陳鵬飛

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

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，內(nèi)排土場也隨之產(chǎn)生。一直以來露天采礦行業(yè)的學者們對內(nèi)排土場的研究都非常重視，其穩(wěn)定性分析是我國露天開采與巖土工程領(lǐng)域研究的熱點問題之一[1]。安家?guī)X露天礦西排土場因其與采場及聯(lián)絡(luò)道距離較近，其穩(wěn)定與否同時關(guān)系到排土與運輸作業(yè)人員與設(shè)備的安全。安家?guī)X露天礦內(nèi)排土場廢石排棄量大，對其穩(wěn)定性狀態(tài)進行科學分析，對于后續(xù)排土工程正常接續(xù)及保護作業(yè)人員設(shè)備安全，具有重要的現(xiàn)實意義[2-3]。

1 礦山概況

1.1 礦山地質(zhì)

坐落于中煤平朔礦區(qū)中間位置的安家?guī)X露天礦，其首采區(qū)是目前主要裁采掘的位置，安家?guī)X露天礦的北部與平朔集團井工二礦相鄰，在朔州市平魯區(qū)的管轄范圍內(nèi)。覆蓋在礦區(qū)地表的主要是新生界地層，其地貌特點為黃土丘陵，礦區(qū)內(nèi)由上至下發(fā)育有第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層、新生界第三系靜樂組、上統(tǒng)上石盒子組、下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組、上統(tǒng)太原組、石炭系中統(tǒng)本溪組、奧陶系中、下統(tǒng)，隨著開采強度和生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大，2020年采礦區(qū)域存在樓子溝背斜構(gòu)造，礦區(qū)采礦計劃將工作面調(diào)整為“L”型。

1.2 煤層賦存

中煤平朔露天礦區(qū)坐落于寧武煤田的北側(cè)，西側(cè)是黑駝山，北側(cè)是駱駝山，東側(cè)有洪濤山，與朔南礦區(qū)相鄰的是平朔礦區(qū)南部的擔水溝斷層，礦區(qū)內(nèi)主干構(gòu)造為寧武向斜，有次一級褶曲伴生，為：下窯子向斜、二鋪背斜、白家辛窯向斜、蘆子溝背斜、有馬營背斜，其中下窯子向斜、二鋪背斜、白家辛窯向斜、蘆子溝背斜依次在寧武向斜的西翼排列。南部邊緣區(qū)域多發(fā)育區(qū)域斷裂構(gòu)造，近東西向分布的是黃土坡斷層、耿莊斷層及擔水溝斷層，形成1 組斷裂帶。從斷層帶位置向礦區(qū)內(nèi)部區(qū)域看，不僅斷層密度小，斷距也不大，該井田位于馬關(guān)河西詳查區(qū)的東側(cè)，位于寧武向斜西側(cè)，由于構(gòu)造控制，東西-北東向未地層走向，井田內(nèi)的地層傾角多為平緩，為2°～15°，蘆子溝背斜局部地層傾角達20°。井田中部被安家?guī)X逆斷層以北東向橫貫，分布在兩側(cè)的是蘆子溝背斜和白家辛窯向斜，有8 條大于20 m 落差的斷層，東西兩邊各有1 個陷落柱在井田北部邊界處[4]。

1.3 開采現(xiàn)狀

安家?guī)X露天礦開拓方式采用多出入溝和端幫半固定坑線及工作面移動坑線、內(nèi)排土場半固定道路相結(jié)合的方式。當前的采掘區(qū)域內(nèi)，有著復雜的地質(zhì)構(gòu)造，難以型成較好的生產(chǎn)組織。上部巖石剝離區(qū)域內(nèi)受到東北部陷落柱及逆斷層等因素影響，地質(zhì)構(gòu)造較為復雜；而剝離下部采煤區(qū)域內(nèi)遇到的主要構(gòu)造為安家?guī)X逆斷層及斷層帶內(nèi)的次生構(gòu)造和蘆子溝背斜。目前，礦坑已全部進入背斜后翼急劇下降范圍，剝離作業(yè)面臨著工作線空間狹小及露煤之后的緊張情況。

目前已確定的過背斜生產(chǎn)作業(yè)方案為“直推+北部超前”作業(yè)方式，基于當前狀況，礦坑需繼續(xù)向東開拓，礦坑北部區(qū)域同時伴隨向東拉溝并繼續(xù)延深，整體工作線呈東西走向，礦坑推進方向?qū)⒆兂捎勺晕飨驏|轉(zhuǎn)為自西向東、自北向南雙向推進的“L”型布置的工作線，從而實現(xiàn)首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向[5-6]。

