白音华三号露天矿内排土场排土参数优化

胡铁男

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

对于近水平煤层露天煤矿，尽早实现内排、尽可能地增大内排量，是露天矿减少外排量和提高经济效益和生态环境效益的重要途径。随着露天矿降深不断增大，对内排土场边坡稳定性的要求也日渐凸显。同时，随着工作帮的不断推进，在实现完全内排前对内排土场的排弃空间的要求也逐渐增大。因此，如何在保障安全、技术可行且满足实际生产需求的前提下如何释放出更大的排土空间成为迫切需要解决的问题。

20 世纪70 年代以来，很多学者结合已有土质边坡分析方法及土力学理论，对排土场边坡的稳定性展开了理论研究及实践探索，宋子岭等[1]以受到芦子沟背斜构造影响的安太堡露天矿内排土场边坡为研究对象，基于刚体极限平衡法，研究倾斜基底对边坡稳定性的影响，确定了内排土场边坡的滑坡模式是以危险圆弧为侧界面、以基底为底界面的切层-顺层滑动，背斜构造导致的倾斜基底是边坡稳定性的控制因素；王思文等[2]于2013 年通过对不同压帮状态下的露天矿边坡稳定性进行数值模拟，基础性的揭示了内排台阶参数与端帮边坡稳定性系数之间的函数关系；1992 年周昌寿[3]对露天矿排土场边坡的变形类型、稳定性影响因素及滑坡防治措施进行了分析和论述，并第一次指出了基于实践的稳定性分析的重要性；高猛[4]应用Flac3D软件对黑岱沟露天矿内排土场边坡建立数值模型并进行安全性评价，确定了剪切应力增大区以及可能出现的安全隐患；曹兰柱等[5]于2018 年针对顺倾软弱基地内排土场边坡进行研究，分析了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响，基础性的揭示了内排土场边坡变形破坏特征，并设计了顺倾软弱基底内排土场边坡空间形态；丁鑫品[6]采用基底承载力分析与极限平衡分析相结合的方法，研究了背斜构造影响下增高扩容方案的可行性；罗怀廷等[7]分析了内排土场存在的安全隐患，研究了内排土场承载高度与稳定性关系，边坡角与稳定性关系。尽管国内外学者对内排土场边坡在各种地质、工程条件下的稳定性以及对内排空间形态进行了大量的研究，但针对不同工程位置时排土参数优化的研究相对较少。

1 工程地质条件

白音华煤田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华苏木和哈日根台苏木。三号露天矿位于煤田中部。该矿地处内蒙古高原大兴安岭南段北侧。属丘陵低山区，剥蚀堆积地形冲洪积平原，南西高北东低，煤田内是地形平缓的草原、沼泽地形，两者间的过渡带是由剥蚀堆积和风蚀形成的缓波状丘陵[8]。岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标

2 排土场参数优化

2.1 模型参数和工程位置

依据露天煤矿初步设计，剥采工程采用水平划分台阶，露天矿南帮煤层露头处拉沟，沿走向布置工作线，沿煤层倾向推进。剥采参数见表2，排土参数见表3。

表2 剥采参数表

1）采场工程位置。均衡剥采比之后，尤其是达产期间内的采煤量与剥离量一定，以通过调整开采参数和台阶工作线位置实现对工程位置状态的调整，来满足工程量的要求与保证[9]。得到达产后各个年末时所对应的采场工程位置。

表3 排土参数表

2）内排工程位置。由式（1）确定跟踪距离Zmin＝60 m。

式中：Zmin为跟踪距离，m；F 为大块滚落宽度，取15 m；T 为道路宽度，取20 m；C 为安全距离，取25 m。

通过上述采场工作线推进位置的确定，同时保证采场最下煤台阶与内排土场最下排土台阶之间的跟踪距离，对应得到达产后各年末时内排土场的工程位置。

2.2 内排土场边坡稳定性

选取安全储备系数为1.2。由原设计排土参数可知，边坡角为11°，从11°开始计算，逐次加陡1°，并保证最上台阶排弃标高达到＋990 m，同时，分别以达产期间每年末的工程位置为条件，对内排土场不同边坡形态的稳定性进行分析计算，列举达产1 年末、达产3 年末、达产5 年末、达产7 年末、达产9 年末计算结果如图1～图3。

图1 各边坡角对应的稳定系数随推进位置变化曲线

图2 各位置稳定系数随边坡角变化曲线

图3 不同推进位置时的稳定性计算结果

随着边坡角的增大以及推进位置的向前发展，内排土场边坡稳定性明显降低，其中，边坡角影响边坡的稳定性比推进距离明显[10]。通过对各个内排土场工程位置时边坡稳定性分析研究，在保证边坡稳定性在安全需要的条件下，保持台阶高度、台阶坡面角与原设计中20 m、33°相同的条件下，达产1 年末到5 年末边坡角为15°，平盘宽度为50 m 时，达产6年末到9 年末边坡角为14°，平盘宽度为56 m 时，达产10 年末到15 a 末边坡角为13°，平盘宽度为64 m 时，达产16 年末到18 年末边坡角为12°，平盘宽度为70 m 时，达产19 年末到20 年末边坡角为11°，平盘宽度为75 m 时，均达到安全储备系数1.2的要求。根据式（2）可得满足实际生产需求的最小工作平盘宽度Bmin=63 m。

式中：Bmin为最小排土工作平盘宽度，m；L1为安全宽度，取2 m；L2为料堆占用宽度，取6 m；L3为卡车长度，取12 m；L4为汽车回转占用部分宽度，取8 m；L5为道路宽度，取20 m；G 为大块滚落宽度，取15 m。

内排土场优化后排土参数见表4。

通过稳定性系数与边坡角之间的关系曲线，定量描述了边坡角对稳定性的影响，同一推进位置边坡稳定系数与边坡角之间，基本成线性关系；通过稳定性系数与推进位置之间的关系曲线可知，同一边坡角，随着推进位置的向前发展，边坡稳定性系数也明显降低，但要比边坡角提高稳定性的效果差。

表4 内排土场优化后排土参数

3 优化结果

达产期内年和年新增内排量为：

式中：VPm为年新增内排容量，Mm3；LT为年推进距离，m；h 为台阶高度，20 m；n 为台阶个数。

达产期内年剥离松方量为：

式中：V＇ 为剥离松方量，Mm3；VBL为剥离量，Mm3；α 为松散系数，1.1。年剥离松方量和年新增内排量表见表5。

将达产期间年剥离松方量与年新增内排容量相比较，得到的年剥离松方量与年新增内排容量关系曲线图如图4。

经过对比分析可得，达产14 年末，新增内排容量大于剥离物松方量，且此后年新增内排容量均大于年剥离物松方量，因此，优化后的排土参数可于达产14 年末实现完全内排，相较于原设计排土参数，可提前1 年实现完全内排。优化后完全内排时空间位置如图5。

表5 年剥离松方量和年新增内排量表

图4 年剥离松方量与年新增内排容量的关系曲线图

图5 优化后完全内排时空间位置

4 结语

1）建立了白音华三号露天煤矿三维地质模型、剥采模型以及排土模型，确定了剥采工程位置，结合露天矿生产设备等因素确定了内排跟踪距离，进而确定出内排土工程位置，为研究提供了基础。

2）确定在达产1～15 年期间，内排土场边坡角13°，平盘宽度64 m；达产16～18 年，内排土场边坡角12°，平盘宽度70 m；达产19～20 年，内排土场边坡角11°，平盘宽度75 m。

3）优化后的排土参数可使完全实现内排时间提前1 年。