某露天矿北外排土场稳定性分析

王海洋

（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）

随着露天矿的快速发展，边坡稳定性问题和综合防治技术逐渐引起业内人士的重视[1]。通常受排土空间限制，露天矿外排土场与采场之间的距离都较近，容易形成复合边坡并相互影响，且排土场周边常有重要设施，存在一定的安全隐患[2]。排土场失稳影响到露天矿的正常生产，影响着露天矿的经济效益。

目前，关于露天矿排土场边坡稳定性研究较多，陈毓等在分析黑山露天矿内排土场边坡稳定性的前提下，对其破坏机理进行数值研究[3]；蔡明祥等运用极限平衡法对增高扩容后的北排土场边坡进行稳定性计算，确定了合理的安全系数，并提出了增高扩容后的边坡稳定控制措施[4]；张子光等分析红沙泉煤矿外排土场边坡的潜在滑移面及滑坡模式，计算边坡的安全系数，并分析各因素对边坡稳定性的影响规律[5]。

根据某露天矿排土场的实际变形情况，分析边坡的变形特征，通过物理力学实验，对现场情况进行数值模拟，分析某露天矿北外排土场的稳定性，提出防治措施。

1 矿山概况

新疆某露天矿东西长约20 km，南北宽约4.90 km，总面积约97.75 km2，地势北高南低，西高东低。

该露天矿基底地层为古生界泥盆系、石炭系，在此基础上又沉积了中生界三叠系、侏罗系和新生界的古近系、第四系地层。含煤层系为西山窑组（J2x）。矿区构造简单，主体为一南倾的单斜构造，地层走向约95°，倾角一般在13°～25°，走向上倾角变化不大。矿区还发育3 个断层。

北外排土场目前处于沉降固结期间，每年沉降量约30～40 cm，排弃物按自然安息角进行排弃，一般在33°左右，排土场单台阶平盘宽度在30～45 m。截至2019 年10 月底，北侧外部排土场现已形成排土台阶7 个，分别为＋2 570、＋2 590、＋2 610、＋2 630、＋2 650、＋2 670、＋2 690 m 水平排土台阶，高度均按20 m 设置，最终边坡角为20 °。

2 边坡稳定性分析

2.1 外排土场稳定性的主控因素

影响排土场边坡的主控因素包括排土场基底基底因素（包括基底形态和物理力学性质）、排弃物料的物理力学性质、边坡高度及坡度，其它因素还包括自然因素的影响，如地下水、暴雨、地震等。露天矿北外排土场的排弃物主要由大小不等泥岩、砂岩、砂土砾石组成，呈松散状、孔隙较大，无胶结性，透水性极强。

1）排土场基底性质。通过地勘报告、现场踏勘以及岩石力学试验发现，排弃物料为松散体，其力学强度偏低；排土场基底第四系覆盖层主要为砂砾层，基底强度相对较低，不利于排土场边坡稳定。

2）水文条件。矿区内每年春季冰雪消融期和夏秋季的降雨集中期，往往会形成较大的暂时性水流。外排土场基底受水的扰动影响，砂砾土层力学强度将恶化，进而加剧边坡变形，影响着北外排土场的稳定。

3）排弃物荷载作用。排土场边坡的稳定性随着排弃高度、排弃角度、基底压力的增加而降低[6]。

2.2 破坏机理数值模拟

根据实际地质资料和研究区岩土物理力学参数，建立的北外排土场工程地质简化模型如图1[7]。

图1 BWP1 剖面工程地质简化模型

采用ANSYS 有限元软件进行数值模拟，选取剖面BWP2 分析、研究某露天矿北外排土场边坡变形破坏机理。模型的2 个边界及底部边界条件分别施加水平x 和垂直y 方向约束，采用理想的弹塑性模型描述介质的弹塑性状态，保持整个系统的受力平衡。BWP2 剖面数值模拟结果如图2～图4。

图2 BWP2 剖面x 方向位移云图

图3 BWP2 剖面塑性应变云图

图4 BWP2 剖面速度矢量云图

通过数值模拟可知，BWP2 剖面区域总体表现为沉降变形，其中水平方向位移27.2 mm，水平位移主要放生在＋2 600～＋2 690 m 水平平盘，且最大位移发生在＋2 660～＋2 690 m 水平区域，排土场边坡变形总体指向临空方向。塑性应变云图显示，最大剪切应力发生于＋2 660～＋2 690 m 水平坡脚处，未见塑性贯通区，边坡尚未发生破坏。排土场塑性应变云图较去年在局部坡角处应变值变大，同时排土场边坡位移有所增加，表现为沉降变形，通过速度矢量图可以看出，最大位移发生在＋2 690 m 水平平盘。

结合现场及数值模拟结果，就现状边坡而言，某露天矿北外排边坡潜在滑坡模式主要表现为：单台阶片帮、排土场内部圆弧滑动、排土场沉降变形引起的裂缝。

2.3 稳定性评价

1）稳定性计算。本次稳定计算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法来确定边坡的安全系数[8-10]。本次研究中安全储备系数的确定主要按照GB 50197—2015 露天煤矿工程设计规范的有关规定[11]，依据对研究区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，结合北外排土场东北角存在厂区及临时施工驻地的实际情况，安全储备系数选取为1.3。通过极限平衡法对BWP2 剖面进行稳定性计算，BWP2 剖面整体稳定系数（圆弧滑动）如图5、BWP2剖面整体稳定系数（沿基底滑动）图6。

图5 BWP2 剖面整体稳定系数（圆弧滑动）

图6 BWP2 剖面整体稳定系数（沿基底滑动）

2）北外排土场稳定性分析。除BWP2 剖面，还计算了BWP1、BWP3、BWP4、BWP5 剖面的稳定系数，北外排边坡稳定计算结果统计表见表1 。通过多个剖面的稳定系数，综合分析该露天矿北外排土场各区域边坡稳定性。目前，北外排土场整体边坡角在15 °～22 °，表1 稳定计算结果显示，BWP1 至BWP5剖面整体滑动时稳定系数分别为1.302、1.302、1.325、1.333、1.330，沿基底滑动时稳定系数分别为1.432、1.351、1.460、1.421 和1.409。目前，整体上均满足安全储备系数要求，不易出现整体滑坡，北外排土场距厂区及临时施工驻地2 处建筑物距离在225～255 m，也满足安全规程200 m 的要求。

表1 北外排边坡稳定计算结果统计表

3 结 语

1）露天矿北外排土场变形主要表现为单台阶片帮、排土场内部圆弧滑动、排土场沉降。

2）目前排土场稳定系数满足安全储备要求，但北外排土场的基底透水性较强，遇到大气降水和地表水渗透容易发生滑坡，仍要做好防护和监测。

3）做好北外排土场及周边的排水疏干工程；及时回填压实排土场出现的沉陷与裂缝；完善日常的巡查监测制度，一旦发现异常情况，及时预警避让，采取防治工程措施。