)最危險(xiǎn)的滑坡模式為單臺(tái)階圓弧滑動(dòng)，受基底影響是整體邊坡也可能發(fā)生非規(guī)則曲面滑動(dòng)，分別采用簡(jiǎn)化畢肖普法和Spencer 法，綜合分析邊坡的穩(wěn)定性，選擇專業(yè)軟件Geo-slope 作為計(jì)算工具?，F(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 東排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，當(dāng)考慮單臺(tái)階發(fā)生圓弧滑動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)大于1.2；當(dāng)考慮排土場(chǎng)發(fā)生整體破壞時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)到1.5 以上，均可滿足GB 50778—2012露天煤礦巖土工程勘察規(guī)范11.3.1 條關(guān)于邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，說(shuō)明目前東排土場(chǎng)邊坡角度及高度都小于設(shè)計(jì)值，邊坡穩(wěn)定性較好，滿足排棄要求。由于東排土場(chǎng)整體邊坡角較小，其穩(wěn)定性相對(duì)較好。

3 排土場(chǎng)邊坡防治措施

依據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，對(duì)于該露天礦東排土場(chǎng)邊坡而言，可從以下幾方面控制其穩(wěn)定性：

1）采用分散排棄表土及強(qiáng)風(fēng)化巖的方法，保持高臺(tái)階排土的穩(wěn)定，雨季汛期控制排土物料中泥巖的含量不超過(guò)30%～40%，這樣可避免排土堆中形成軟弱界面及地下滲水隔斷層產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)。

2）控制排土場(chǎng)外推進(jìn)速度，給排土場(chǎng)一定的固結(jié)時(shí)間，以便增加排土堆場(chǎng)的抗壓強(qiáng)度，采用多點(diǎn)排土或者交替排土，可以緩和這個(gè)矛盾。

3）排土場(chǎng)下部，以排棄大塊巖石為主，增強(qiáng)排土場(chǎng)基底的抗剪強(qiáng)度，以提高整體邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

1）東排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性與單臺(tái)階穩(wěn)定性均能滿足安全要求，可繼續(xù)按設(shè)計(jì)施工。

2）東排土場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)的破壞模式為單臺(tái)階“圓弧”滑坡，可通過(guò)分散排棄表土及強(qiáng)風(fēng)化巖與控制排土場(chǎng)外推進(jìn)速度等方式提高其局部穩(wěn)定性。

3）隨著排棄標(biāo)高增大和邊坡角加陡，東排土場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定性必然下降，可通過(guò)調(diào)整排土順序，先拋棄大塊巖石的方式來(lái)增強(qiáng)排土場(chǎng)基底的抗剪強(qiáng)度，以提高整體邊坡穩(wěn)定性。