顺倾基底高段排土场边坡失稳模式与控制对策

2020-07-27丁鑫品李凤明刘博文

煤矿安全 2020年7期

丁鑫品，李凤明，刘博文，任鹏

（1.煤炭科学研究总院，北京100013；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京100013；3.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；4.中国矿业大学（北京），北京100083；）

排土场是露天矿山的重要配套设施，占整个矿山面积的30%～50%[1]。增高扩容无疑是缓解排土场占地压力的最有效方法，由于排弃物料一般包括腐植表土、岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的矸石、贫矿等，抗剪强度较低，随着堆排高度的不断增加，同时受降雨入渗、爆破振动、基底强度等因素影响，排土场高边坡安全问题凸显，一旦发生失稳，不仅影响到矿山的正常生产,也将使企业蒙受巨大的经济损失。

排土场在地震、爆破震动、降雨以及人为因素作用下，坡体内部薄弱位置抗剪强度抵抗不了自重的作用，逐渐发生蠕动变形。随着变形的逐渐增大，受牵连的土体逐渐增加，局部弱面逐渐扩大成主滑面，随后在边坡后部产生张拉破坏，导致局部下沉，由于牵拉上部土体的质量较大，在滑面的诱导下，对前部土体产生强大的挤压作用，促使其产生剧烈破坏，从而促使滑面扩张至前部土体，此时排土场边坡就形成了上下贯通的滑面。根据滑面位置的不同，排土场的破坏模式大致可分为4 种：排土场内部滑坡、沿物料与基底接触面滑坡、沿基底软弱面滑坡以及持力层滑坡。当排土场基底顺倾程度较大，或者排土场物料与基底面之间嵌固、咬合力不足，物料与基底接触面的摩擦强度低于物料本身的抗剪强度时，极易发生沿物料与基底接触面滑坡，此类滑坡具有规模大、发生突然、危害严重的显著特点[2-4]。因此，开展顺倾基底排土场高边坡稳定性与控制方法的研究。

1 研究区域工程地质条件

平朔矿区安太堡露天煤矿生产规模为22.00 Mt/a。在向东推进的过程中，遇到楼子沟背斜构造，煤系地层由近水平变为沿推进方向顺倾，煤层平均倾角8°～12°，局部最大倾角达到22°，不良地质构造导致生产组织困难，工作效率低下，内排土场边坡安全问题凸显[5]。根据整体发展规划，剥采工作面需进一步向工作帮下部平盘布置，同时工作帮南部要提高推进强度，以加快新水平的准备速度，剥离重心下移后导致现有南北帮及11#煤底板运输系统难以与新延深底部平盘搭接，物料运输受阻，同时，随着南部缩界区排土平盘的逐步跟进，矿坑总出入沟较不明晰，南部运输系统东段布置复杂，难以满足下部剥离物料去往上部土场的需要。因此，亟需在北帮和南帮之间沿背斜轴延伸方向搭接1 条标高自1 135 m 到1 300 m 的长距离运输道路，由于道路南部爬升高度较大，导致其外侧排土单台阶高度达到75 m，而该区域排土场基底顺倾角度约为16°，对路基外侧边坡稳定性极为不利，如果边坡发生失稳，将引起内排运输道路中断，甚至发生更加严重的安全问题。为此研究背斜影响区内排土场顺倾基底高边坡的稳定性，提出科学合理的预控方案，对于有效缓解安太堡露天矿因复杂地质构造形成的排土压力，实现安全高效生产具有重要实际意义。

2 边坡破坏模式与稳定性

2.1 数值分析模型和岩土体参数指标

结合现场实际情况，基于安太堡露天矿楼子沟背斜区典型工程地质模型（ATB-P1 剖面），建立FLAC3D数值分析模型，模型长度为1 500 m，高度为350 m，由9 717 个节点和35 744 个网格组成。由于惯性和阻尼对边坡整体的影响并不显著，因此运输载荷简化为静载施加于干道路面。通过分析边坡水平位移场、竖直位移场、切应变增量图、塑性破坏区分布图以及位移矢量图，揭示干道附近区域边坡变形破坏模式，为边坡安全定量评价和控制措施确立提供依据。模型前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后以y 方向位移约束，模型左、右方向以x 方向位移约束，模型的底部以z 方向位移约束，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。分析过程中岩体采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb 屈服准则描述。

为保证研究过程中采用土体参数指标的客观性及合理性，基于安太堡露天矿及周边矿井已有岩土体强度研究成果[6-7]，结合工程地质类比和滑坡反分析，获得研究所需的各类岩土层力学性质参数，分析中采用的岩土体物理力学参数指标见表1。

表1 数值分析中采用的岩土体物理力学参数指标Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass used in numerical analysis

