露天煤矿外排土场边坡滑坡治理

乔东亮，张永贵，商启蒙，张冉昊，王智慧，段晓磊

（北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

露天矿排土场边坡稳定性是露天开采领域中重要的问题，随着露天矿产量规模的不断增大，排土场排弃容量增加，排弃高度加大，排土场边坡稳定性问题更为突出。魏家峁露天煤矿东一排土场于2015 年排弃到界停止使用。由于帮坡角较大及近几年的雨水浸泡、冲刷，东一排土场西南侧局部边坡出现冲沟、裂缝、管涌和片帮，有局部边坡滑坡的征兆[1]。该处边坡下部1060 平盘有1 条村民道路，常有村民和车辆经过，此处滑坡将掩埋村民道路，造成出行不便甚至是人身伤亡事故。村民道路紧临罐子沟河道，若滑坡方量大将堵塞罐子沟河道，影响露天煤矿发展和当地居民生活。所以治理魏家峁露天煤矿东一排土场边坡滑坡尤为必要[2]。

1 矿山概况

魏家峁露天煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗东部，是一座现代化大型露天煤矿，该矿一期设计规模6 Mt/a，二期规模为12 Mt/a，平均剥采比为7.04 m3/t。魏家峁露天矿是国内地形条件较复杂的露天煤矿。突出特点为黄土高原冲沟多、梁峁多[3]。魏家峁露天矿共设计了3 个外排土场，分别为东一、东二、西南外排土场。设计东一排土场最大帮坡角为18°，下部水平标高1 060 m，顶部水平标高1 220 m，总高程160 m，每个台阶高度20 m，自然安息角33°，每个台阶宽度为40 m。东一排土场最终帮坡角为19°，1060 台阶、1080 台阶、1100 台阶3 个台阶组成的局部帮坡角为33°。另外，排水系统不佳，边坡常年受到雨水冲刷，多个台阶形成了大小不一的冲沟，1060 平盘出现裂缝且平盘边缘沉降严重；1080平盘宽度窄、无反坡且已产生横向严重裂缝；3 个台阶不同程度存在坡面冲沟、片帮垮塌[4]。

2 边坡稳定性

2.1 影响因素

排土场边坡是由松散的土和岩石混合排弃后堆积形成，其稳定性不但受制于混合物料的强度和排弃后空间的分布规律，而且还受到排土场地地表斜率、场地基础岩土体抗剪强度、堆积坡度和高度、排弃岩土体的化学成分、水流渗透压力及动水压力等因素影响。东一外排土场边坡属典型的土质边坡，主要受载荷和降水影响[5]。

1）载荷影响。边坡的稳定性在一定程度上受到荷载的影响。东一外排土场失稳区涉及1060、1080、1100 3 个台阶。1060 台阶～1080 台阶高度约20 m，顶部平盘宽度7～11 m；1080 台阶～1100 台阶高度约20 m，顶部平盘宽度6～15 m；1100 台阶～1120 台阶高度约23 m，顶部平盘宽度68～84 m。1100 台阶～1120 台阶荷载较大，是造成排土场边坡失稳的重要因素之一[6]。

2）水的作用。水是影响边坡稳定的重要因素，排土场50 %以上滑坡受水流影响，大部分滑坡发生在雨后。边坡受到水的威胁主要表现在：岩石被软化、强度被降低，以及水产生的静水压力与动水压力对边坡作用。静水压力是饱水岩体受到浮力而产生浮重，减轻了边坡本身的质量，当边坡的稳定性不足以被边坡的自重维持时，边坡的稳定性就会下降，动水压力作为体积力是指岩石颗粒受到在流通过程中渗流水的渗透力的作用，动水压力的方向与流线方向平行，坡体的内部会因为常年的侵蚀和流动而被掏空，降低了边坡的稳定性，失稳现象容易发生[7]。

3）时间效应。露天矿边坡的变形和破坏大多与岩体中软弱夹层的时效蠕变特征有着较大的关系，其抗剪强度随时间的增加而降低。如剪力不超过层面的长期剪切强度时，边坡处于稳定状态；如剪力超过层面的长期抗剪强度时，边坡便发生不稳定蠕变，最后达到加速蠕变而发生滑坡。东一外排土场排弃到界已4 年，时间效应是影响其滑坡原因之一[8]。

2.2 稳定性系数

分析东一外排土场西南侧边坡工程地质条件，该处边坡排弃物料为松散黄土，边坡基底为原始沉积形成的第四系黄土，黄土下伏黏土层、泥岩层。计算所选取的物料力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数表

