董蒙蒙

（新疆天池能源有限責任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

排土場是露天煤礦重要組成部分[1]，近水平露天煤礦和橫向開采的傾斜露天煤礦有在采場內(nèi)部建立內(nèi)排土場的條件，內(nèi)排土場相對外排土場具有運距短、占地少等特點[2]，并可以在露天煤礦開采過程中起到對端幫的控制作用[3]，其建立對礦山具有積極意義。但露天煤礦內(nèi)排土場排土重心往往低于工作幫剝離重心[4]，排棄過程存在物料下運問題，一般采場上部工作平盤工作線較長，剝離物料下運時折返次數(shù)少，視野開闊，運輸過程中安全風險低。而采場下部工作平盤工作線短，運輸過程中折返次數(shù)多，運輸起點與終點高差大，存在較大安全隱患。因此，在排土場下部建立高段排土臺階在解決物料折返下運問題中有著重要意義，同時能夠有效對排土容量提高。現(xiàn)有研究中，王光進[5]對德興銅礦高臺階排土場展開研究，借助元胞自動機模擬了高臺階排土場的粒徑分級的不均勻與隨機性；田華[6]采用有限元模擬分析準東露天礦不同形態(tài)排土臺階最大安全高度；宋仁忠[7]根據(jù)排土場重塑特點對邊坡進行分層，提高了排土場建模和穩(wěn)定性評價準確度，得到潛在危險滑面整體向上部偏移的現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究中鮮有改變內(nèi)排土場部分臺階最大排棄高度研究，主要受制于剛體極限平衡法和有限元法在散體邊坡計算中的局限。為此，以新疆天池能源南露天煤礦內(nèi)排土場高段排土場建設(shè)為背景，通過離散元數(shù)值模擬手段驗證不同高段排土場建設(shè)方案下的邊坡穩(wěn)定性。

1 工程背景

天池能源南露天煤礦露天礦2019 年以前在首采區(qū)自北向南進行縱向開采，沿煤層底板降深，北幫為底幫、南幫為工作幫、東西兩側(cè)為端幫。2019 年底完成采區(qū)直角轉(zhuǎn)向后，東幫緩幫為工作幫、南北兩側(cè)為端幫，在原西幫邊坡建立內(nèi)排土場。根據(jù)《新疆天池能源有限責任公司準東大井礦區(qū)南露天煤礦一期工程初步設(shè)計》中要求，西幫內(nèi)排土場單臺階最大排棄高度為30 m，排土平盤寬度為75 m，物料自然安息角（即臺階坡面角）為33°。根據(jù)2020 年11 月驗收圖，內(nèi)排土場最大排棄標高為565 m 水平，坑底為325 m 水平，坑底長度100 m，內(nèi)排土場總高度240 m，邊坡角15.23°，由7 個30 m 臺階、1 個15 m 臺階、1 個10～20 m 的臺階組成，其中10～20 m 臺階排土標高為340 m 水平，臺階高度伴隨底板變化。南露天煤礦內(nèi)排前后采場變化如圖1。

2 試樣力學參數(shù)

排土場是破碎顆粒在重力作用下膠結(jié)形成的散體邊坡[8]，內(nèi)部裂隙發(fā)育，離散元數(shù)值模擬方法能夠很好體現(xiàn)這一特性。離散元基本思想和有限單元法相似，即先將研究對象視為由若干微小單元構(gòu)成，再進行求解。但是離散元具有離散性，運動過程中，顆粒間允許接觸與分離，單元間不要求滿足幾何連續(xù)和變形協(xié)調(diào)條件，適合大變形和非連續(xù)介質(zhì)結(jié)構(gòu)問題求解[9]。離散元求解時不需要假定本構(gòu)關(guān)系，介質(zhì)力學本構(gòu)關(guān)系體現(xiàn)在顆粒間細觀接觸。顆粒間相互作用力滿足力和位移關(guān)系，每個顆粒運動則根據(jù)所受不平衡力和不平衡力矩按牛頓第二運動定律確定。選用離散元作為排土場邊坡數(shù)值模擬方法中，顆粒間接觸選用線性接觸黏結(jié)模型，離散元線性接觸黏結(jié)模型與力學元件如圖2。

采用離散元法進行邊坡穩(wěn)定性計算前需要對排土場物料進行物理力學試驗，獲得試樣彈性模型、抗壓強度等力學特性，而后通過模擬軟件進行相同尺寸比例下的力學試驗，還原實驗室試驗過程與應力-應變曲線，得到顆粒間細觀參數(shù)：有效模量、剛度比、拉伸強度、剪切強度及摩擦系數(shù)。

