徐長友，馮樹清，劉永杰，趙立春

（國家電投內蒙古能源有限公司，內蒙古 通遼 029200）

以卡車為主要運輸設備的露天煤礦生產受氣候條件影響較大，為了保證煤炭安全、持續(xù)、穩(wěn)定生產，一般在地面系統(tǒng)儲煤倉儲存一定的煤炭庫存外，在特殊天氣比如雨、雪天氣時還需要在采場內距一次煤破碎站較近的地方建立臨時儲煤場，便于生產過程中的煤炭應急供應，保證煤炭接續(xù)安全和穩(wěn)定[1-2]。由于儲煤場地多數(shù)建設在露天煤礦內排或者到界端幫平盤上，基底多為松散物料或者風化后巖土，而且排土場基底未經(jīng)嚴格勘察和設計，到界幫局部地質條件復雜，再加上煤場的荷載作用，邊坡將發(fā)生變形破壞，影響礦山的正常生產與安全，因此，臨時儲煤場選址前需要結合地形、儲煤形態(tài)，對其進行安全評價與穩(wěn)定性分析及優(yōu)化。

對于邊坡穩(wěn)定性及基底研究一直是國內外專家關注的熱點話題之一，學者們應用不同理論對其展開大量研究。劉樹杰等[3]針對安太堡露天煤礦儲煤場破碎站東側邊坡出現(xiàn)滑坡跡象，利用有限元分析軟件Midas/GTS 提供的有限元強度折減法和應力平衡法對現(xiàn)有邊坡進行了分析和預測，根據(jù)場地現(xiàn)有條件和工藝要求提出了較為合理的格賓擋土墻的邊坡治理方案，并建立了有限元分析模型，計算結果證明此方案設計滿足規(guī)范要求，邊坡安全穩(wěn)定；梁龐[4]為掌握軟土地基上儲煤場群樁的受力和變形特性，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法，對沿海儲煤場軟弱地基預應力高強混凝土管樁處理方案進行了對比研究，在3 排樁布設方案下，樁頂會承受更大的水平剪力和彎矩，同時第1 排樁身水平位移量超過規(guī)范要求的40 mm，容易導致樁體破壞，因此，經(jīng)對比研究后決定采用四排樁布設方案進行地基加固，加固后的地基豎向沉降和水平位移均在規(guī)范允許范圍內，取得了較好效果；盧安廣等[5]嘗試將預應力技術引入圓形儲煤場工程建造中，以探索預應力技術在大型筒倉類結構中的應用，利用預應力的數(shù)值模擬方法，探索了預應力的作用規(guī)律及圓形煤場的內力分布規(guī)律，得出預應力對堆煤荷載作用效應有很好的控制效果，但是溫度荷載對于預應力的發(fā)揮產生了一定的阻礙作用，故在季節(jié)性溫差越小的地區(qū)采用預應力技術效果越好?，F(xiàn)有文獻大多側重于儲煤場基底加固或者滑坡后治理的研究，因此有必要對儲煤場基底變形和穩(wěn)定性進行分析及安全評價，從而為安全穩(wěn)定生產提供依據(jù)[6-7]。

1 工程地質概況

扎哈淖爾露天煤礦為了應對雨雪天等特殊天氣，除在地面系統(tǒng)儲煤倉儲煤（最大儲煤能力0.15 Mt，每天外運0.05 Mt）之外，在采場靠近一次煤破碎站附近修建臨時儲煤場。場地基本處于采場端幫平盤相對寬裕的地帶或排棄加寬以便存煤0.10～0.15 Mt 保證生產連續(xù)需要。儲煤場形態(tài)大致為長方形，長50～200 m、寬為30～200 m、高為8～16 m。

掌握詳細的儲煤場基底地質條件和賦存特點是邊坡穩(wěn)定性分析和安全評價的前提和基礎[8-9]。儲煤場的物料及基底巖土體的物理力學參數(shù)為潛在滑坡模式的初步判定及邊坡穩(wěn)定性分析提供基礎資料，儲煤場從上到下巖層分別為煤和松散泥巖基底，各層巖土體物理力學指標見表1，典型計算模型如圖1。