2.2 数值分析结果

剪应变增量云图如图1。由图1 可知，以基底顺倾岩土接触面为界，运输干道外侧坡面距坡顶线约30 m 范围内剪应力集中程度明显，剪应变增量等值线在坡体内呈圆弧状，逐渐过渡为顺岩土接触面方向，最终沿坡脚处剪出。分析原因为该位置边坡单台阶高度过大、且基底面顺倾，排弃物料与基底接触面的摩擦强度低于物料本身的抗剪强度，受重力作用影响，物料不断沉降压实并发生蠕滑变形，最终发生圆弧-顺层组合滑动失稳。

图1 剪应变增量云图Fig.1 The cloud chart of shear strain increment

塑性区分布云图如图2。由图2 可知，边坡各台阶坡脚位置均存在不同程度的剪切破坏，运输干道外侧坡体内和坡脚岩土接触面区域已经发生了较为明显的剪切破坏和拉伸破坏，破坏块体沿顺倾基底基本贯通。这表明在实际工程中，该区域一旦发生滑坡，滑动面将沿顺倾基底剪出。

图2 塑性区分布云图Fig.2 The distribution cloud chart of plastic zone

水平位移云图如图3，竖直位移云图如图4。由图3 和图4 可知，运输干道外侧坡体沿基底顺倾面发生单台阶圆弧滑动特征明显，滑动面已经贯通，失稳已经成为必然，同时不能排除滑面后方排弃物料发生大范围滑动可能。边坡变形失稳模式为“圆弧-顺层”坐落式组合滑动。

图3 水平位移云图Fig.3 The cloud chart of horizontal displacement

图4 竖直位移云图Fig.4 The cloud chart of vertical displacement

2.3 边坡稳定性定量分析

采用极限平衡分析法对排土参数进行优化分析，边坡稳定性安全系数Fs是边分析过程中的一个定量参数，它直接关系到边坡参数的经济性与安全性[8-10]。《煤炭工业露天矿设计规范》6.0.8 条明确规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围[11]，结合安太堡露天矿实际情况，选取排土场边坡安全储备系数Fs定为1.1，即Fs＜1.1 时，即认为边坡稳定性不满足要求。安太堡露天矿1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡稳定性分析结果图5。由图5 可知，安太堡露天矿1 135～1 300 m 主干道外侧边坡稳定性系数仅为0.932，明显小于1.1，不满足边坡稳定要求，若必须进行南北帮搭路，建议采取专门边坡安全控制措施。

图5 安太堡露天矿1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡稳定性分析结果Fig.5 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road of Antaibao Open-pit Mine

3 基于反向排土的边坡稳定控制方法

工程地质调查测绘成果表明，安太堡露天矿内排土场单台阶坡面角约为37°，保持坡面角固定，计算不同高度（20～40 m）情况下的单台阶稳定系数Fs，在单台阶排弃高度增大至30 m 时，Fs值开始小于1.1，因此建议极限单台阶排弃高度为30 m。

在排土场基底面与边坡面顺倾时，为了保证排土作业过程中边坡的稳定性，酌情采取反向排土工艺，通过在潜在滑坡体前缘抗滑段及其以外回填土石，主动减小边坡临空面范围、增大抗滑力，从而降低边坡沿顺倾基底发生顺层滑动的可能性[12-13]。结合现场实际条件，该区域采用反向排土，不但可以保证运输干道外侧边坡的稳定性，而且有利于提前释放内排空间，缩短排土运距，因此决定在该区域采用反向排土工艺。排土工作分为2 个阶段进行。

第1 阶段施工方案：南帮超前靠帮区首先实现内排，由1120 运输平盘西端向西升坡至1 150 m水平，之后向南升坡至1 210 m 水平，在这个期间1 135～1 300 m 水平升坡范围内原煤自北向南优先采出，1 150～1 210 m 水平升坡范围内原煤自南向北优先采出。

第1 阶段排土为第2 阶段排土提供了条件，但运输干道外侧边坡稳定性并未发生明显变化，第2阶段排土以保证干道外侧边坡稳定为前提，基于单台阶坡面角优化分析结果，确定第2 阶段最小排弃标高为道路外侧坡顶标高以下30 m。

第2 阶段施工方案：1 135～1 300 m 水平主干道向南部延伸，至1 150 m 水平时与第1 阶段1 150～1 210 m 水平坡道进行搭接，然后不断升坡至1 300 m 水平，同时边坡下部区域由1 225 m 水平逐渐提升至1 270 m 水平。

通过2 个阶段排土施工，运输干道外侧边坡高度由75 m 减少至30 m。基于该工程地质模型建立极限平衡分析模型，在其它条件相同的情况下再次对1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡进行稳定分析，施工结束后1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡稳定性分析结果如图6。

图6 施工结束后1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡稳定性分析结果Fig.6 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road after the construction

由图6 可知，经过2 个阶段的反向排土，1 135～1 300 m 水平主干道外侧边坡稳定性系数从0.932增大至1.103，大于1.1，满足边坡稳定安全要求。以上排土方案的实施，不仅保证了内排土场边坡及道路运输安全，而且提前解放了南帮超前剥离区排土空间3.0×107 m3，有效缩短了内排运距，缓解了排土征地压力，提高了生产效率，为企业创造效益约3 000 万元，经济效益与安全效益显著。