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        魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場增高擴(kuò)容研究

        2021-10-05 06:31:06曹殿華張永貴張曉波
        露天采礦技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:面角露天煤礦排土場

        曹殿華,張永貴,張曉波

        (北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

        隨著征地政策逐步完善,征地貴、林草土手續(xù)多、用地耗時(shí)長嚴(yán)重影響各大露天煤礦正常生產(chǎn),少征地可加快征地進(jìn)度、降低征地費(fèi)用,保證露天煤礦高效運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),露天煤礦外排土場占地面積達(dá)到總占地面積1/2,露天煤礦科技研究學(xué)者及工程技術(shù)人員已將減少外排土場占用面積作為一項(xiàng)重要研究課題,因露天煤礦剝采比一定,總體剝離量不變,那么內(nèi)排土場增高擴(kuò)容研究就成為關(guān)鍵所在,也是未來應(yīng)對征地問題的發(fā)展趨勢。

        國內(nèi)安太堡、黑岱溝、哈爾烏素、黑山、河曲、金正泰等[1-8]露天煤礦對排土場擴(kuò)容進(jìn)行了不同角度不同程度的研究,并且在工程實(shí)踐中取得良好效果,為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。位于黃土高原地區(qū)的魏家峁露天煤礦同樣面臨節(jié)約征地的問題,因此,針對魏家峁露天煤礦生產(chǎn)實(shí)際,將內(nèi)排土場增高多少米、最終幫坡角提高多少度等問題的研究尤為必要且非常迫切[9-10]。

        1 礦山概況

        魏家峁露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部,是一座現(xiàn)代化大型露天煤礦,一期設(shè)計(jì)規(guī)模600 萬t/a,二期設(shè)計(jì)規(guī)模1 200 萬t/a,可采儲(chǔ)量6.86 億t,露天煤礦目前在首采區(qū)開采,整體向西南方向推進(jìn),已正常連續(xù)生產(chǎn)多年。露天煤礦自上而下為黃土層大部分布、紅土層局部分布、砂巖泥巖全區(qū)分布、6#號煤層全區(qū)分布,煤層賦存平穩(wěn),地層傾角近水平,煤層傾角一般要小于2°,個(gè)別處小于3°~5°,含水層涌水量小,煤層底板工程地質(zhì)條件好,隨著工作幫的向前推進(jìn),內(nèi)排土場逐步形成。

        2012 年初步設(shè)計(jì)內(nèi)排土場臺階參數(shù)如圖1。根據(jù)2012 版魏家峁露天煤礦初步設(shè)計(jì)說明書,設(shè)計(jì)內(nèi)排土場總高度200 m,總邊坡角17°,最終排棄高度1 176 m 水平。排土臺階高度Hp為32 m,排土臺階坡面角αp為33°。排土帶寬度Ap為20 m,道路外援擋土堆F 為13.5 m,路面寬度T 為28 m,大塊滾動(dòng)距離G 為26.5 m,道路平盤寬度Bo為68 m,最小工作平盤寬度Bmin為88 m。

        圖1 2012 年初步設(shè)計(jì)內(nèi)排土場臺階參數(shù)

        2 內(nèi)排土穩(wěn)定性影響因素

        魏家峁露天煤礦潛在滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧直線型滑面,排土場邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響,分析主要因素才能確定排土場最大排棄高度。

        1)基底承載力。基底承載力大小直接影響排土場高度,承載力不足排棄物料壓入基底,當(dāng)排棄物料壓入到一定厚度時(shí),容易發(fā)生周圍底鼓現(xiàn)象。

        2)排棄物料性質(zhì)。巖石與黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角不同,造成排棄物料抗剪強(qiáng)度不同,不同排棄物料同等排棄條件下邊坡穩(wěn)定情況不同。

        3)水的作用。大部分滑坡發(fā)生在雨季,水體進(jìn)入邊坡豎向裂縫,土體的含水量或孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力降低,導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低,抗滑力減小,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

