王勝利，杜明翰

（1.新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

但隨著露天煤礦開采技術的逐漸成熟，規(guī)模的逐漸擴大，開采剝離物也隨之增加，需要投入大量人力和空間用于修建排土場。內置排土場作為典型大型人工堆積體，可以有效地縮短排土運距，從而加快開采進度，降低排土成本。但為了獲得更大的排土空間，由松散排棄物堆積而成內排土場堆高和邊坡傾角越來越大，隨之而來的是各環(huán)節(jié)可能發(fā)生的各種不穩(wěn)定因素，從而導致邊坡失穩(wěn)，引發(fā)各種地質災害問題[1]。為確保內排土場在安全穩(wěn)定的前提下獲得更大的排土容積，進行科學合理的內排土場邊坡穩(wěn)定性分析及排土方案研究將顯得尤為重要。

基于此，針對新疆天池能源有限公司南露天礦巨厚傾斜煤層，在對西幫內排土場的穩(wěn)定性研究的基礎上[2]，提出新的排土方案來解決物料排棄過程中存在的安全隱患。對內排土場進行科學合理的邊坡穩(wěn)定性分析及支護措施研究的同時，為設計、篩選出最優(yōu)的內排土場方案提供了理論基礎。

1 礦山概況

天池能源有限公司南露天礦位于新疆準東煤田大井礦區(qū)西部，為簡單單斜構造，巨厚傾斜煤層，平均煤層厚度76.46 m，局部傾角超過15°，邊坡以軟巖居多，受風化、崩解和凍融影響顯著。工作幫剝離物水平較高，內排土場下部臺階容量較小，上部容量大，剝離物下運困難。高段排土可有效解決下運難題[3]，其可行性和方案亟待研究。

340 m 水平排土場主要用來容納400 m 水平、385 m 水平剝離產生的物料，其中385 m 水平產生物料4.86 萬m3，400 m 水平產生物料34.1 萬m3，共39 萬m3。但340 m 水平排土場建立存在安全隱患，工作幫400 m 水平的物料在其下部的運輸通道折返運輸到340 m 水平，并從底板上跨越至340 m 水平排土場，其間折返4 次；工作幫385 m 水平的物料運輸過程中折返3 次。在折返的過程中，400 m 水平的物料下運60 m，385 m 水平的物料下運45 m。同時，物料在下運過程中還會與工作幫400 m 水平以下的運煤卡車對向行駛。

2 數值計算模型

采用PFC2D軟件模擬邊坡[4-5]，需結合設備的計算能力及預期計算時間進行顆粒數目調整[4]。為獲取邊坡穩(wěn)定性計算時所需要的細觀參數，需開展小尺度試驗，讓小尺度試驗得到的應力應變曲線與真實物理試驗對應。小尺度試驗將決定后期邊坡穩(wěn)定性模擬過程中的顆粒數[6]，見式（1）。

式中：n 為小尺度試驗中的顆粒數；Amin為PFC2D小尺度試驗模型面積，m2；Amax為PFC2D邊坡模型未切坡前面積，m2；nmax為設備計算顆粒數目上限。

小尺度試驗模型同時受顆粒粒徑與模型尺寸影響[7]，如式（2）。

式中：Lmin為模型最小邊界尺寸，m；Rmax為模型內顆粒最大半徑，m。

通過式（1）與式（2），即可得到PFC2D小尺度試驗模型面積以及參數標定時所需要的顆粒數。

土石混合體為一種材料軟硬夾雜的物質，土這類細小顆粒不考慮外觀對試驗的影響，采用Ball 來表示，室內實驗試樣中所夾雜的石塊度不規(guī)則且不受土顆粒剪壓發(fā)生破壞，采用Clump 來進行模擬。

