陳德付

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

排土場的容積嚴(yán)重制約礦區(qū)的生產(chǎn)水平[1]。排土空間的不足會(huì)造成采剝失衡、土巖剝離物無處排棄，影響礦區(qū)的正常生產(chǎn)。針對(duì)新疆天池能源南露天礦排土空間不足的問題，可以通過增高排棄堆積高度來增加排土場容量[2]，并考慮地震荷載下的邊坡穩(wěn)定性，以確保擴(kuò)容方案的可靠性[3]。

國內(nèi)對(duì)外排土場的增高擴(kuò)容有較多的工程實(shí)例：王勇[4]對(duì)沿幫排土場進(jìn)行增高擴(kuò)容，給出擴(kuò)容具體設(shè)計(jì)參數(shù)，并制定了提高邊坡穩(wěn)定的措施；張海娟[5]分析了影響尾礦庫穩(wěn)定性的幾個(gè)因素，并論證了尾礦庫加高擴(kuò)容的可行性；李曉俊[6]對(duì)外排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，提出響應(yīng)的治理措施，達(dá)到增高擴(kuò)容所需的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。除了擴(kuò)容后的邊坡穩(wěn)定，對(duì)地震下的邊坡穩(wěn)定也有專家學(xué)者進(jìn)行研究[7]：劉玉葉等[8]在地震工況下利用瑞典條分法，求出邊坡處于不穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)；白崇宇[9]基于Midas建立數(shù)值模型，對(duì)地震工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況基本吻合；李崢祥等[10]采用Geo-Studio 研究了高尾礦庫在地震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定，并對(duì)尾礦庫安全運(yùn)行提出了合理建議。但以上學(xué)者增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)時(shí)均未研究地震荷載對(duì)增高擴(kuò)容后的邊坡穩(wěn)定性影響。為此，考慮地震荷載影響因素[11]，對(duì)新疆天池能源南露天礦外排土場增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)方案；基于基底極限承載能力分析，得出外排土場的極限堆棄高度，根據(jù)所得結(jié)果對(duì)擴(kuò)容方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；并利用Geo-Slope 與Geo-Quake/W 對(duì)擴(kuò)容后的排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保擴(kuò)容后的外排土場穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)狀分析

新疆天池能源南露天礦位于新疆準(zhǔn)東地區(qū)，地勢(shì)總趨勢(shì)呈北高南低的緩傾斜坡。共有1 個(gè)內(nèi)排土場和3 個(gè)外排土場，其中北外排土場和沿幫外排土場位于北幫，三采區(qū)外排土場緊鄰南幫。北排土場和三采區(qū)排土場均已排棄到界，內(nèi)排土場邊坡和南幫均是穩(wěn)定邊坡，北幫常出現(xiàn)小規(guī)?；卢F(xiàn)象。目前僅沿幫排土場剩余不足2 000 萬m3排棄空間，為保證生產(chǎn)接續(xù)，因此需對(duì)北幫外排土場進(jìn)行增高擴(kuò)容開展研究，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行充分考慮。一方面是考慮北幫外排土場的邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，另一方面需要考慮增高擴(kuò)容后邊坡的穩(wěn)定，特別是在地震荷載下的邊坡穩(wěn)定。

選取新疆天池能源南露天礦沿幫外排土場邊坡為研究模型。邊坡剖面線示意圖如圖1。

圖1 邊坡剖面線示意圖

1.2 力學(xué)參數(shù)

端幫與外排土場中主要地層有第四系地層、白堊系地層和侏羅系煤系地層。第四系地層主要由亞黏土、砂組成，半固結(jié)，偶見礫石，不含水，其邊坡類型為一類一型。白堊系地層主要由細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，巖心較破碎。侏羅系煤系地層在沉積過程中具周期性、韻律性，存在與煤系地層成分不同的泥質(zhì)含量較大的夾層。這些軟弱層呈單層及交替的薄層互層狀，局部地段成為密集分布帶，主要分布于各煤層頂?shù)装甯浇?。礦區(qū)巖質(zhì)邊坡以軟弱巖體為主，其天然狀態(tài)下絕大多數(shù)巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度小于30 MPa，另有極少部分半堅(jiān)硬巖體，其單軸極限抗壓強(qiáng)度處于30～60 MPa。該地層構(gòu)造簡單，雖含水（富水性弱），但易于疏干，易風(fēng)化、軟化，巖質(zhì)邊坡類型為二類一型。