圖1 典型計算模型圖

表1 巖土體物理力學指標

2 穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式

儲煤場邊坡的內部不存在結構面，其穩(wěn)定性的主要受其自身巖性、高度、角度及基底的巖性因素的影響。儲煤場覆蓋范圍內基底形態(tài)大體分為近水平狀態(tài)，基底形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性影響較小[10-11]。確定滑坡模式是邊坡穩(wěn)定性分析的前提，儲煤場是由松散的煤塊堆積而成，這類邊坡的穩(wěn)定性主要取決于材料本身的強度、堆積坡度和高度，同時必須到松散泥巖基底巖土體抗剪強度、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響，如果基底為松散巖層而且力學性質低于松散煤的力學性質時，則松散基底在自身荷載作用下必產生地鼓，發(fā)展到一定程度然后導致滑坡[12]，而通過上述巖性指標分析，松散煤層力學指標明顯低于基底松散泥巖。根據(jù)扎哈淖爾露天煤礦臨時儲煤場現(xiàn)狀和基底巖性考慮，確定其以過主滑線位置的剖面為例，判斷其潛在的滑坡模式為近圓弧滑動，沿松散煤體內的潛在滑坡模式如圖2。

圖2 沿松散煤體內的潛在滑坡模式

3 邊坡數(shù)值模擬安全評價分析

結合儲煤場邊坡潛在滑坡模式，考慮到其潛在變形區(qū)破壞位置確定的復雜性，擬用采用SIGMA/W有限元軟件數(shù)值模擬的方法對其穩(wěn)定性進行分析，通過有限元法應力－應變位移云圖來判斷變形區(qū)的發(fā)展過程進而確定最危險的變形破壞區(qū)。

根據(jù)儲煤場現(xiàn)狀、松散泥巖基底形態(tài)和煤巖層頂板等高線等地層信息建立數(shù)值模擬模型，模型采用四邊形和三角形相結合節(jié)點有限元網(wǎng)格，模型共有網(wǎng)格4 911 個節(jié)點，4 702 個單元，模型儲煤場高度以12 m、坡面角30°、坡頂寬度40 m 為例，巖層從上至下分別為松散煤和松散泥巖。數(shù)值模擬模型如圖3。

圖3 數(shù)值模擬模型

為了研究不同形態(tài)下變形情況，以典型剖面為數(shù)值模擬對象，構建儲煤場不同高度、坡頂寬度模型，其中高度分別為8、12、16 m，坡頂寬度分別為20、30、40、50、100 m，進行排列組合共計15 個模型，分別計算。因為計算模型很多，現(xiàn)以邊坡高度12 m，坡頂寬度40 m 為例，通過SIGMA/W 有限元軟件數(shù)值模擬，邊坡高度12 m 坡頂寬度40 m 變形云圖如圖4，邊坡高度12 m 坡頂寬度40 m 變形曲線圖圖5，其他不同坡頂寬度變形云圖與此類似。

圖4 邊坡高度12 m 坡頂寬度40 m 變形云圖

圖5 邊坡高度12 m 坡頂寬度40 m 變形曲線圖

儲煤場受自重和松散泥巖基底影響，邊坡變形以坡頂沉降、坡底隆起為主。在邊坡高度一定的情況下，松散煤坡頂寬度越大，坡頂和松散泥巖基底變形范圍越大；隨著松散煤坡頂寬度的增加，坡頂最大變形量逐漸增加，但變化幅度不明顯，坡頂寬度20、30、40、50、100 m 對應最大位移量為131、131.5、132.2、133.1、133.3 mm；隨著松散煤坡頂寬度的增加，坡底變形范圍明顯增加，最大位移量變化幅度明顯增加，坡頂寬度20、30、40、50、100 m 對應坡坡底范圍分別為9.17、12.81、16.55、18.98，19.01 m，說明坡頂寬度越大，坡底變化幅度較大，坡頂寬度對坡底影響范圍比較明顯，坡頂寬度大于50 m，坡頂寬度增加，坡底變形增加不是較明顯；坡頂寬度20、30、40、50、100 m 對應松散泥巖基底最大位移量為58、59、60、65、68 mm 說明坡頂寬度越大，基底變化幅度很小，坡頂寬度對坡底影響范圍不是較明顯。

