李成盛

（中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100073）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤的需求量日益增加，露天煤礦規(guī)模也逐步增大[1-2]。產(chǎn)能提高的同時(shí)，排棄物料也隨之增多，要求外排土場(chǎng)的容量增大，外排土場(chǎng)邊坡逐漸高陡，邊坡穩(wěn)定性降低。針對(duì)露天礦外排土場(chǎng)邊坡形態(tài)優(yōu)化，學(xué)者們展開了大量研究。馬力等[3]根據(jù)瑞典條分法、簡(jiǎn)化Bishop 法、Janbu法，優(yōu)化了外排土場(chǎng)的邊坡形態(tài)，增加了紅沙泉露天煤礦外排土場(chǎng)的容量；李天華等[4]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬的方法，分析了昆陽(yáng)磷礦排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，確定了磷礦排土場(chǎng)的排棄高度和最終幫坡角；孫成亮[5]基于極限平衡理論和剛體極限平衡分析法，對(duì)外排土場(chǎng)邊坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行模擬，最終確定依蘭露天礦外排土場(chǎng)的最佳邊坡角；郝全明等[6]以扎哈淖爾露天礦排土場(chǎng)為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬方法，分析了外排土場(chǎng)邊坡可能存在的位移與塑性區(qū)的分布特征，確保了外排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。

本文在考慮外排土場(chǎng)邊坡斷面形態(tài)效應(yīng)的同時(shí)[7]，采用剛體極限平衡分析法和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段[8-10]，對(duì)塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊露天礦外排土場(chǎng)邊坡形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，可為類似的邊坡形態(tài)優(yōu)化提供參考。

1 工程背景

巴基斯坦塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤礦邊坡巖體構(gòu)成主要有第四系砂土層、第三系軟巖層和古近系煤、軟巖層等。該露天煤礦邊坡地層順傾，傾角約2°；坡體內(nèi)共含3 個(gè)關(guān)鍵性弱層和3 個(gè)含水層，弱層巖石強(qiáng)度等級(jí)均為極軟；弱層巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖或粘土質(zhì)粉砂巖為主，泥質(zhì)含量較高，結(jié)構(gòu)比較松散，穩(wěn)定性差；泥巖吸水性強(qiáng)、持水性也較強(qiáng)，遇水易軟化、膨脹和崩解。

隨著外排土場(chǎng)不斷增高，其基底為第四系砂土，力學(xué)性能較差，有可能在排土場(chǎng)載荷作用下發(fā)生破壞，進(jìn)而誘發(fā)滑坡。

考慮工程地質(zhì)條件的變化情況、地質(zhì)信息的掌握程度；依據(jù)各相關(guān)規(guī)范，同時(shí)根據(jù)擴(kuò)產(chǎn)方案，擴(kuò)產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)全內(nèi)排時(shí)間大約在運(yùn)維期第5.5 年，即各幫最大服務(wù)年限為10 年左右。綜合兼顧巖土體指標(biāo)掌握程度、滑坡引發(fā)的潛在危害、邊坡服務(wù)年限及邊坡重要程度等因素，確定的巴基斯坦塔爾煤田II 區(qū)塊露天煤外排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)見表1。

表1 外排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)

2 原邊坡穩(wěn)定性

原設(shè)計(jì)外排土場(chǎng)邊坡形態(tài)參數(shù)：臺(tái)階高度為20 m，平盤寬度為36 m，臺(tái)階坡面角為33°，最終排棄標(biāo)高為＋140 m 水平。為了驗(yàn)證原設(shè)計(jì)外排土場(chǎng)參數(shù)的合理性，有必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)；若評(píng)價(jià)結(jié)果高于安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，可縮短平盤寬度，進(jìn)而增加排土容量；若評(píng)價(jià)結(jié)果低于安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，可增大平盤寬度，進(jìn)而達(dá)到安全要求。外排土場(chǎng)各幫原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1，外排土場(chǎng)原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果匯總見表2。

圖1 外排土場(chǎng)各幫原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 外排土場(chǎng)原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

分析圖1、表2 可知：原設(shè)計(jì)外排土場(chǎng)邊坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.795，位置在南幫1－1′剖面附近；其他區(qū)域的穩(wěn)定性系數(shù)均在1.80 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.4 和1.5 的要求。因此，為了增大外排土場(chǎng)容量，對(duì)外排土場(chǎng)各幫邊坡進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 邊坡形態(tài)優(yōu)化

