楊海春，孫 寬，閆 杰，周 游

（1.中煤平朔集團(tuán) 東露天礦，山西 朔州 036006；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司 安全分院，北京 100013）

排土場(chǎng)增高擴(kuò)容可有效擴(kuò)大其收納能力，降低土地的占用量，進(jìn)而減少運(yùn)距節(jié)，降低運(yùn)營(yíng)成本。在保證邊坡安全基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)排土場(chǎng)的增高擴(kuò)容，進(jìn)而發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)效益，是排土場(chǎng)增高擴(kuò)容的核心問題。蘇文賢[1]在早期介紹了國(guó)外露天礦高臺(tái)階排土技術(shù)的發(fā)展，介紹了高臺(tái)階排土場(chǎng)變形特征及其控制方法;蔡明祥[2]分析了黑山露天煤礦北排土場(chǎng)變形模式，運(yùn)用極限平衡法對(duì)增高擴(kuò)容后方案進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，確定了合理的安全系數(shù)；王俊[3]和楊秀等[4]分別以安太堡露天礦南寺溝排土場(chǎng)擴(kuò)容為例，分一樣黃土基地的承載力特征與單臺(tái)階高度、邊坡角與穩(wěn)定性的關(guān)系；馬明等[5]通過研究單臺(tái)階排土參數(shù)，提出了適合于排土場(chǎng)邊坡參數(shù)的優(yōu)化方法；孫家愷[6]通過分析黃土基底增高問題，研究了外排土場(chǎng)附加應(yīng)力引起穩(wěn)定性變化；羅懷廷等[7]和周永利[8]針對(duì)哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)增高問題，對(duì)基底工程地質(zhì)勘察，確定了基底巖土體物理力學(xué)推薦指標(biāo)，分析了擴(kuò)容階段存在的破壞模式及排土場(chǎng)承載高度與穩(wěn)定性關(guān)系；李偉[9]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了陰灣排土場(chǎng)邊坡變形破壞機(jī)理；張巖等[10]在工程與水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，建立外排土場(chǎng)工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值分析和極限平衡分析方法，研究了排土場(chǎng)變形破壞模式及失穩(wěn)機(jī)理，及邊坡穩(wěn)定性，提出了邊坡變形破壞的防治措施。以上研究排土場(chǎng)邊坡安全問題，使用數(shù)值模擬方法，分析排土場(chǎng)的破壞區(qū)域和變形規(guī)律，采用極限平衡計(jì)算方法，驗(yàn)算排土場(chǎng)穩(wěn)定性規(guī)律；而對(duì)排土場(chǎng)基底承載能力控制下的排棄高度及變形特征未進(jìn)行深入研究。為此，研究排土場(chǎng)第一級(jí)臺(tái)階高度與基底的承載能力關(guān)系特征、變形邊界及安全系數(shù)選取原則，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，分析影響排土場(chǎng)的主要因素及排土安全控制技術(shù)。

2 基底承載力及排棄高度

1）基底承載力?；壮休d力可由載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、公式計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法確定。巖石地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fa為：

式中：Frk為飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ψr為折減系數(shù)，取值范圍為0.5～0.1；fa為巖石地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2）排棄高度。內(nèi)排土場(chǎng)安全主要由內(nèi)排土場(chǎng)基底穩(wěn)定性和排棄物料內(nèi)部穩(wěn)定性構(gòu)成，在近水平露天礦山中，由于生產(chǎn)工藝特征，內(nèi)排土場(chǎng)隨采礦活動(dòng)影響向前移動(dòng)，形成移動(dòng)式排土場(chǎng)。若按照“建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度折減系數(shù)ψr為0.5，對(duì)應(yīng)基底儲(chǔ)備系數(shù)Kj為2，對(duì)于近水平動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)排土場(chǎng)，存在選取保守問題。在露天煤礦相關(guān)規(guī)范中要求服務(wù)期限小于10 年內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定K 為1.2，排土場(chǎng)位于基底上部。因此，考基底儲(chǔ)備系數(shù)Kj選取應(yīng)大于內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)K，選取Kj為1.3，則折減系數(shù)ψr應(yīng)為0.77，確定的地基承載力。由式（2）可以反算第一級(jí)臺(tái)階的許可排棄高度值h。

式中：r 為排棄物料密度，t/m3；h 為內(nèi)排土場(chǎng)排棄高度，m。

3 工程實(shí)例

3.1 排土場(chǎng)工程現(xiàn)狀

平朔東露天礦地層傾角2°～7°，屬近水平露天礦山，采深200～220 m，最下層可采煤層底板標(biāo)高為1 140 m，已實(shí)現(xiàn)全內(nèi)排作業(yè)。內(nèi)排土場(chǎng)基底主要為泥巖－砂巖互層組，煤層直接底板為泥巖層，厚約為5 m，其下為10 m 厚砂巖層。礦區(qū)工程地質(zhì)模型圖如圖1。