排土場面積Amax為323 550 m2，小尺度試驗模型長取30 m，高取60 m，計算得到Amin為1 800 m2。由此計算，小尺度試驗模型n 為2 225 個。根據式（2），得到顆粒的最大半徑應小于600 mm。一般PFC2D顆粒最大與最小半徑之比為1.66，得到顆粒的最小半徑應為360 mm，結合試樣模型進行修正，最大顆粒的半徑確定為644 mm，最小顆粒的半徑確定為400 mm。在二維模型中，一般默認為0.16 的孔隙率，顆粒的占比為42%，剛性簇的占比為42%。兩者在邊界條件中混合生成，最終得到含石率為50%的土石混合體模型。邊界條件中生成Ball 997 個，生成Clump 360 個。

3 既有內排土場邊坡穩(wěn)定性

內排土場所處的西幫巖層與邊坡呈順傾，且煤層底板泥巖力學強度指標相對較低，易在坡角處形成剪出；其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復合滑面，即西幫邊坡的破壞模式主要為沿煤層底板的滑動的“坐落滑移式”。現西幫內排土場的標高水平分別為565、550、520、490、460、430、400、370、340 m，其中565 m 水平排土場臺階高度為15 m，340 m 水平排土場隨底板降深變化，臺階高度的范圍在10～20 m。結合西幫內排現狀，選取2 塊具有代表性的區(qū)域進行分析。

3.1 剖面Ⅰ穩(wěn)定性

在剖面Ⅰ的強度折減過程中，對失穩(wěn)判據中所要求的平均速度指標進行細化，即將內排土場根據排棄高度的不同分隔為9 個區(qū)域，每個區(qū)域的監(jiān)測位置為位于坡面的物料。判斷邊坡失穩(wěn)的條件為是否有所監(jiān)測區(qū)域的顆粒平均速度超過邊坡雷達的3級報警閾值。

通過強度折減計算得到剖面Ⅰ邊坡的安全穩(wěn)定系數為1.223，在折減系數為1.224 時計算得到的位移云圖如圖1。在折減系數為1.223 與1.224 時邊坡各區(qū)域的平均速度曲線如圖2。

圖1 折減系數為1.224 時顆粒流模型位移云圖

圖2 不同折減系數下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

由圖1 可以看出：剖面在565～460 m 水平產生位移相對較大，為21～56 mm；滑體后緣滑移，并在490 m 水平排土場的坡底處剪出，使490 m 水平排土臺階出現滑坡；490 m 水平排土臺階的坡腳處的位移為105～140 mm。

由圖2 可知：在折減系數為1.223 時各區(qū)域的平均速度在強度折減后出現擾動，并在10 000 步之內降低，隨后速度在25 000 步時邊坡穩(wěn)定；在折減系數為1.224 時，從區(qū)域4 的平均速度可以得到490 m 水平的排土臺階在5 000～15 000 的計算過程中速度有所提高，表現出在單臺階試驗中的滑坡特征。

3.2 剖面Ⅱ穩(wěn)定性

在剖面Ⅱ的強度折減過程中，失穩(wěn)判據中所要求的平均速度指標進行細化，即將內排土場根據排棄高度的不同分隔為7 個區(qū)域，每個區(qū)域的監(jiān)測位置為位于坡面的物料。判斷邊坡失穩(wěn)的條件為是否有所監(jiān)測區(qū)域的顆粒平均速度超過邊坡雷達的三級報警閾值。

通過強度折減計算得到邊坡的安全穩(wěn)定系數為1.235，在折減系數為1.236 時計算得到的位移云圖如圖3。在折減系數為1.235 與1.236 時邊坡各區(qū)域的平均速度曲線如圖4。

圖3 折減系數為1.236 時顆粒流模型位移云圖

圖4 不同折減系數下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

由圖3 中顆?？梢钥闯觯夯碌闹饕獏^(qū)域在520～400 m 水平，剪入口在520 m 排土平盤中部，剪出口在430 m 排土臺階坡腳處?；w區(qū)域內顆粒的位移在1.07～2.50 m，其中490 m 排土場坡面處的顆粒位移相比最大，在1.98～2.50 m。

