露天矿软弱基底排土场边坡稳定分析及治理措施

2020-09-02侯成恒

露天采矿技术 2020年4期

侯成恒

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

随着矿山露天开采比例的不断增加，露天矿建设规模趋于大型化，露天矿生产能力不断扩大，露天矿外排土场规模随之加大[1]。由于露天矿受基建投资、基建工期、征地费用、绿色开采等条件的限制，外排土场面积受到严重制约。露天矿开采初期，露天开采内排形成之前，外排土场起到至关重要的作用，剥离物全部排弃至露天矿外排土场，因此外排土场位置决定整个排弃运输系统的布置及运输费用，排土场占地面积决定外排土场收容量[2]。

露天矿外排土场位置一般选择在露天矿坑周围，基于地理位置、地质条件的限制，排土场基底一般存在软弱层组，随着开采深度的增加，排土场高度不断加大，排土场边坡稳定问题逐渐凸显出来，并且排土场边坡稳定问题影响整个露天矿的开采设计，同时排土场边坡稳定与否直接制约着露天矿的安全生产和经济效益[3]。

1 露天矿排土场滑坡原因

根据露天矿排土场边坡失稳、变形、破坏滑动面位置不同，排土场滑坡主要分为3 种情况：

1）沿基底以上滑动，即滑动面位于排弃物料内部，它是滑面全部产生在排弃物料内部的滑动，产生这种滑动的主要原因是排弃物料抗剪强度低于排土场基底抗剪强度，排土场基底地基承载力大于上部怕弃物料所施加的压力。

2）沿基底面滑动，即滑动面底部沿基底面或沿基底内相对较浅的软弱接触面，一般而言，排土场基底面或软弱接触面呈倾斜式，倾向与边坡倾向基本一致或倾向呈水平式，此状态下基底面抗剪强度较小，基底面或软弱接触面的倾角与抗剪强度大小是导致排土场边坡沿基底滑动的主要决定因素。

3）沿基底滑动，即滑动面沿排土场基底岩层，主要呈旋转剪切式滑动，导致该滑坡模式发生的主要因素是排土场的基底软弱，通常是由沼泽地或浸水的塑性岩层组成，承载能力相对较低，滑动过程中基底表现出明显的外部特征，即排土场前基底有底鼓现象的发生，并且沿边坡走向方向形成一定的岩堆[4]。

对于大多数露天矿而言，排土场滑坡主要是由排土场基底存在软弱层引起的，严重影响露天矿安全生产[5]。根据排土场占地面积大的特点，对整个排土场基底进行清理、置换或加固等措施，以上措施具有施工工程量大、费用高、周期长等缺点。因此，开采过程中不能轻易的去改变排土场周围的地质环境，在设计阶段未对边坡稳定性进行分析，在后续的生产过程中将会带来重大的安全生产隐患[6]。

2 工程地质条件及岩土体力学性质

为研究露天矿外排土场边坡变形破坏模式及分析其稳定性，并提出相应的治理措施，以某露天为例进行分析、研究。

露天矿外排土场基底为第四系岩土层，在区内广泛分布，岩性为红褐色、黄褐色黏土、粉质黏土，底部有1 薄层铁质结核层，厚度0～15 m，矿区一带厚度较大，一般为5～15 m，具垂直节理，透水性较弱，在分水岭一带厚度较小，一般不超过1 m。在沟谷底部、河漫滩一带，岩性主要为粉质黏土、粉土、粉砂，厚度0～1 m，结构松散。

露天矿排弃物料为采场排弃剥离的土岩，为松散物料，露天矿在进行资源开采时，剥离岩层主要有第四系岩土、白云质页岩、块状硅化白云岩、层状硅化白云岩、白云质细砂岩、白云质粉砂岩、白云质泥岩、黏土滑石白云岩、白云质石英砂岩、粉砂岩等。

排土场区域内有旧河道，后期对其进行改道，由于排土场基底以黏性土为主，在河道水作用的影响下，基底强度大大降低，软化基底黏性土并形成1 层“演化弱层”，易发生沿排土场基底的滑动破坏。

根据对外排土场工程地质条件研究，同时结合以往地质钻孔资料，以初步设计为依据，建立研究区典型工程地质模型，典型工程地质剖面图如图1。

图1 典型工程地质剖面图

3 边坡变形破坏机理及稳定性

露天矿边坡变形、破坏机理研究，主要采用试验研究、理论研究及数值计算综合分析的研究方法，采用该研究方法的根本原因是边坡变形、破坏是由多种因素共同作用下引起的，变形、破坏是一个复杂的过程，单一的研究方法无法实现整个破坏过程的研究。目前，对于这类问题的研究，分析均采用综合分析研究方法，其中数值计算方法主要包括：有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法及流形元法等。通过对以上数值分析方法对比、分析，有限元数值分析方法常被人们采用，该方法的主要优点是处理关于边界和边界条件的组合问题相对较容易[7-8]。