儲煤場邊坡排土場基底一般不做水文地質和工程地質勘查，這樣造成對排土場基底地層賦存、松散基底結構面產狀和巖性指標等情況都不甚清楚，這也增加了松散物料邊坡問題研究的難度，通過現(xiàn)場測試，其邊坡坡面角為30°，邊坡穩(wěn)定性受邊坡高度、坡頂寬度和基底巖性影響較大，為了分析儲煤場邊坡不同高度、坡頂寬度的穩(wěn)定程度，分別建立其邊坡高度分別為8、12、16 m，坡頂寬度分別為20、30、40、50 m，共計12 個模型?，F(xiàn)以邊坡高度12 m，坡頂寬度40 m 為例，通過SIGMA/W 有限元軟件計算儲煤場邊坡穩(wěn)定性，邊坡高度12 m 下對應的不同坡頂寬度下邊坡穩(wěn)定結果如圖6，其他不同邊坡高度和坡頂寬度邊坡穩(wěn)定性計算結果與圖6 類似，不同高度不同坡頂寬度穩(wěn)定系數(shù)結果表見表2，在坡頂寬度一定情況下，確定不同高度下邊坡滿足安全儲煤系數(shù)1.2 要求，在坡頂高度一定情況下，確定了不同坡頂寬度滿足安全儲備系數(shù)1.2 的要求。

圖6 邊坡高度12 m 下對應的不同坡頂寬度下邊坡穩(wěn)定結果

表2 不同高度不同坡頂寬度穩(wěn)定系數(shù)結果表

坡頂寬度一定的情況下，邊坡高度越大，計算出來的穩(wěn)定系數(shù)越小，邊坡穩(wěn)定程度越低，安全風險越大；在邊坡高度一定情況下，坡頂寬度在20～40 m范圍內，坡頂寬度越大，計算出來的穩(wěn)定性系數(shù)越低，穩(wěn)定程度越低，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度明顯；當坡頂寬度大于40 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度明顯減少，說明坡寬度對邊坡穩(wěn)定性影有限，主要受坡高控制；坡頂寬度40 m，儲煤場高度16 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1，邊坡安全風險較高，會發(fā)生安全事故，生產現(xiàn)場嚴禁按照此形態(tài)進行存儲作業(yè)。另外，作業(yè)設備在采裝時單臺階超高，煤堆存在塌落風險。郭永峰[13]對原煤堆、洗混煤堆、洗精煤堆開采過程中的研究認為，煤堆地含水率較低，顆粒之間的黏聚力較小，在煤堆坡角開挖，將發(fā)生2～3 次大規(guī)模塌滑和若干次小型滑動。在采用裝載機時煤堆高度控制在4 m 左右，超過4 m 時要用長臂液壓反鏟進行裝載，使煤堆坡角小于自然安息角，保證安全作業(yè)。

4 結語

1）通過有限元法和極限平衡法得到煤場邊坡滑坡模式為近圓弧形滑動，在一定范圍內基底變形隨著煤場坡頂寬度增加而增大。

2）通過計算可知，坡頂寬度達到40 m 后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度明顯減少，說明坡寬度對邊坡穩(wěn)定性影響有限，滿足安全儲備系數(shù)為1.2 邊坡形態(tài)和儲煤場空間形態(tài)。

3）描述了儲煤場裝載時存在安全風險，通過控制開采坡角小于自然安息角來保證設備作業(yè)安全。