礦區(qū)巖石強(qiáng)度小于6 MPa 的軟巖主要是分布在淺表的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及泥質(zhì)含量較高的中砂巖?？箟簭?qiáng)度大于15 MPa 的硬巖主要是分布在Bm 煤層底板之下的細(xì)砂巖及粉砂巖，其他地段多為巖石強(qiáng)度在6～15 MPa 的中硬巖類。首采區(qū)內(nèi)剝離物強(qiáng)度大部分為介于6～15 MPa 的中硬巖類，巖石強(qiáng)度在平面上變化不大，硬巖含量17.62%，因此，將本區(qū)剝離物強(qiáng)度勘探類型定為第二類中硬巖類一型。具體巖層參數(shù)見表1。

表1 巖層參數(shù)

2 擴(kuò)容方案

2.1 基底承載能力

排土場的基底承載能力對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義，當(dāng)基底承載力不足以承載基底以上的物料時(shí)，排土場邊坡產(chǎn)生變化失穩(wěn)。在對(duì)外排土場進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)時(shí)，需要先對(duì)排土場的基地承載能力計(jì)算分析，以確保排土場基底足以承載上覆排土物料。關(guān)于基底極限承載力的研究，目前有礦山設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算方法和太沙基極限承載力理論。

1）厚表土層基地極限承載力計(jì)算法。當(dāng)排土場的基底為平緩厚表土層時(shí)，基底極限承載力p0可通過基底表土相對(duì)壓縮變形（△h/h=20%）和基底表土層抗剪強(qiáng)度2 種方式來確定。

式中：ρ 為排棄物料密度，t/m3；H 為排土場堆高，m；△h 為表土層壓縮變形，t/m；h 為表土層厚度，m；e1為孔隙比；a 為基底表土層壓縮變形，MPa-1。

式中：φ 為基底表土內(nèi)摩擦角，（°）；C 為基底表土層黏聚力，MPa。

2）薄表土層基底與極薄表土層基底極限承載力計(jì)算法。當(dāng)排土場的基底表土層為薄表土層與極薄表土層時(shí)，排土場極限堆高決定于下覆基巖強(qiáng)度與變形，其中基巖的承載能力可取單軸抗壓強(qiáng)度的1/3，變形形態(tài)取決于變形模量與荷載分布形式。

3）礦山設(shè)計(jì)規(guī)范中，在礦山設(shè)計(jì)規(guī)范中有對(duì)排土場基底極限承載力的計(jì)算表達(dá)式，具體為：

采用礦山設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算方法，對(duì)排土場基底極限承載力進(jìn)行計(jì)算。由外排土場巖體物理力學(xué)參數(shù)可以得知，外排土場基底強(qiáng)度為黏聚力為179.4 kPa，內(nèi)摩擦角為36.8°，外排土場的極限堆積高度為370.76 m。目前礦山外排土場總排棄高度為69 m，遠(yuǎn)小于排土場極限堆積高度，可以對(duì)外排土場進(jìn)行增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)。

2.2 擴(kuò)容方案

邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算采用Morgenstern-Price法。為確保排土場擴(kuò)容的可靠性，先對(duì)外排土場邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀進(jìn)行分析。邊坡自下而上巖層為細(xì)砂巖、泥巖、雜色泥巖，模型長度327 m，高度105 m。未擴(kuò)容前外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖2。

