胜利煤田西二号露天煤矿排土场边坡工程地质环境条件及稳定性预测

陈立云

内蒙古自治区煤田地质局104勘探队 赤峰 024005

胜利煤田西二号露天煤矿排土场边坡工程地质环境条件及稳定性预测

陈立云

内蒙古自治区煤田地质局104勘探队 赤峰 024005

本文以西二号露天煤矿排土场基底工程地质条件为例，利用FLAC3D数值模型着重分析了基底岩土体性质对排土场边坡变形破坏机制的影响和排弃物本身及排土场基底变形破坏的失稳机制，其结论有助于指导此类排土场边坡应急防治工程方案的选择。

排土场；边坡；地质环境条件；三维数值模型；基底系统的稳定性预测

2011年10月胜利煤田西二号露天煤矿排土场东侧局部地段出现裂缝并下沉、塌陷，公路两侧地表出现近1m高的地鼓及张裂缝等地质灾害，严重威胁了露天煤矿安全生产。如何根据矿区特有的工程地质条件，研究并掌握排土场边坡的变形破坏机制，预测其稳定性，是广大岩土工程技术人员亟待解决的重大问题。

胜利煤田西二号露天矿设计生产规模10Mt/a，现排土场东西长2.52km，南北平均宽0.65km，占地面积1.64km2，排土场基底标高1，040m～1，070m，台阶高度14m（5个台阶），排弃物标高1，075m～1，043m，排土高度大于60m，边坡角18°。

1.地质环境条件

1.1 地形地貌

矿区位于内蒙古胜利煤田西部，距锡林浩特市约为12km，行政隶属锡林浩特市胜利苏木管辖。矿区地面高程1，022km～1，111km之间，相对高差89m。为西北高、东南低的缓波状侵蚀、堆积地形，地面坡度小于7°。

矿区总体呈高原丘陵地貌景观，地表无基岩出露（除露天采掘场外），仅有一条沟谷穿过，暴雨时成为主要汇水排泄点。

排土场基底总体地形倾向东南、倾角较小、近视水平状。

1.2 气象、水文

本区属半干旱大陆性气候，多年平均降水量为289.2mm（多集中在七八九月）；年平均蒸发量1，805.1mm。冻结日期一般150d左右。最大冻土深度为2.89m。

矿区地下水分为两类，一类为松散岩类孔隙水，以大气降水（包括冰雪融水）补给为主，仅在雨季形成潜流（绝大部分时间松散层为透水不含水层），由西北向东南径流、排泄。另一类为基岩裂隙水，赋存6#煤组内，矿坑疏干排水是其主要排泄方式。地下水渗流对排土场稳定性无甚影响。

排土场台阶面上各处的渗透性差异很大，一般情况下渗透性非常好，在经反复碾压的地方，渗透性明显降低。

1.3 地层岩性

根据排土场基底揭露深度范围内的地层成因、沉积规律、物理力学性质及岩石风化程度自上而下划分为第四系松散层、新近系砂砾岩层、下白垩系煤系地层和部分排弃物料堆积及杂填土层。

（1）第四系冲洪积层（Q）

主要由粉土和粉细砂夹砾砂组成，发育厚度变化较大，一般仅数米至十几米。黄色，稍湿，中密。粉、细砂成分以石英为主，含少量小砾石。粉土摇震反应中等，无光泽，干强度、韧性较低。砾砂成分以砂岩砾，石英岩砾，安山岩砾为主，砾径一般10mm～40mm不等，次圆状，2mm以上颗粒占总质量的35%，其他为中粗砂充填，分选不好。

上述地层属松散土体结构，为细颗粒均匀连续介质，受地下水作用易于流动。与下伏地层呈角度不整合接触。

（2）新近系上新统地层（N2）

主要为砂砾岩，灰色—灰绿色，成分为安山岩砾、石英岩砾、砂岩砾、砾径5mm～30mm，分选较差，系泥质基底式胶结，半交接状，松散、风化，手捻即碎，中等压缩性。

该地层属松散土体结构，稳定性较差。与下伏地层呈

角度不整合。

（3）煤系地层（K1）

主要由灰色—深灰色泥岩和煤层组成，细腻，块状，质软，分层厚度0.40mm～4.20mm，顶部弱风化；其间煤层破碎，透水性较强。

该地层属层状碎裂结构，风化裂隙较发育，完整性较差。

（4）杂填土、排弃物回填土（Q4ml）

杂填土，场地内呈零星不均匀分布，以砂土、细砂夹砂砾为主，含生活垃圾等杂物。

排弃物回填土，以粉土为主，含泥岩、砂砾岩等混合排弃物，层厚38.00m～63.70m。压缩性差—中等密实度，无固结、性质差。

2.排土场—基底系统的三维数值模型

通过分析西二号露天煤矿工程概况及地质条件，掌握排土场坡体结构划分及基底岩土层赋存特征；分析测定排弃物料和基底岩土体物理力学指标；建立排土场边坡工程地质模型。

（1）三维有限差分模型

根据勘察资料，建立排土场—基底系统的三维计算模型。模型尺寸：X轴3.0km，Y轴2.5km，基底地层总厚度不小于200 m；排土场最下部台阶沿X轴1.0km～2.0km，沿Y轴方向长度为0.4km～2.0km，台阶数4～9个（对应排弃高度H），单台阶高度15m；地层倾角θ为0°～10°，排弃物自然安息角β为33°，边坡角α为14°～22°（以2°为步长）。地层倾角θ为0°、坡角α为14°、坡高为60m时排土场—基底系统的三维有限差分模型见图1所示（其他工况的计算模型略）。