實驗室試驗分為2 部分，單杠桿固結(jié)試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。單杠桿固結(jié)試驗所選用WG-1型單杠桿固結(jié)儀，模具內(nèi)徑50 mm，對內(nèi)排土場獲取試料進行相似級配縮尺處理后進行分級加載固結(jié)試驗，每級加載76 kPa，在試樣不再產(chǎn)生沉降后加載下一級載荷，并保證試樣在最大載荷加載的時間滿足24 h。試驗中最大載荷結(jié)合排土場現(xiàn)狀分為9 級，這種方法的計算結(jié)果能夠更貼合排土場現(xiàn)場情況[7]。以往測試中可得南露天煤礦排棄物料密度為1.98～2.21 g/cm3[10]，為簡化試驗設(shè)計，密度取為2.00 g/cm3，重力加速度取10 N/kg，固結(jié)試驗中最大載荷以重塑壓力600 kPa 作為分層依據(jù)，為細化計算結(jié)果將表層按600 kPa 分為3 層，排土場不同深度試樣上覆載荷見表1。

表1 排土場不同深度試樣上覆載荷

試樣固結(jié)重塑后脫模并切削成高度100 mm 的標準試樣，進行無側(cè)限單軸抗壓試驗，試驗選用WDW-300 型微機控制電子式萬能試驗機，以位移控制方式進行加載，試驗速度0.5 mm/min，結(jié)束方式為9.5%應變率。數(shù)值模擬選用室內(nèi)試驗相同的加載速率和結(jié)束條件。通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬得到試樣力學參數(shù)，不同固結(jié)壓力下土石混合體細觀參數(shù)見表2。

表2 不同固結(jié)壓力下土石混合體力學參數(shù)

3 西幫既有內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性分析

采用強度折減法對邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)進行計算，在離散元邊坡模型中，影響穩(wěn)定性的參數(shù)主要為顆粒間的拉伸強度、剪切強度與摩擦系數(shù)。同時折減這3 個參數(shù)直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，此時折減系數(shù)為邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)。在邊坡臨界破壞狀態(tài)判斷中，離散元一般采用位移分析法[9]，通過累計位移確定邊坡破壞程度。參考南露天煤礦一號邊坡雷達對北幫相對固定的內(nèi)排土場所設(shè)定報警閾值，將坡面速度超過0.005 m/h 作為內(nèi)排土場失穩(wěn)判據(jù)。西幫內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性計算如圖3，內(nèi)排土場邊坡不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線如圖4。

圖4 內(nèi)排土場邊坡不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線

西幫內(nèi)排土場邊坡剖面中可得邊坡共由9 種不同類型物料組成，西幫排土場邊坡監(jiān)測區(qū)域如圖3（a）。通過強度折減法計算得到西幫排土場邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為1.223，在折減系數(shù)為1.224 時計算得到位移云圖如圖3（b）。圖3（b）中，邊坡在565～460 m 水平排土臺階產(chǎn)生位移較大，在0.021～0.056 m之間?；w后緣滑移，并從490 排土場的坡底處剪出，致使490 排土臺階出現(xiàn)小范圍滑坡，坡腳處位移量為0.105～0.140 m。

由圖4 可知，折減系數(shù)為1.223 時各區(qū)域平均速度在短暫增大后降低，在25 000 步時均小于0.005 m/h。折減系數(shù)為1.224 時，490 排土場平均速度在5 000～15 000 計算步長時出現(xiàn)小規(guī)模波動，表現(xiàn)出單臺階小規(guī)?；绿卣?。

4 西幫高段排土方案

西幫邊坡經(jīng)過穩(wěn)定性計算后，進一步對排土場高段排土方案展開討論，目前南露天煤礦剝離物下運高程一般在15～45 m。由于南露天煤礦在采區(qū)轉(zhuǎn)向后對南端幫進行了靠幫開采，南端幫下部400、370 m 水平煤臺階被收為5 m 保安平盤，原經(jīng)端幫運輸?shù)奈锪闲鑿墓ぷ鲙瓦M行折返運輸運往內(nèi)排土場。結(jié)合露天礦2020—2021 年采排計劃，得到工作幫400、385 m 水平臺階共有2.9 萬m3物料需要以這種方式運往最下部340 排土臺階，下運高程分別為60 m 和45 m。同時采場下部空間有限，運輸期間車輛面臨重車下坡、視野受限、與運煤卡車交匯等問題，因此高段排土場建設(shè)首先要考慮如何降低安全風險。

根據(jù)礦山實際情況提出3 種高段排土方案：①方案1：建立370 m 水平45 m 排土場；②方案2：建立370 m 水平45 m 排土場后建立595～550 m 水平45 m 排土場；③方案3：建立370 m 水平45 m 排土場后建立580～550 m 水平30 m 排土場。方案1 用來降低礦山運輸安全風險，方案2、方案3 用來提高南露天煤礦內(nèi)排土場排土容量。

4.1 方案1

方案1 是在西幫邊坡的模型的基礎(chǔ)上，并段370、340 m 水平排土臺階，建立370 m 水平45 m 高段排土臺階。通過強度折減法計算得到方案1 工況下邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.216。方案1 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖如圖5，方案1 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖6。