根据东一排土场工程地质模型，选取失稳区剖面进行数值分析。剖面计算模型沿边坡倾向长度为411 m，计算中排弃物料、黄土、泥岩和基底均采用摩尔库伦模型。

剖面上层为排弃物料，密度较大，中间层属于黄土层，底下夹杂1 层黏土层。边坡的塑性区主要分布在下伏黄土层以及排弃物料的坡面上，因排土场下伏黄土较厚，本身黄土的抗压力相对较小，与基底夹杂的黏土层抗滑力较弱，随着排弃堆载高度的增大，黄土基底发生沉降，造成此处坡面发生剪切破坏。计算中排弃物料、黄土、泥岩和基底均采用摩尔库伦模型计算，以利用FLAC3D软件模拟竖直张裂缝-近圆弧形破坏的边坡破坏模式进行计算论证，论证结果显示边坡整体稳定性系数FS＝1.39，满足规范要求。但边坡下部3 个台阶组成的局部边坡最危险滑面稳定性系数FS＝1.02，小于设计规范1.2～1.5 的边坡稳定性系数，边坡易沿原始沉积黄土层坡面发生剪切破坏，进而引起上部排弃形成的黄土台阶跟随滑动产生整体滑坡。

3 综合治理方案

综合考虑村民道路通行安全、减小边坡载荷、减少大气降水影响，经实地勘察，对于东一排土场滑坡采用村民道路改道、削坡减载、完善排水系统的综合治理方案。

3.1 村民道路改道

原村民路自西向东环绕东一排土场，从东一排土场最下部1 060 m 水平逐渐爬升至1 120 m 水平平盘，村民道路宽6 m。实地观测，偶有村民及车辆从下部经过，存在很大安全隐患。所以决定将原村民路进行改道处理。村民改道充分利用原有坡道和地形条件，根据现场实际情况定出改道后路线，改道后村民路长为1 000 m，路宽为6 m，从高危边坡西侧1 070 m 水平处利用原坡道折返至1 120 m 水平平盘，再经联络路、1120 平盘，最后于1120 平盘东侧与原村民路相接。改道所需坡度需填方8 940 m3。改道后村民路需用矸石铺垫、平整、碾压，砂石铺垫厚度0.7 m。同时，东一排土场入口经1100 平盘至新修村民路也需修1 条宽为6 m 道路，道路长度为1 300 m，砂石铺垫厚度0.7 m，也需用矸石铺垫、平整、碾压。2 条道路所需砂石量9 660 m3。总工程量1.86 万m3。

3.2 削坡减载

削坡减载措施综合考虑后续改路、削坡物料就近处理、已形成台阶坡底不动的原则，将1100 台阶～1120 台阶施工形成2 个10 m 高的台阶，形成的中间平盘标高为1 110 m 水平，形成的台阶坡面33°，削坡完成后1100 台阶～1110 台阶保留原剩余坡面。削坡总挖方量约6.2 万m3，挖方量用于连通南北2个1 120 m 水平平盘，运输距离100 m。连通段宽度30 m，基本实现挖填平衡，连通后道路需用设备推平碾压，削坡后台阶需用反铲刷坡[9]。

在边坡进行削坡减载后，整体边坡角由33°减小到25°，经过用FLAC3D软件进行验算，得到边坡稳定性系数由治理前的1.02 提高到1.22，满足露天矿设计规范中外排土场边坡稳定性系数的相关标准。

3.3 防治水措施

东一排土场排水系统不完善，常年受雨水冲刷，形成多条冲沟。东一排土场1160 台阶、1140 台阶、1120 台阶、1100 台阶、1080 台阶都有较大冲沟，有的台阶不止1 个冲沟。为避免发生失稳，防治水措施必不可少。

从经济有效的角度出发，先行填堵冲沟位置，再采用截堵措施。凡是有冲沟的地方全部进行回填，1160 平盘、1140 平盘、1120 平盘、1100 平盘、1080 平盘边缘做挡墙和反坡，平盘中间做围梗，平盘上修筑1 条道路方便绿化施工和边坡巡视。冲沟回填和围梗采用就地取土方式，填完冲沟需推平碾压，围埂需用铲斗拍压整形。

道路用砂石铺垫、平整、碾压，砂石来源于采场，砂石运输费用包含在剥离项目中。挡墙高度同原挡墙高度不低于1.5 m；平盘边缘反坡坡度3%～5%；围梗上顶宽度0.5 m，下底宽度1.5 m，高度0.5 m，围梗间距50 m，遇较窄平盘，可根据实际情况进行加密处理。计划冲沟填方5.13 万m3，围梗工程量为2 110 m3。平盘道路长3 807 m，宽6 m，厚0.45 m，工程量1.028 万m3。

通过东一外排土场西南侧边坡综合治理，提高了边坡稳定性，降低了边坡失稳风险，保障了下部行人车辆安全，消除了滑坡物料堵塞罐子沟河道的安全隐患。提高了村民道路的路面质量，方便了附近村民安全出行，企业在当地社会赢得了较好的口碑。同时，通过施工治理，排土场平台和边坡得到综合防治，水土流失得到有效控制，调水保土效益显著。

4 结语

对魏家峁露天煤矿东一外排土场西南侧边坡重要性进行了论述，计算了失稳边坡稳定性系数为1.02。通过分析此处边坡失稳的主要影响因素，针对性的采取了削坡减载、建立排水系统、村民路改道措施，将此区域边坡稳定性系数提高至1.22，提高了边坡稳定性，降低了边坡滑坡风险，同时，水土流失得到有效控制，调水保土效益显著。所采用的研究方法及所得结论对类似矿山到界外排土场失稳边坡治理有一定实践价值。