        3 內(nèi)排土場增高擴(kuò)容方案

        確定內(nèi)排土場增高擴(kuò)容方案應(yīng)先確定內(nèi)排土場最大排棄高度,然后通過不同單臺階高度與臺階坡面角、內(nèi)排土場臺階高度與幫坡角列出增高擴(kuò)容方案,再通過極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性進(jìn)而確定最優(yōu)內(nèi)排土場增高擴(kuò)容方案。

        3.1 內(nèi)排土場基底承載力

        眾所周知,基底承載力用表土抗剪強(qiáng)度或基底土相對壓縮變形20 %表示,排土場邊坡穩(wěn)定應(yīng)滿足下式要求:

        式中:ps為排土場上覆排棄物料主荷載,kPa;pu為地基極限載荷,kPa;fs為地基承載力儲(chǔ)備系數(shù)。

        式中:ρ 為排棄物料的密度,t/m3;h 為內(nèi)排土場高度,m;g 為重力加速度,m/s2。

        引用太沙基理論,計(jì)算土體限承載力pu:

        對內(nèi)排土場而言,可將上式簡化為:

        對一些中外傳統(tǒng)節(jié)日的考查,一般會(huì)涉及節(jié)日舉辦的時(shí)間、地點(diǎn)、活動(dòng)內(nèi)容、費(fèi)用等的介紹。大多數(shù)節(jié)日的時(shí)間是固定的,活動(dòng)內(nèi)容也大同小異。如果有這方面的背景知識,對理解聽力材料會(huì)有很大幫助,回答問題的正確率會(huì)大幅提高。

        式中:c 為排棄物料黏聚力,kPa;q 為基底埋深產(chǎn)生載荷,kPa;b 為基底寬度,m;Nc、Nγ為無量綱承載力因數(shù),僅與內(nèi)摩擦角有關(guān)。

        魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性儲(chǔ)備系數(shù)要求大于1.2,內(nèi)排土場基底以黏土巖、砂質(zhì)泥巖為主,強(qiáng)度較高。以低洼處積水的不利假設(shè)為依據(jù),內(nèi)摩擦角定為20°,黏聚力定為0.5 t/m2,排棄土巖時(shí)下部80 m 為砂巖,上部為紅土、黃土,經(jīng)計(jì)算,內(nèi)排土場最高增至300 m。

        3.2 內(nèi)排土場參數(shù)

        3.2.1 單臺階段高與坡面角

        單臺階段高越高,同等占地面積情況下,排土場容量越大;然高、超高臺階排土勢必造成單臺階穩(wěn)定性不夠而片幫滑坡問題,所以單臺階段高應(yīng)有1 個(gè)優(yōu)選值。巖土物理力學(xué)性質(zhì)不一,巖土單臺階段高也是不一致,砂巖內(nèi)摩擦角25°,黏聚力120 kPa,密度2.6 t/m3;黃土內(nèi)摩擦角24°,黏聚力25 kPa,密度1.93 t/m3。

        魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場下部2 個(gè)臺階為巖石臺階,上部為黃土臺階,臺階高度均為32 m,坡面角為自然安息角33°,結(jié)合內(nèi)排土場排棄實(shí)際情況和以往勘探報(bào)告,內(nèi)排土場邊坡較穩(wěn)定。

        調(diào)研鄂爾多斯周邊露天煤礦,分析巖土力學(xué)性質(zhì),單臺階段高選用10、20、30、40 m 4 種方式,單臺階坡面角選用30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40° 10 種方式,對內(nèi)排土場4 種段高與10種坡面角進(jìn)行十字正交,計(jì)算得到的不同段高/不同單臺階坡面角計(jì)算結(jié)果,每種方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。

        表1 不同段高/不同單臺階坡面角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

        由表1,根據(jù)魏家峁露天煤礦采排規(guī)劃,內(nèi)排土場邊坡暴露時(shí)間短,按照邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求,最大段高的合理區(qū)間為30~40 m,最大單臺階坡面角合理區(qū)間為30°~33°。因巖石臺階與黃土臺階黏聚力、內(nèi)摩擦角不同,將巖石臺階段高定為32 m,黃土臺階段高定為16 m,臺階坡面角為自然安息角33°。

