阴湾排土场压脚区防排水设计优化

2015-06-24田爱民许道刚丁建勇

采矿技术 2015年1期

关键词：压脚排土排土场

田爱民，黄江，许道刚，丁建勇

(1.神华集团准格尔能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯市 017000；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头市 014010 )

阴湾排土场压脚区防排水设计优化

田爱民1，黄江2，许道刚2，丁建勇2

(1.神华集团准格尔能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯市 017000；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头市 014010 )

准格尔黑岱沟露天矿阴湾排土场是典型的黄土基底排土场，为确保大准铁路路基和阴湾排土场西侧边坡的稳定性，在压脚排土区域设置地面防排水系统,在排水沟参数设计时基于谢才公式对排水沟底宽进行数值优化。

露天矿；排土场；防排水；谢才公式；数值优化

1 概况

神华准格尔能源有限责任公司黑岱沟露天煤矿是我国90年代开发建设的现代化大型露天矿，设计生产规模12×106t/a，现生产能力达30×106t/a。伴随黑岱沟露天煤矿的开发建设，在矿坑周边建设有北排、西排、东排、阴湾和东沿帮排土场5个外排土场以及1个内排土场。

阴湾排土场位于黑岱沟露天煤矿首采区西南侧，西排土场南侧，西侧距大准铁路哈尔乌素专用线段约190 m，运量约6×105t/d。2013年，由于采场转向，阴湾排土场承担着较大的剥离外排量，另阴湾南部力量煤业排水长期浸泡阴湾排土场基底，导致基底承载力骤减，影响了排土场稳定性[1]，以上种种因素导致边坡安全存在潜在危险。防排水系统的完善成为迫切需要解决的问题。

2 阴湾排土场压脚区防排水设计

2.1 区域地形地貌及水文气象条件

滑坡影响区域位于大好赖沟主沟位置，东西侧分别紧邻大准铁路路基和阴湾排土场，为大准铁路和阴湾排土场地表径流、冲沟北侧原始地表径流以及铁路涵洞的主要排泄通道。该区域地表覆盖有厚层黄土，仅在冲沟谷底出露石炭、二叠系砂岩和泥岩，上部黄土层渗透性较好。整个阴湾排土场由排弃物料构成，由于上部未进行复垦作业，整体水土保持性较差，且渗透性极好。由于气候干旱，植被稀少，降雨集中，导致水土流失严重，发育有树枝状冲沟。经过现场踏勘，大好赖沟主沟由北向南延伸，沟底基本无水，局部地区有少量地下水渗出，冲沟南侧水浸基底之上存在排弃物料，且基底部未进行清淤作业，冲沟南端紧邻石坝位置存在积水坑。在钻探深度范围内未见稳定地下水。地下水补给来源为大气降水、冻土融化。除局部分布小冲刷沟谷外整个大好赖沟地形整体呈现北高南低、西高东低状态，雨季地表径流排泄主要集中于东侧紧靠阴湾排土场坡脚处并由北向南穿越滑坡影响区顺流排出，同时由于滑坡体及裂隙生产区域位于阴湾排土场上表面低洼处，雨季易汇流阴湾排土场上表面中部的地表径流，这些都可能造成对滑坡体的渗流补给，影响潜在滑坡体的安全性[2]。

滑坡影响区域为典型的大陆性干旱气候[3]。冬季严寒而漫长，夏季炎热而短暂年总降水量为231～634.7 mm，年平均降水量为408 mm。降雨多集中在7,8,9三个月，占全年降水量的60%～70%左右，历年雨季月平均降雨量94.9 mm。月最大降水量247.5 mm，最大三日平均降雨量72 mm，历年最大24 h平均降雨量53.1 mm，1 h最大降水量44 mm。10 min最大降水量19.8 mm。一次最大降水量88.1 mm，延时25 h54 min。最长连续降水日分别为7 d和8 d，降水量分别为74 mm和37.1 mm。最大积雪厚度150 mm，年总蒸发量为1824.70～2896.10 mm。最大冻土深度1.5 m。

