露天矿内排土场堆叠过程中边坡形态优化

周永利，黄浩轩，翟正江，王忠鑫，王金金

（1.神华准格尔能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

近年来我国大部分的露天矿都遇到了外排土场排土空间严重不足进而转向内排的问题。内排土场的边坡形态与露天矿的安全、经济息息相关，由于内排土场的运距较短，所以内排土场的排弃空间越大，露天矿的经济效益越好，但随之而来的边坡安全隐患问题变得尤为重要[1-2]。近年来许多学者专家对露天矿排土场边坡稳定性及其变性破坏机理进行了研究，取得了一些成果[3-7]。尽管众多专家学者对露天矿排土场边坡进行了大量研究，但对于含有软弱基地的内排土场边坡稳定性问题的研究较少，尤其是在边坡形态优化设计方面的研究屈指可数。导致有关内排土场边坡发生的灾害频频发生，如2014年9月，霍林河露天矿下部弱层沿F4断层剪出，并于2015年2月发生滑坡，滑坡体积量约77万m3，造成大量压煤无法开采[8]；宝日希勒露天煤矿分别于2005年11月、2006年5月发生了2次内排土场边坡失稳现象，滑坡发生后采取一系列治理措施对内排土场进行加固，导致露天矿经济效益的损失[9]。可见内排土场边坡稳定性问题是露天矿亟待解决的难题之一。

综上所述，内排土场边坡的稳定性与露天矿的安全生产息息相关。为此以哈尔乌素露天煤矿软弱基地内排土场为工程背景，采用刚体极限平衡法与数值模拟相结合的方法，对哈尔乌素露天煤矿内排土场边坡稳定性问题进行了深入研究，确定了不同排弃高度下边坡合理的帮坡角度，揭示了内排土场边坡变性破坏机理，以确保露天矿日常生产的安全性、高效性、合理性，为类似条件下边坡稳定性问题的研究与治理提供参考。

1 边坡工程地质条件分析

哈尔乌素露天煤矿位于准格尔煤田中部，距内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗旗府所在地薛家湾直距约13 km。矿区内第四系黄土广泛覆盖。黑岱沟、哈尔乌素沟、不连沟等沟内地层出露较好。矿区内地层出露由老到新为：中石炭统本溪组、上石炭太原组、下二迭统山西组、下二迭统下石盒子组、上二迭统上石盒子组、第四系更新统、全新统。主要可采煤层6号煤埋藏浅，厚度大，埋藏深度一般70～130 m，6号煤平均厚21 m，适合露天开采。由于煤层底板夹有极薄的泥岩层，遇水极易软化、崩解，促使内排土场发生以基底软弱夹层为底界面的切层-顺层滑动。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定性分析方法

刚体极限平衡法是目前国内外最常用的一种边坡稳定性分析方法，经过几十年的发展，该方法因操作简单、方便、快捷而被人们广泛使用。它的基本原理是将边坡分成若干个刚性块体，分别计算每个块体的下滑力与抗滑力的比值，再根据块体间的相互作用，最终通过迭代算法计算边坡的安全系数[10]。常用的边坡稳定性二维极限平衡分析法[11-13]主要有简化Bishop法、剩余推力法、Janbu法、Spencer法等。其中Bishop法适合用于计算圆弧滑面滑坡，剩余推力法适合用于计算任意曲面滑坡，因此以2种算法为基础，基于CAD平台自主研发了一款边坡稳定性分析软件对哈尔乌素露天煤矿内排土场边坡进行稳定性分析。

2.2 边坡稳定性定量分析

根据GB 50197—2005《煤炭工业露天矿设计规范》的要求，结合哈尔乌素露天矿的实际情况，确定内排土场边坡的安全储备系数为1.2。哈尔乌素露天矿内排土场最终排弃标高为1 200 m，计算了内排土场排弃至1025、1095、1165、1200平盘时的不同边坡角度的稳定性系数，边坡角度从15°开始计算，每次增加1°，列举每个平盘最终确定的边坡形态，最终确定的边坡形态如图1，边坡稳定性计算结果如图2。

图1 最终确定的边坡形态

图2 边坡稳定性计算结果

通过计算结果可知哈尔乌素露天矿内排土场的滑坡模式为沿基底接触面发生的切层-顺层式滑动；在同一排弃高度的条件下，内排土场边坡稳定性随边坡角度的增加而降低；在同一边坡角度时，内排土场边坡稳定性随排弃高度的增加而降低，但没有边坡角度对稳定性的控制效果好；最终确定当排弃至1025平盘时边坡角度为18°、当排弃至1095平盘时边坡角度为17°、当排弃至1165平盘时边坡角度为16°、当排弃至1200平盘时边坡角度为16°时的边坡稳定性系数满足安全储备系数要求。

3 边坡数值模拟分析

传统的二维刚体极限平衡法将岩体视作刚体，在计算过程中不考虑岩体内部应力-应变的关系，无法深入分析岩体发生变形破坏的过程；数值模拟分析中的有限元、有限差分等方法广泛应用于模拟岩体发生大变形过程中应力与应变的变化情况[14-15]。基于此，采用大型岩土工程类分析软件FLAC3D对哈尔乌素露天矿内排土场边坡的稳定性及其变性破坏机理展开深入研究。为了客观真实的反映出内排土场边坡的稳定情况，选取了排弃至1200平盘时的边坡形态进行数值模拟分析。经过强度折减，边坡处于临界失稳状态时的稳定系数为1.211。数值模拟结果如图3。

图3 模拟结果

通过模拟结果中的最大位移云图可以看出内排土场边坡达到临界失稳状态时的位移分布规律。从应力分布云图可以看出边坡自身应力近似沿着坡面的形状呈层状分布，并由外向内应力逐渐增加。从剪切应变增量图可以发现边坡的破坏形式主要受到基底弱层的影响，剪应力在弱层处最大。内排土场边坡的滑坡机理为：内排土场基底赋存的弱层在排弃物料的自重作用下产生塑性屈服，其与排弃物内部产生的滑裂面贯通时，边坡岩体发生剪切破坏并沿内排土场基底弱层挤出。FLAC3D数值模拟计算的结果与刚体极限平衡法计算得出的滑面位置、滑坡模式有较好的一致性。

4 结语

1）哈尔乌素露天矿内排土场的边坡稳定性主要受基底形态和基底弱层的控制，潜在滑坡模式为沿排土场地基底接触面发生的切层-顺层式滑坡。内排土场边坡稳定性随排弃高度的增加而降低。

2）对哈尔乌素露天矿内排土场边坡进行了形态优化设计，最终确定当排弃至1025平盘时边坡角度为18°、当排弃至1095平盘时边坡角度为17°、当排弃至1165平盘时边坡角度为16°、当排弃至1200平盘时边坡角度为16°。

3）内排土场边坡的滑坡机理为：内排土场基底赋存的弱层在排弃物料的自重作用下产生塑性屈服，其与排弃物内部产生的滑裂面贯通时，边坡岩体发生剪切破坏并沿内排土场基底弱层挤出。FLAC3D数值模拟计算的结果与刚体极限平衡法计算得出的滑面位置、滑坡模式有较好的一致性。