由圖4 可知：在折減系數為1.235 時各區(qū)域的平均速度在強度折減后出現擾動，并在10 000 步之內降低，隨后速度在25 000 步時邊坡穩(wěn)定；在折減系數為1.236 時，區(qū)域3 的平均速度變化最為明顯，在5 000～20 000 之間與折減系數為1.235 時的差距最大；除區(qū)域1 和區(qū)域7 外的其余水平在10 000～20 000 步也出現少量的滑動。

3.3 內排土場邊坡穩(wěn)定性

剖面Ⅰ的安全穩(wěn)定系數為1.223，565～460 m 水平產生位移相對較大，為21～56 mm；其中490 m 水平排土臺階的坡腳處位移最大，為105～140 mm。

剖面Ⅱ的安全穩(wěn)定系數為1.235，520～400 m 水平產生位移相對較大，為1.07～2.50 m；其中490 水平排土臺階的坡面顆粒位移最大，為1.98～2.50 m。

故推斷滑坡位置主要集中在490 m 水平排土場及其附近水平。

4 基于物流規(guī)劃的高段排土方案

4.1 礦區(qū)物流規(guī)劃現狀及高段排土方案

露天煤礦將煤炭采出后進行內排時都涉及所有剝離物料的重心均向下偏移，在物料運輸的過程中都將出現物料下運的現象。同時在南露天煤礦這種進行陡幫開采的橫采的巨厚煤層傾斜露天煤礦中，南端幫角度從28°提升到了34°，400、370 m 水平運輸通道變?yōu)? m 的保安平盤，只能從北幫煤底板處鋪設道路進行運輸，形成上部水平南幫運輸、下部水平北幫運輸的運輸系統(tǒng)。

工作幫400、385 m 水平的剝離物料運輸至340 m 水平排土場，本質上來看就是在狹小的作業(yè)空間中，裝滿物料的卡車進行高差較大的連續(xù)下坡折返運輸，其間還會受剝離卡車空車返回、采煤卡車重車上運影響[8]。

高段排土方案為：舍棄掉340 m 水平排土場，使之與370 m 水平排土場并段形成45 m 的內排臺階。在370 m 水平45 m 排土臺階建立完成后，工作幫400 m 水平下運30 m，385 m 水平下運15 m，從而內排土場建設運輸路線得到有效簡化[9]。

4.2 設計穩(wěn)定性分析

計算得到安全穩(wěn)定系數為1.209，邊坡在折減系數為1.210 時580 m 排土場失穩(wěn)，影響范圍為580、550 m 水平與490 m 水平的排土臺階，邊坡破壞程度較小。設計方案在不同折減系數下的位移云圖如圖5。不同折減系數下邊坡各區(qū)域平均速度曲線如圖6。

圖5 設計方案在不同折減系數下的位移云圖

圖6 不同折減系數下邊坡各區(qū)域平均速度曲線

方案設計的邊坡在1.209 的折減系數下表現出穩(wěn)定的特征。在折減系數為1.210 時，580 m 排土場首先出現失穩(wěn)特征，速度曲線波動幅度較大且在計算結束時速度仍在0.23 m/s，在計算過程中，490 m排土的速度在11 000 步時也出現波動，剩余區(qū)域較1.209 折減系數下的速度曲線波動也較大。

5 結語

在結合散體理論與離散元仿真軟件的基礎上，通過建立宏觀參數與細觀參數間的關系，確定了西幫排土場穩(wěn)定性與高段排土方案。

1）在西幫選取了剖面Ⅰ和剖面Ⅱ2 個剖面，分別計算了邊坡的安全穩(wěn)定性；得到剖面Ⅰ的安全穩(wěn)定系數為1.223，剖面Ⅱ的安全穩(wěn)定系數為1.235；從滑坡的位置來看，主要集中在490 m 水平排土場及其附近水平。

2）根據南露天礦現有的開拓運輸系統(tǒng)與物流流向，提出建立580～550 m 水平與370～325 m 水平排土臺階的設計方案；高段排土技術運用成熟且對排土空間需求增大后，在580 m 水平試行建立595 m水平45 m 排土臺階。