3.1 逐水平形態(tài)優(yōu)化方法

排土場(chǎng)最終排棄標(biāo)高一定的條件下，邊坡形態(tài)優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下確定其各個(gè)排棄平盤的最小寬度。計(jì)算方法選用應(yīng)用最為廣泛的剛體極限平衡分析法[11]，最優(yōu)平盤寬度確定原理如圖2。

圖2 最優(yōu)平盤寬度確定原理

令：K 為安全儲(chǔ)備系數(shù)，平盤寬度為B，F(xiàn)s為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；并作如下假設(shè)：

1）滑坡模式為沿排土場(chǎng)地下部分的軟弱夾層發(fā)生滑坡（如圖中的1、2、3 滑面）。

2）當(dāng)B＝a 時(shí)，F(xiàn)s＜K；當(dāng)B＝b 時(shí)，F(xiàn)s＝K；當(dāng)B＝c時(shí)，F(xiàn)s＞K，式中：a 為小于b 的任意值；c 為大于b 的任意值。

首先設(shè)計(jì)一個(gè)初步方案，各平盤寬度的確定順序是由下至上進(jìn)行驗(yàn)算，直至確定出各個(gè)平盤寬度的最優(yōu)值，使Fs接近

按照假設(shè)條件：對(duì)于最下部水平臺(tái)階，若B＝a（對(duì)應(yīng)的臺(tái)階坡面為藍(lán)色線），則逐步增大平盤寬度值，直至B＝b（對(duì)應(yīng)的臺(tái)階坡面為紫色線）；若B＝c（對(duì)應(yīng)的臺(tái)階坡面為藍(lán)色線），則逐步減小平盤寬度值，直至B≈b。至此，確定了該水平的平盤寬度，接下來(lái)確定下部第2 水平臺(tái)階的平盤寬度值，依次向上逐個(gè)臺(tái)階搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面（圖中的1、2、3 滑面），其原理基本相同。

3.2 邊坡形態(tài)參數(shù)

基于原設(shè)計(jì)外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)大，為了增大外排土場(chǎng)容量，對(duì)外排土場(chǎng)各幫邊坡進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，外排土場(chǎng)各剖面邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果如圖3，外排土場(chǎng)各位置邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果見表3。

圖3 外排土場(chǎng)各剖面邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果

表3 外排土場(chǎng)各位置邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果

分析圖3、表3 可知：優(yōu)化后的外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)均能滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求；外排土場(chǎng)西幫、北幫、東幫和南幫＋100 m 水平的平盤寬度在10.5～23 m，＋120 m 水平的平盤寬度在15～17.5 m；從安全角度出發(fā)，最終設(shè)計(jì)西幫、北幫、東幫和南幫＋100 水平的平盤寬度為23 m，＋120 m 水平的平盤寬度為17.5 m；考慮到現(xiàn)場(chǎng)組織施工因素，＋100 m 水平的平盤寬度為25 m，＋120 m 水平的平盤寬度為20 m。

4 形態(tài)優(yōu)化效益分析

根據(jù)排土場(chǎng)現(xiàn)狀模型，分臺(tái)階計(jì)算剩余容量，新設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)排土場(chǎng)各臺(tái)階剩余容量見表4。

表4 新設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)排土場(chǎng)各臺(tái)階剩余容量

分析表4 可知：新設(shè)計(jì)參數(shù)的外排土場(chǎng)比原設(shè)計(jì)參數(shù)的外排土場(chǎng)在100～120 m 水平可多容納2.79 Mm3的排棄物料；在120～140 m 水平可多容納6.37 Mm3的排棄物料；總計(jì)多容納9.16 Mm3的排棄物料。由此可見，新設(shè)計(jì)的排土場(chǎng)邊坡在保證安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了外排空間最大化。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在充分考慮邊坡斷面形態(tài)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，基于極限平衡理論，分析了外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，為露天礦實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2）原設(shè)計(jì)的外排土場(chǎng)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，新設(shè)計(jì)的外排土場(chǎng)形態(tài)為：＋100 m 水平的平盤寬度為25 m；＋120 m 水平的平盤寬度為20 m。

3）新設(shè)計(jì)參數(shù)的外排土場(chǎng)比原設(shè)計(jì)參數(shù)的外排土場(chǎng)可多容納9.16 Mm3的排棄物料。