2 西排土邊坡變形失穩(wěn)模式的數(shù)值分析

排土基底和堆排體是排土場邊坡組成的2 個主要部分，造成排土場發(fā)生滑坡或片幫的直接原因是基底或堆排體失穩(wěn)滑動導致的。通常時候，能夠影響到排土場邊坡整體穩(wěn)定性的，主要是基于對其基底或堆排體的穩(wěn)定性的影響的因素。影響排土場邊坡穩(wěn)定性的因素很多，但從現(xiàn)場來看，影響西排土場邊坡的主要有降雨、排土工藝、排土參數(shù)、散體的物理力學性質(zhì)、地震、排土場結(jié)構(gòu)和人類活動等因素[7-8]。

對安家?guī)X露天礦西側(cè)排土場的邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，穩(wěn)定性分析過程中共選取3 個剖面用來開展地質(zhì)測繪與現(xiàn)場實測。

安家?guī)X露天礦西排土場剖面計算模型如圖1。模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以z 方向位移約束。安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面總位移如圖2，安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面水平方向位移如圖3，安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面豎直方向位移如圖4，西排土場最終邊坡數(shù)值模擬云圖如圖5。

圖1 安家?guī)X露天礦西排土場剖面計算模型

圖2 安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面總位移

圖3 安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面水平方向位移

圖4 安家?guī)X露天礦外排土場AJL-XP-20-02 剖面豎直方向位移

由圖2～圖4 可知：邊坡位移主要出現(xiàn)在局部臺階區(qū)域，總位移與水平方向位移變形區(qū)域一致，局部臺階在豎直方向表現(xiàn)為沉降位移。由圖5可知：并沒有集中的明顯的邊坡剪應(yīng)力區(qū)域形成，僅有剪應(yīng)力突變區(qū)域形成于邊坡臺階下部位置（圖5（a）），在邊坡范圍內(nèi)部存在變形區(qū)域，在坡面臺階處出現(xiàn)了最大變形區(qū)域（圖5（b））；單臺階坡面區(qū)域存在變形，變形區(qū)域沒有在坡體內(nèi)部形成（圖5（a））；邊坡區(qū)域為速度變形最大區(qū)域，在臺階范圍內(nèi)出現(xiàn)了最大的變形（圖5（d））。

圖5 西排土場最終邊坡數(shù)值模擬云圖

綜上所述，西排土場邊坡的變形模式主要為單臺階滑動的變形模式，沒有整體的變形模式在邊坡區(qū)域形成[9-10]。

3 西排土場邊坡穩(wěn)定評價

目前安家?guī)X露天礦西排土場已經(jīng)整體排棄到位，均已到界，并已經(jīng)形成綠化復墾區(qū)域，西排土場整體邊坡角為10°～15°，臺階高度和單臺階坡面角均在合理范圍內(nèi)，邊坡安全問題較小。邊坡穩(wěn)定計算方法采用畢肖普法和Spencer 法。西排土場各研究剖面邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定評價結(jié)果對照見表1。

表1 安家?guī)X露天礦西排土場邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果對照表

安家?guī)X露天礦西排土場邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果：

1）西排土場AJL-XP-20-01、AJL-XP-20-02 和AJL-XP-20-03 等3 個剖面，剖面在2020 年底邊坡整體和多臺階穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2，且邊坡整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，一般情況下，有較小的可能發(fā)生邊坡整體失穩(wěn)。

2）西排土場局部單臺階穩(wěn)定系數(shù)在1.05～1.15 之間，穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定塌滑風險和基本穩(wěn)定狀態(tài)。雖然西排土場已復墾較長時間，主要原因為長時間的雨水沖刷，及其他原因形成地表裂縫；因此，應(yīng)加強巡視，雨季時及時修筑防排水設(shè)施。

4 結(jié)語

分析確定了安家?guī)X露天礦西排土場邊坡安全的主要影響因素，為基底面順傾程度較大、局部區(qū)域滅火黃土覆蓋。采用數(shù)值分析方法研究了西排土場邊坡的滑坡模式，西排土場主要為臺階局部變形，未形成整體滑動變形。采用極限平衡分析的方法對西排邊坡進行了比較全面的穩(wěn)定評價和安全評價，正常情況下發(fā)生整體失穩(wěn)的可能較小，應(yīng)加強巡視檢查。