        3.2.2 內(nèi)排土場高度與幫坡角

        內(nèi)排土場容量不僅受單臺階高度影響,還與內(nèi)排土場總高度相關(guān)。魏家峁露天煤礦目前排棄高度200 m,邊坡角為17°,根據(jù)基底承載力計(jì)算可得極限最大高度為300 m。以20 m 為階梯,最大排棄高度選用200、220、240、260、280、300 m 6 種方式。參照周邊露天煤礦情況,幫坡角選用16°、17°、18°、19°、20°、21°、22° 7 種方式,對內(nèi)排土場6 種最大排棄高度與7 種幫坡角進(jìn)行十字正交,計(jì)算得到的不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

        由表2,根據(jù)內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)要求,結(jié)合魏家峁露天煤礦采排規(guī)劃,最大排棄高度240 m、最終幫坡角18°較為合理,因內(nèi)排土場單臺階高度為巖石32 m、黃土16 m,所以將排土場最大排棄高度定為232 m,最終排棄標(biāo)高1 208 m 水平,最終幫坡角17°,內(nèi)排土場容量增加6 500 萬m3。

        表2 不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

        3.3 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定措施

        為確保內(nèi)排土場增高擴(kuò)容方案有效實(shí)施,根據(jù)煤礦生產(chǎn)實(shí)際,制定了內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定的措施。

        1)測定排棄物料的力學(xué)參數(shù)。內(nèi)排前查清基底巖層的賦存狀態(tài)及巖石物理力學(xué)性質(zhì),清除基底上不利于邊坡穩(wěn)定因素,對內(nèi)排土場采取基底加固措施,對于不利匯水區(qū)域進(jìn)行疏導(dǎo)引流,提前鉆鑿集水坑,防止邊坡形成滑坡弱層。

        2)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)臺階高度及排土順序進(jìn)行排棄。先排棄2 個(gè)巖石臺階增強(qiáng)承載力并提高導(dǎo)水性,內(nèi)排土場排土工作面向坡頂線方向設(shè)置3%~5%的反坡,排土場沿排土工作線方向設(shè)置3‰的流水坡度,形成流水通道。

        3)對內(nèi)排土場到界邊坡。重點(diǎn)邊坡每隔200 m布設(shè)自動(dòng)監(jiān)測線,每條自監(jiān)測線不低于3 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn),安排專人進(jìn)行巡視,在春季解凍期、雨季或坡面上出現(xiàn)沉陷裂縫時(shí)加大巡查監(jiān)測頻率。

        4)內(nèi)排土場堅(jiān)持到界一塊復(fù)墾一塊的原則。修筑網(wǎng)格圍梗并種草綠化,利用植物措施防止水土流失,進(jìn)而提高邊坡穩(wěn)定性。

        5)定期對露天煤礦的排土場邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與評價(jià)。定期對露天煤礦的排土場邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算,制定邊坡滑預(yù)案并定期組織演練,提高全體應(yīng)對突發(fā)邊坡事故的應(yīng)急處置能力。

        4 結(jié)語

        以降低外排土場用地面積為目的,以內(nèi)排土場增高擴(kuò)容為手段,分析了內(nèi)排土場基底地質(zhì)條件,內(nèi)排土場排棄200 m 高度時(shí)邊坡穩(wěn)定且有余量,存在增高擴(kuò)容的可能性。分析影響邊坡穩(wěn)定的因素,計(jì)算出基底最大承載力對應(yīng)的極限排棄高度為300 m。采用十字正交法,研究了4 種單臺階段高、10 種邊坡角組合方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù),確定巖石單臺階32 m、黃土臺階16 m、邊坡角33°較為合理。采用十字正交法,研究了6 種最大排棄高度、7 種最終幫坡角組合方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù),確定最大排棄高度232 m,最終幫坡角17°。內(nèi)排土場排棄高度增加32 m,排土容量增加6 500 萬m3。

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