扎哈淖尔露天煤矿内排土场边坡稳定性优化研究

赵立春，王 崇，张佳琦，韩龙启

（1.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古扎鲁特旗 029100；2.霍林河露天煤业股份有限公司，内蒙古霍林郭勒 029200）

排土场边坡稳定性问题既是一个安全问题，又是一个经济问题[1]。排土场最终帮坡角越大，抛弃高度越大，排土场排弃量越大，占地越少，经济效益越好，但滑坡可能性增大，安全性下降，对露天矿安全生产及周边设施的安全影响较大，反之亦然[2-3]。因此，对于露天煤矿而言，排土场边坡稳定不容忽视，合理的排土场边坡形态是确保露天矿安全、持续生产及减少土地资源浪费的前提和基础。如何根据矿区特有的工程地质条件，研究并掌握排土场边坡的失稳破坏机制，科学评价其稳定性，优化合理边坡的形态，有效控制成本，提出合理的排土场优化方案是采矿工程技术人员亟待解决的重大问题[4-6]。

1 工程背景和方法及参数

随着扎哈淖尔露天矿内排逐步推进及重心向西发展，再加上南帮压脚工程实施，导致内排土场中下部局部边坡角较大，对其边坡稳定极其不利，同时内排土场物料为松散体，力学性能差，边坡高陡存在一定的潜在滑坡危险，为消除潜在滑坡带来的安全隐患，切割了东西走向方向。

1）岩土层及煤层分布及特征。通过采场边坡揭露情况和现场踏勘结果可知，内排土场岩层、岩性分布与基底产状简单，典型地质计算剖面如图1。

图1 典型地质计算剖面图

2）岩体物理力学参数。结合西安煤科院试验结果、扎哈淖尔露天矿初步设计中的数据及辽宁工程技术报告，综合确定到界北帮北边坡稳定性分析计算采用的岩体物理力学指标，岩体物理力学指标见表1。

表1 岩体物理力学指标

3）安全储备系数。按照GB 50197—2005 煤炭工业露天矿设计规范中的规定，依据内排土场边坡的服务年限、内排土场动态发展等因素，确定内排土场边坡的安全储备系数均为1.2。

4）计算方法。边坡稳定性计算方法有很多种，以二维方法中刚体极限平衡法应用最为广泛，计算准确度更高。最常用极限平衡分析方法有简化Bishop 法、剩余推力法、Fellenious 法、Janbu 法，其中Bishop 法适合圆弧滑动计算，剩余推力法适用于任意滑面的滑坡计算[7]。

5）边坡潜在滑坡模式。内排土场边坡一般由散体、破碎的岩体组成，将边坡的地质结构类型定性为散体介质边坡，内排土场基底层不存在软弱结构面。内排土场潜在滑坡模式为圆弧滑动[8]，适合于Bishop法计算的模型。

2 内排土场边坡稳定性优化方案

2.1 120 m 内排边坡形态优化

为了优化排土场边坡形态，确保排土场作业安全，消除忽略边坡形态参数对内排土场边坡稳定影响，按照内排土场排土参数，排土台阶高度24 m、台阶坡面角35°，研究了排弃高度120 m 情况下满足安全储备系数Fs=1.2 及极限平衡状态下Fs=1.0 内排土场形态参数，排弃高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果如图2。

图2 排弃高度120 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果

通过计算可知，内排土场边坡高度在120 m 情况下，Fs=1.0 极限平衡（1.002）条件下，确定极限平盘宽度为30 m，说明内排土场边坡高度在0～120 m范围内，内排土场排土平盘宽度不小于30 m，才能确保内排场边坡稳定系数大于1；内排土场边坡高度在120 m 情况下，Fs=1.2 储备系数（1.2）条件下，确定极限平盘宽度为50 m，说明内排土场边坡高度在0～120 m 范围内，内排土场排土平盘宽度不小于50 m，才能确保内排场边坡稳定系数大于1.2；通过以上2 种边坡稳定情况分析，在内排土场高度在120 m、排土台阶高度24 m、台阶坡面角35°情况下，确定排土平盘宽度在30～50 m 范围内为最优平盘宽度，内排土场边坡角在18°～22°，既能保证安全需要，又可以有效控制成本。

2.2 216 m 内排边坡形态优化

按照内排土场排土的参数，排土台阶高度为24 m、台阶坡面角为35°，研究了排弃高度216 m 情况下满足安全储备系数Fs=1.2 及极限平衡状态下Fs=1.0 内排土场态参数，排弃高度216 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果如图3。

2.3 336 m 内排边坡形态优化

按照内排土场排土参数，排土台阶高度24 m、台阶坡面角35°，研究了排弃高度336 m 情况下满足安全储备系数Fs=1.2 及极限平衡状态下Fs=1.0内排土场形态参数，排弃高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果如图4。

图3 排弃高度216m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果

图4 排弃高度336 m、Fs=1.2 和Fs=1.0 下内排土场边坡稳定性计算与形态参数结果

3 排弃高度与边坡角和平盘宽度的关系

通过SLOPE/W 软件中刚体极限平衡法计算可知，内排土场边坡高度分别在120、216、336 m 情况，Fs=1.0 极限平衡条件下，确定极限平盘宽度为分别为30、38、46 m，说明内排土场边坡高度在不大于120、216、336 m 范围内，内排土场排土平盘宽度不小于30、38、46 m。Fs=1.2 极限平衡条件下，确定极限平盘宽度为分别为50、55、60 m，说明内排土场边坡高度在不大于120、216、336 m 范围内，内排土场排土平盘宽度不小于50、55、60 m。通过以上2 种边坡稳定情况分析，在内排土场高度在120、216、336 m，排土台阶高度24 m，台阶坡面角35°情况下，确定最优排弃平盘宽度分别为30～50 m、38～55 m 及46～60 m，确定内排土场最优边坡角在15°～18°、18°～20°、18°～22°之间，既能保证安全需要，又可以有效控制成本，内排土场排弃高度与边坡角和平盘宽度的关系图如图5。

图5 内排土场排弃高度与边坡角和平盘宽度的关系图

4 结语

1）内排土场物料主要由松散岩体组成，且基底无软弱层，通过模型模拟分析，排土场失稳模式为圆弧形滑动。

2）随着排土场排弃高度增加，稳定边坡角度相应减低，平盘宽度相应的增加，说明排土场滑坡因素主要受边坡高度、边坡角大小和平盘宽度控制。

3）通过满足安全储备系数Fs=1.2 及极限平衡状态下Fs=1.0 内排土场稳定系数，在内排土场高度在120、216、336 m，排土台阶高度24 m，台阶坡面角35°情况下，确定最优排弃平盘宽度分别为50、55、60 m，确定内排土场最优边坡角为18°、20°、22°，既能保证安全需要，又可以有效控制成本。