目前边坡稳定性分析常用的理论体系为极限平衡理论体系，具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直截实用的特点，其简化计算方法包括：瑞典法、传递系数法、毕肖普法、陆军工程师团法Spencer 法和MorgensternPrice 法等。与其它方法相比，Morgenstern-Price 法考虑了全部平衡条件与边界条件、消除计算方法上的误差。因此，本次稳定计算采用MorgensternPrice 法来确定边坡安全系数[9-10]。

3.1 边坡变形破坏机理

1）数值模拟模型的建立。为研究外排土场边坡变形破坏机理，本次模拟计算选取典型工程地质剖面，模型的左边界、右边界和底部边界分别以水平x方向和垂直y 方向的位移约束，从而构成位移边界条件，介质采用理想的弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡，模拟计算模型如图2。

图2 模拟计算模型

2）数值模拟结果。通过对典型剖面数值模拟，得出外排土场设计边坡水平方向位移云图（图3）、总位移云图（图4）、剪应力云图（图5）及位移矢量图（图略），并对模拟结果进行分析，依据分析结果最终确定外排土场边坡变形、破坏机理。

图3 水平方向位移云图

图4 总位移云图

图5 剪应力云图

根据数值模拟结果可知，排土场边坡以沉降为主，水平位移最大区域出现在坡底区域，主要是由于第四系地基承载力较低；剪应力集中区域第四系黏土和粉质黏土层，该区域岩土体风化较严重，在地下水的作用下，形成“演化弱层”，岩土体物理力学强度降低。

综合以上分析结果，该露天矿外排土场潜在的边坡变形破坏模式为沿排土场基底（第四系）易发生“坐落滑移式”滑动。

3．2 边坡稳定性分析与评价

1）安全储备系数的确定。按照GB 50197—2015露天煤矿工程设计规范有关规定，服务年限大于20年的外排土场边坡稳定系数Fs取值为1.2～1.5，同时依据对研究区域工程地质条件的认识程度和对所收集到的资料的掌握程度，以及边坡稳定性对露天矿生产的重要程度等方面因素综合考虑，选取安全储备系数为1.3。

2）稳定性计算与评价。根据所建立的外排土场典型工程地质剖面图，利用Morgenstern-Price 法分析外排土场边坡稳定性。根据典型剖面边坡稳定计算结果可知，外排土场边坡稳定系数为1.046，结合外排土场边坡安全储备系数，外排土场边坡稳定系数不能满足安全储备要求，外排土场边坡易发生滑坡事故。岩土体物理力学指标推荐值见表1，边坡稳定性分析计算结果如图6。

表1 岩土体物理力学指标推荐值

图6 边坡稳定分析结果

4 边坡治理措施

露天矿边坡稳定治理措施主要包括削坡减载、调整边坡角、回填压脚、改善岩土体强度、人工支挡等，鉴于外排土场面积、排弃量较大，采用人工支挡和改善岩土体强度措施并不适用。因此，根据以上治理措施的适用性，同时结合外排土场地质环境等因素，提出以下2 种治理措施：①调整边坡角；②底部境界压脚压脚。

4．1 调整边坡角措施

排土场设计排弃水平为＋560 m，整体边坡角为26°，根据边坡角与边坡稳定性的关系可知，保证其它边坡参数不变的情况下，随着边坡角度的降低、边坡稳定性逐步提高。

调整边坡角方案为：以1°为等差，分别对每一种方案进行边坡稳定性计算，最终确定边坡角由26°调整至21°时，边坡稳定性满足安全储备要求，此时边坡稳定系数为1.304，调整设计边坡角方案如图7。

图7 调整设计边坡角方案

4．2 底部境界压脚措施

底部境界压脚措施主要是保证排弃高度不变，在排土场最下部区域周围排弃剥离物料，使得治理后的边坡稳定性满足安全储备要求。具体治理方案：在现状边坡基础上进行压脚，压脚设计为3 个安全平盘，第1 个安全平盘位于＋470 m 水平，平盘宽度55 m，第2 个安全平盘位于＋450 m 水平，平盘宽度30 m，第3 个安全平盘位于＋430 m 水平，平盘宽度56 m，台阶坡面角34°，底部境界压脚后边坡稳定系数1.301，底部境界压脚方案如图8。