2.2 压脚区防排水系统设计方案

为阴湾排土场、大准铁路路基和北部原始地表的径流正常排泄，确保大准铁路路基和阴湾排土场西侧边坡的稳定性，在压脚排土区域设置地面防排水系统。设计采用“截、排、蓄、抽”四位一体的综合防排水体系[4]。即在压脚排土平盘(1170 m平盘)的北侧设置东西方向的截水沟，截留大好赖沟北侧的原始地表径流；在阴湾排土场西侧坡底设置贯穿1170 m、1160 m、1150 m和1140 m平盘并接入南部积水坑的南北向排水沟，压脚排土作业过程中整个压脚排土平盘形成朝向主排水沟的3‰顺向坡度和由北向南的3‰纵向坡度，以便使得大准铁路路基和阴湾排土场的地表径流疏排至排水沟内并顺排水沟排泄至南部积水坑内；在压脚排土区域临近铁路涵洞口处分别设置4个蓄水池和常备排水泵以保证大准铁路涵洞的正常排水；正常时期蓄水池内水主要依靠蒸发平衡和临近复垦灌溉作业消耗，南部积水坑内积水依靠布置于南部石坝之上的排水设备抽干，当暴雨来临蓄水池内积水超过临界值时利用常备的排水泵将池内蓄水排泄排水沟内，以保证大准铁路路基和阴湾排土场基底免于浸水[5]。

2.3 阴湾排土场排水沟参数设计

排水沟设计布置于阴湾排土场西侧坡底，呈南北向纵贯1170 m、1160 m、1150 m和1140 m四个平盘接入南部积水坑。设计主排水沟全长1850 m，由铁质渡槽筑成(粗糙系数为0.014)，采用梯形断面，沟底宽度1 m，沟深1 m，沟坡面坡度1∶1，纵向坡度为3‰，以水深0.8 m计算，主排水沟容水量为2664 m3。考虑到排水沟由北向南经过三次小角度弯折，四次跨域坡面，跨越坡面段的纵向坡度约650‰(远大于平段纵向坡度的3‰)，完全可以忽略沟道弯折造成的水力损失，且排水能力大于全沟道纵向坡度3‰时的排水能力。故本方案按全沟道为纵向坡度3‰进行排水能力计算时满足排水要求，则可满足沟道排水能力，计算时认为排水沟中水流是均匀流运动；流体阻力主要是流动中产生的沿程水头损失,而由于边界条件变化所产生的局部水头损失省略不计[6]。并用谢才公式验证参数设计是否合理，具体计算如下。

过水断面

w=(1+2.6)÷2×0.8=1.44 m2

湿周

水力半径

R=w/ρ=1.44/3.28=0.44 m

谢才公式计算：

流速系数

C=R^(1/6)÷n=0.44^(1/6)÷0.014=62.29

平均流速

v=C×R×i=62.29×0.44×0.003=0.08 m/s

排水能力：

Q=vw=0.1152 m3/s=414.72 m3/h

3 排水沟参数设计分析及优化

3.1 排水沟参数设计分析

排水沟参数设计中取沟底宽度1 m，沟深1 m最终通过利用谢才公式计算得出排水能力为414.72 m3/h。根据《露天采矿手册》中关于防排水设计的规定[7]，暴雨排水强度为5日暴雨5日排除，每日排水20 h，通过计算，移交时期正常排水量和暴雨排水量分别为17 m3/h和168 m3/h，暴雨期间防排水系统最大储水量为6444 m3。而414.72 m3/h的排水能力远大于168 m3/h泄洪要求。故主排水沟参数设计满足泄洪能力要求。

但实际排水工程中只要求大于168 m3/h即可，在此排水沟设计中的排水能力达到要求的近2.5倍，即设计的工程量比实际所需工程量多出2.5倍。排水沟参数设计有待于优化。

3.2 排水沟参数优化

在原有设计参数中将底宽设为a(m)其余不变,则计算结果如下：

过水断面

w=(2a+1.6)÷2×0.8=(0.8a+0.64)m2

湿周

水力半径

谢才公式计算：

流速系数

C=R^(1/6)÷n

平均流速

v=C×R×i