圖5 方案1 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖

圖6 方案1 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

不同折減系數(shù)下邊坡位移云圖的變化較為微小，均表現(xiàn)出邊坡上部（565～520 排土臺階）位移較大，位移量在0.1～0.2 m。同時在460 m 水平排土臺階處有少數(shù)顆粒滾落至坡底，出現(xiàn)與未進行高段排土時西幫邊坡類似的小范圍滑坡。參考不同折減系數(shù)下各區(qū)域平均速度曲線同樣得到：折減系數(shù)為1.216 時，各區(qū)域的邊坡速度在2 500 步長之后收斂，平均速度曲線波動較小；折減系數(shù)為1.217 時，460 排土場平均速度在5 000 步長之后升高，表現(xiàn)出滑坡特征，平均速度最大為0.352 m/h。

4.2 方案2

在驗證得到方案1 具有可行性后，方案2 提出建立595 m 水平45 m 排土臺階。通過計算得到方案2 工況下，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.168。邊坡在折減系數(shù)為1.169 時在595 m 水平排土臺階發(fā)生滑坡。方案2 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖如圖7，方案2不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖8。

圖7 方案2 中不同折減系數(shù)邊坡位移云圖

圖8 方案2 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

由圖7 可知，折減系數(shù)為1.168 時，邊坡位移集中在0.02 以內(nèi)，存在595 排土場坡頂為剪入口、400排土場坡腳為剪出口形成圓弧形滑坡運動趨勢。折減系數(shù)為1.169 時，595 m 水平排土臺階發(fā)生滑坡，顆粒位移22.4～32 m，并有向520、490 排土場形成更大范圍滑坡趨勢。

由圖8 可知，折減系數(shù)為1.168 時，邊坡各區(qū)域速度曲線與之前類似，即在10 000 步長之前速度提高，此后開始收斂。折減系數(shù)為1.169 時，595 排土場坡面處速度在5 000 步長后不斷提高，12 500 步長時達到最大值1 179 mm/h，550 m 水平排土臺階速度在7 500 步長后也開始增大，在18 700 步長時達到最大值236 mm/h。同時，520、490、460 m 水平排土臺階坡面速度均有一定提高，邊坡呈整體滑動趨勢。

4.3 方案3

方案3 是在方案2 基礎(chǔ)上，將595 m 水平排土臺階由45 m 降低為30 m，由580 m 水平開始進行內(nèi)排。計算得到安全穩(wěn)定系數(shù)為1.209，邊坡在折減系數(shù)為1.210 時580 排土場失穩(wěn)，影響580、550 m水平與490 m 水平排土臺階，邊坡破壞程度相比方案2 較小。方案3 在不同折減系數(shù)下的位移云圖如圖9。方案3 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖10。

圖9 方案3 在不同折減系數(shù)下的位移云圖

圖10 方案3 不同折減系數(shù)下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

方案3 中邊坡在1.209 的折減系數(shù)下表現(xiàn)出穩(wěn)定的特征。在折減系數(shù)為1.210 時，580 排土場首先出現(xiàn)失穩(wěn)特征，平均速度曲線波動幅度較大，限制計算時間結(jié)束時速度仍在257 mm/h。同時，在計算過程中490 排土臺階速度在11 000 步長時也出現(xiàn)一定提高，剩余區(qū)域較1.209 折減系數(shù)時平均速度曲線提升較大。

4.4 3 種方案對比

對比3 種高段排土方案可知：方案1 中工作幫物料運輸計算得到共節(jié)省運輸費用20.4 萬元，可在同年短期增大排土容量7 075 萬m3，有效解決了采場下部重車下坡與車輛交匯問題；方案2 在方案1的基礎(chǔ)上，得到595 m 水平排土臺階建成后預計在首采區(qū)可多容納物料5.13 億m3；方案3 在方案1 的基礎(chǔ)上，得到580 m 水平排土臺階建成后預計在首采區(qū)可多容納物料3.47 億m3。

從安全與經(jīng)濟的角度出發(fā)，最終優(yōu)選方案3 為高段排土場建設(shè)方案。

5 結(jié)語

1）通過離散元法對邊坡穩(wěn)定性計算，能夠結(jié)合邊坡雷達速度報警閾值來判定邊坡失穩(wěn)狀態(tài)，邊坡在失穩(wěn)時速度曲線與穩(wěn)定時差異較大，可通過此方法得到邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。

2）現(xiàn)有西幫內(nèi)排土場邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.223，建立370 m 水平45 m 排土臺階后安全穩(wěn)定系數(shù)為1.216，在下部建立高段排土臺階對邊坡整體穩(wěn)定性影響較小。

3）結(jié)合西幫內(nèi)排土場與3 種高段排土方案的滑坡位置與模式可得，滑坡范圍集中在460 排土臺階上部，并在595 m 水平建立45 m 高段排土臺階后邊坡有整體滑動趨勢，邊坡上部建立高段排土臺階對邊坡整體穩(wěn)定性影響較大。

4）高段排土方案中優(yōu)選方案3 作為最終高段排土場建設(shè)方案，方案在下部建立高段排土臺階能夠有效解決物料下運與卡車交匯問題，并在短期內(nèi)提高內(nèi)排土場容量，在上部建立30 m 排土臺階可以長期提高排土容量。