图1 排土场-基底系统的有限差分模型（θ=0°、α=14°、H=60m）

（2）岩土体物理力学参数

以排土场为例，排土场—基底系统材料分区示意图见图2。数值模拟中排弃物与地层岩土体采用带拉剪复合屈服判据的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，选取变形参数及抗拉强度指标见表1。

（3）数值模型边界条件及模拟过程描述

数值计算模型4个竖向面及模型底面采用法向位移固定的边界条件；坡体及基底地层的应力场以自重应力场为主。

图2 排土场-基底系统材料分区示意图

根据勘察结果，结合以往边坡稳定性研究成果，推荐边坡稳定性时采用表1中所列的指标。

表1 排弃物与基底岩层物理力学参数

（4）数值模拟过程描述

第一步，进行未排弃前地层初始应力场的模拟；

第二步，将获得的初始应力场模型的位移场及速度场清零，进行排土场排弃的模拟，可依次分台阶或一次性排弃模拟，获得排土场排弃后的力学响应；

第三步，采用等比强度折减法获得不同工况下排土场—基底系统稳定系数Ks。

3.基底力学性质对排土场—基底系统的稳定性预测

设计排土场坡高H=60m，基底地层倾角θ=0°，边坡角α=14°，基底第一层分别为弱层、砂砾岩、粉细砂、粉土，对上述四种工况进行模拟，获得不同基底下的排土场稳定系数（见图3）。

图3 不同基底力学性质下排土场的稳定系数（H=60m，θ=0°，α=14°）

不同基底下排土场临界失稳时滑裂面的形式见图4。

图4 不同基底力学性质下排土场临界失稳时滑裂面的形式（H= 60m，θ=0°，α=14°）

预测结果表明，若排土场下方基底第一层土层的抗剪强度强于排弃物时，如基底为粉细砂或粉土，排土场的稳定性主要取决于排弃物的力学性质，排土场的稳定系数基本相当，其滑移面主要贯穿于坡体内部；若第一层土层的力学性质弱于排弃物时，如基底为砂砾岩或弱层，由于该层基底受上部排弃物非均布重力荷载的作用，在坡脚位置附近易发生剪切滑动，使得排土场—基底系统的稳定系数有所降低，且系统的滑裂面有向基底贯穿发展的趋势，滑移失稳模式由坡体内部单一的纯剪切滑移失稳向坡体—基底系统的拉剪复合失稳模式发展。即当排土场基底力学强度较小时，其变形破坏模式及稳定性在很大程度上取决于弱层。

4.结论

通过对排土场基底的破坏模拟预测分析，得出如下结论：

（1）掌握边坡工程地质条件是边坡稳定性评价的前提和基础。这为潜在滑坡模式的初步判定提供了基础资料。

（2）不同时期、不同成因的地层，诸如矿物成分、颗粒大小、胶结物性质和胶结程度等岩土体结构和构造征性差别甚大，且受到岩体结构类型等众多不确定性因素影响，具有各自的不同的物理力学性质，继而影响到自身岩体及排土场的稳定性。

（3）在基底形态及边坡高度一定的条件下，当排土场基底力学强度较小时，其变形破坏模式及稳定性在很大程度上取决于弱层；反之，若排土场下方基底第一层土层的抗剪强度强于排弃物时，排土场的稳定性主要取决于排弃物的力学性质。

（4）由松散软弱介质构成的排土场位移以下沉为主，排土场变形在西南侧为相对不稳定区域，滑坡模式为排土场内部拉裂-剪切圆弧+基底剪切滑移的切层-顺层滑动；排土场边坡失稳是一个应力调整的动态过程，当材料抗剪力学性能充分发挥后也未能抵抗坡体的滑动力时，排土场边坡将发生滑坡；排土场—基底系统失稳是一渐进过程，须经历排土场沉降、局部剪切错动、局部剪切破坏、剪切裂缝扩展和贯通几个阶段；排土场-基底系统失稳过程存在明显空间异性特征。

[1]刘大野，陈志宏.蒙东能源控股有限责任公司西二号露天煤矿排土场边坡工程地质勘查报告[R].内蒙古赤峰：内蒙古自治区煤田地质局104勘探队2012.

[2]煤炭工业露天矿设计规范(GB50197-20015)[S].北京：中国计划出版社，2005.

[3]岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

陈立云(1963-)，男，地质高级工程师，从事地质勘查工作。