圖1 排土場(chǎng)工程地質(zhì)模型圖

排土場(chǎng)基底砂巖破壞荷載為89.754 MPa，黏聚力為3.11 MPa，摩擦角為33.7°，抗拉破壞荷載1.842 MPa，為內(nèi)排土場(chǎng)主要持力層；煤層底板泥巖飽和抗壓強(qiáng)度為2.50 MPa，屬于軟弱巖層。

礦區(qū)剝離巖體主要為泥巖與砂巖類，原巖經(jīng)過爆破、采裝、排棄等環(huán)節(jié)，排棄巖塊尺寸一般分布在0.2 m3以下。礦區(qū)標(biāo)準(zhǔn)排棄高度30 m，排土平盤寬度40 m，按設(shè)計(jì)高度排土?xí)r，巖塊分層不明顯。

排土物料為松散巖體，安息角既為排氣物料的摩擦角，通過測(cè)量坡堆角度可獲取摩擦角強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，排土場(chǎng)高段臺(tái)階高度為60～90 m，臺(tái)階角度為26°～38°，整體邊坡角約為13°～16°左右。第1 級(jí)臺(tái)階高度91 m，第2 級(jí)臺(tái)階高度25 m，2 級(jí)臺(tái)階之間排土平盤臺(tái)階寬度僅為7 m，形成組合排土臺(tái)階。在冬季第2 級(jí)臺(tái)階保安平盤形成多條平行裂縫，分布位置主要位于排土臺(tái)階邊緣、平盤中部及第3 級(jí)臺(tái)階下部，每段長(zhǎng)度超過20 m，沿排土平盤裂縫寬度約25～30 cm 。

3.2 內(nèi)排土場(chǎng)高段排土臺(tái)階穩(wěn)定性

內(nèi)排土場(chǎng)高段排土臺(tái)階穩(wěn)定性分析如圖2，排土場(chǎng)排棄物料密度2.04 t/m3，基底為泥巖層，軟弱層，載荷強(qiáng)度2.50 MPa，由式（2）理論極限高度為：122.5 m。若基底安全系數(shù)選取為2 時(shí)，軟巖基底對(duì)應(yīng)排棄高度為61.25 m；安全系數(shù)設(shè)計(jì)為1.3 時(shí)，對(duì)應(yīng)高度為94.2 m?，F(xiàn)場(chǎng)排土第1 級(jí)臺(tái)階91 m，符合地基承載力驗(yàn)算要求。使用SLOPE 軟件，采用極限平衡方法，對(duì)現(xiàn)狀排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。分別模擬了現(xiàn)場(chǎng)邊坡在第1 級(jí)臺(tái)階出現(xiàn)裂縫，第2 級(jí)臺(tái)階在中部和臺(tái)階最內(nèi)側(cè)區(qū)域形成裂縫時(shí)邊坡的穩(wěn)定性?，F(xiàn)狀邊坡臺(tái)階上部出現(xiàn)裂縫邊坡處于變形階段，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)選取在1.0～1.05。

圖2 內(nèi)排土場(chǎng)高段排土臺(tái)階穩(wěn)定性分析

通過計(jì)算可知：第1 級(jí)臺(tái)階排棄物料內(nèi)部滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為1.039，處于變形階段；第2 級(jí)臺(tái)階中部滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性為1.054 處于滑動(dòng)邊緣；而第2 級(jí)臺(tái)階沿排土場(chǎng)中部-基底型滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性為1.160，沿最內(nèi)側(cè)滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性為1.120。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)時(shí)的主要滑動(dòng)模式為排棄物料內(nèi)部滑動(dòng)型，沿基底滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)大于排棄物料內(nèi)部的滑動(dòng)模式；同時(shí)，排棄物料滑弧隨滑動(dòng)面長(zhǎng)度和埋深越深的增加，邊坡穩(wěn)定性越高。排土場(chǎng)變形主要為為排棄物料強(qiáng)度不足承擔(dān)排土強(qiáng)度而誘發(fā)的排棄物料內(nèi)部滑動(dòng)，而裂縫主發(fā)生在冬季，因此，冬季氣溫降低影響了排棄物料摩擦角強(qiáng)度，致使排土場(chǎng)形成裂縫。