圖2 未擴(kuò)容前外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

外排土場未擴(kuò)容時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.679，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。未擴(kuò)容前的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)為排土場擴(kuò)容提供了前提條件，可以進(jìn)行外排土場加高擴(kuò)容方案設(shè)計(jì)。外排土場目前排棄物料高度為70 m，由基地承載力計(jì)算分析、礦山地質(zhì)條件和排土場的初設(shè)布置綜合考慮，擴(kuò)容設(shè)計(jì)最終排棄高度設(shè)計(jì)為100 m。本次擴(kuò)容共設(shè)計(jì)2 種方案，平臺(tái)寬度均為30 m，單臺(tái)階坡面角均為33°，方案Ⅰ為排土臺(tái)階高度設(shè)計(jì)至25 m，共4 個(gè)排土臺(tái)階，總體排棄高度為100 m；方案Ⅱ?yàn)榕磐僚_(tái)階高度設(shè)計(jì)至20 m，共5 個(gè)排土臺(tái)階，總體排棄高度為100 m。

2.3 穩(wěn)定性分析

方案Ⅰ外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖3，方案Ⅱ外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖4。

圖3 方案Ⅰ外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 方案Ⅱ外排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，服務(wù)年限大于20 年的外排土場，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.2。由2 種方案的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析結(jié)果可知：2 種方案均滿足邊坡穩(wěn)定性要求；方案Ⅱ相較于方案Ⅰ穩(wěn)定性系數(shù)較高，故本次外排土場擴(kuò)容方案選擇方案Ⅱ，即排土臺(tái)階高度為20 m，共5 個(gè)臺(tái)階，設(shè)置平臺(tái)寬度為30 m，單臺(tái)階坡面角為33°，總體排棄高度為100 m。

3 地震下邊坡穩(wěn)定性

地震震動(dòng)是邊坡失穩(wěn)的主要誘因之一。通過大量的地震災(zāi)害調(diào)查表明，地震誘發(fā)的邊坡滑動(dòng)具有危害大的特點(diǎn)。地震對(duì)外排土場邊坡穩(wěn)定性影響的問題，其實(shí)是反應(yīng)土體強(qiáng)度。有的文獻(xiàn)則將地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響劃分為累積效應(yīng)和觸發(fā)效應(yīng)，前者主要通過邊坡巖土體塑性破壞和孔隙水壓力累計(jì)上升等體現(xiàn)，后者是指地震波在傳播過程中地殼介質(zhì)的瞬時(shí)快速振蕩，導(dǎo)致地震活動(dòng)性增加。

地震導(dǎo)致邊坡破壞的原因主要有：①地震條件下有效應(yīng)力的降低和孔隙水壓力的增大，將土體的抗剪強(qiáng)度降低；②地震慣性力導(dǎo)致土壓力增大，影響到土體應(yīng)力狀態(tài)。

南露天煤礦位于《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中地震動(dòng)峰值加速度0.05g 的分區(qū)內(nèi)，即相當(dāng)于傳統(tǒng)的Ⅵ級(jí)地震烈度區(qū)，地震微弱。

在方案Ⅱ模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用Geo-Quake/W 對(duì)擴(kuò)容后邊坡添加地震荷載，其地震荷載具體參數(shù)參考《中國地震參數(shù)區(qū)劃圖》。地震荷載下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖5。

圖5 地震荷載下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

通過數(shù)值模擬分析結(jié)果可以得知：在地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為2.088。相對(duì)于無地震荷載下的邊坡，其穩(wěn)定性有所下降。但邊坡穩(wěn)定性系數(shù)仍大于1.2，依舊符合煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。故方案Ⅱ設(shè)計(jì)的外排土場增高擴(kuò)容邊坡，在地震荷載作用下，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

分析了新疆天池能源南露天礦外排土場基地承載能力，外排土場排邊坡穩(wěn)定，存在增高擴(kuò)容的可能。采用對(duì)比分析法，研究2 種單臺(tái)階數(shù)量和段高方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，確定單臺(tái)階高度和臺(tái)階數(shù)量。擴(kuò)容后的邊坡穩(wěn)定性雖有下降，但仍滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。