3.3 排土場(chǎng)單臺(tái)階增高分析

單臺(tái)階排棄段高為30、60、90、120 m 時(shí)，排棄物料內(nèi)摩擦角從25°～35°過程中臺(tái)階排棄高度與內(nèi)摩擦角之間的穩(wěn)定性關(guān)系如圖3。

圖3 臺(tái)階高度與內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)穩(wěn)定性

由圖3 可知：內(nèi)摩擦角度相同時(shí)，排棄臺(tái)階越高，排土場(chǎng)穩(wěn)定性越低；排棄臺(tái)階高度相等時(shí)，內(nèi)摩擦角越小穩(wěn)定性越低。單臺(tái)階高度和摩擦角與邊坡安全系數(shù)構(gòu)成單面函數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)階邊坡角26°～38°，單臺(tái)階排棄高度越小，臺(tái)階角度越大；礦區(qū)第1 級(jí)臺(tái)階排棄90 m 時(shí)，分析對(duì)應(yīng)內(nèi)摩擦角最小為28°以上。

排棄邊坡角為25°、27°、29°、32°、35°時(shí)，單臺(tái)階高度與邊坡角關(guān)系圖如圖4。由圖4 可知：排棄角度相同時(shí)，單臺(tái)階排棄高度越高，則邊坡穩(wěn)定性越低；單臺(tái)階排棄高度相同時(shí)，臺(tái)階排棄角度越大穩(wěn)定性越低。

圖4 單臺(tái)階高度與邊坡角關(guān)系圖

排棄臺(tái)階由于坡面排棄物自鎖，其穩(wěn)定性為1.0；考慮礦區(qū)排棄設(shè)備為大型設(shè)備，考慮高段排土?xí)r設(shè)備安全作業(yè)問題，建議設(shè)備卸排區(qū)域穩(wěn)定性應(yīng)達(dá)到1.1 以上。通過臺(tái)階高度與坡面角度關(guān)系，可知單臺(tái)階在60 m 以下時(shí)，可以直接進(jìn)行排土作業(yè)。在90 m 高段排土及以上排土?xí)r，排土場(chǎng)自鎖邊坡角為35°，卸排區(qū)域穩(wěn)定性大于1.1 時(shí)對(duì)應(yīng)角度為31.5°，即90 m 高段對(duì)于安全卸排距離為30 m。

因此，在高段排土?xí)r，為保證車輛及排土設(shè)備安全，建議排土留設(shè)卸安全距離，安全距離根據(jù)排土高度進(jìn)行留設(shè)。

4 排土場(chǎng)穩(wěn)定性安全控制方法

1）排土場(chǎng)基底處理。內(nèi)排土為巖石基底，不存在松軟土層問題，但由于爆破、車輛碾壓及礦坑底部匯水坑等不利條件影響，破壞基底巖體的完整性，需要對(duì)基底進(jìn)行清理。

2）高段排土禁止一坡到底。采用分層排棄。一坡到底排棄易形成巖塊按照粒徑分層，排棄物料形成不良土體，易形成不均勻沉降。采用分層排棄，逐層壓實(shí)，減少巖塊分層，減輕后期非均勻沉降。

3）控制排土推進(jìn)強(qiáng)度。排土場(chǎng)在排棄初期形成較大沉降位移，每個(gè)分層臺(tái)階充分固結(jié)后，再進(jìn)行增高排土。

4）排土場(chǎng)周圍修筑排水系統(tǒng)。禁止在排土平臺(tái)修建放水口。

5）坡腳修建防滾石擋墻，防止對(duì)下部作業(yè)設(shè)計(jì)及人員造成傷害。

6）加強(qiáng)排土場(chǎng)巡查及監(jiān)測(cè)工作，出現(xiàn)變形及裂縫及時(shí)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過研究地基承載力可以理論計(jì)算排土場(chǎng)高度。對(duì)平朔東露天礦內(nèi)排土場(chǎng)增高進(jìn)行了研究，基底承載力安全系數(shù)1.3 時(shí)，第1 級(jí)臺(tái)階排土高度94.2 m。

2）內(nèi)排土場(chǎng)基底為11#煤底板巖層，地層為泥巖-砂巖互層組結(jié)構(gòu)，內(nèi)排土場(chǎng)直接基底為泥巖層，1 級(jí)、2 級(jí)組合臺(tái)階高度為116 m，現(xiàn)狀排棄物料內(nèi)部穩(wěn)定性為1.054，而沿深部泥巖層滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性為1.160。

3）以單臺(tái)階排棄高度為基礎(chǔ)，分別研究了排棄物料摩擦角與單臺(tái)階坡面角與排棄高度的關(guān)系，確定了高段排土?xí)r，安全排土距離和排棄高度。