某露天矿东排土场边坡稳定性分析

张东旭

（1.中煤科工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）

露天开采作业条件好、效率高、安全性好，矿山的规模和数量逐年增加。外排土场是露天开采的必然产物，因其一般与采场毗邻，其稳定与否同时关系到排土与采剥作业人员与设备的安全，一直以来露天采矿行业的学者们对外排土场的研究都非常重视，其稳定性分析是我国露天开采与岩土工程领域研究的热点问题之一[1-6]。郑广斌等[7]利用极限平衡方法对排土场稳定性进行评价，提出增容方案及排土场稳定性防治措施；张子光等[8]运用基于极限平衡理论的Geo-studio 软件分析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；孙成亮[9]定量计算了外排土场边坡以及复合边坡的稳定性，确定了合理的到界边坡形态，运用FLAC3D软件对复合边坡的失稳过程进行了模拟分析，并揭示其滑坡机理；王东旭等[10]对外排土场与非工作帮组成的复合边坡进行了稳定性分析与计算，总结出边坡岩体的变形特点及破坏模式，提出了白音华三号露天矿非工作帮变形破坏的治理措施。整体上，以往对于排土场稳定性的研究主要有条分法和数值模拟2 类，尤其是二者相结合时，可发挥各自优势，获得比较满足的效果。某一大型露天矿山，废石排弃量大，对其稳定性状态进行科学分析，对于后续排土工程正常接续及保护作业人员设备安全，具有重要的现实意义。

1 工程地质背景

该露天矿目前有2 个外排土场，分别为东排土场和南排土场。其中东排土场排高约40 m、整体边坡角约12°；南排土场排高约25 m，整体边坡角度约17°。东排土场与南排土场设计排高均为75 m。主要研究对象为东排土场，东排土场基底主要为风蚀的风积、洪积地貌、裸露的基岩风化岩体；近地表以泥岩、砂质泥岩及煤为主，砂岩类次之组成的风化岩段，风化岩段之下为由煤岩交互岩段和烧变岩段组成，其中煤岩交互岩段岩性以粉砂岩、砂质泥岩及泥岩为主，次为中、细砂岩、粗砂岩，中砂岩、粗砂岩多为接触－孔隙式胶结类型，泥质胶结物，具颗粒支撑，大多疏松。强度指数6.99～44.18 MPa，平均14.47 MPa；75.8%的岩样天然抗压强度<15 MPa，饱和抗压强度＜10 MPa，软化系数基本<0.70。钻孔RQD 值0～75%的岩层占88.3%，岩体完整性为岩体破碎-岩体中等完整，局部地段砂岩的RQD 值可大于75%。烧变岩段多数层段岩石质量指标RQD 为0，岩心采取率较低；强度指数5.23～61.27 MPa，平均18.87 MPa；岩石物理力学试验天然状态抗压强度（下称天然抗压强度）0.5～80.9 MPa，平均29.25 MPa，饱和状态抗压强度（下称饱和抗压强度）1.5～61.6 MPa，但半数样品饱和后即碎，无法进行试验。该岩段岩石质量以极劣为主，岩体破碎，稳固性差。东排土场下部烧变岩段属富水性极强的含水层；又因其四周封闭、气候严重干旱、降雨稀少，补给来源缺乏，在充水影响的范围内，矿床属于水文地质条件中等，易于疏干。

综合来看，东排土场的工程地质条件为层状岩类中等-复杂型。东排土场的典型工程地质剖面如图1，东排土场边坡岩土体物理力学参数见表1。

图1 东排土场的典型地质剖面

表1 东排土场边坡岩土体物理力学参数

2 东排土场边坡稳定性

2.1 边坡破坏模式

按滑动面与基底面之间的位置关系，露天矿排土场边坡滑坡通常可分为基底以上滑动、沿基底滑动和基底滑动3 种。为精准确定潜在滑面的位置与形态，采用基于有限差分原理的大型岩土工程分析软件FLAC 对边坡稳定性进行了数值模拟研究。模型的四周边界施加水平约束，底部边界固定不动，顶部和坡面为自由边界；加载方式为重力加载。模拟过程中，采用Mohr-Coulomb 准则，以位移不收敛作为滑坡判据，同时考虑剪切和拉伸2 种破坏机制，通过分析模拟得到的位移云图、剪应变增量图和速度矢量场，获取东排土场的最危险滑坡模式，东排土场最终边坡数值模拟云图如图2。

图2 东排土场最终边坡数值模拟云图

数值模拟结果表明，东排土场边坡变形主要集中在排土场中部单台阶处，以单台阶“圆弧”滑坡为主，剪应力也集中在中部单台阶处。排弃物的松散程度和单台阶高度是边坡稳定性的控制因素。

2.2 边坡稳定性定量分析和计算方法

分析排土场稳定性研究的国内外现状可知，二维极限平衡法是目前应用最广泛、实用性最强的边坡稳定性计算方法。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。考虑到排土场最危险的滑坡模式为单台阶圆弧滑动，受基底影响是整体边坡也可能发生非规则曲面滑动，分别采用简化毕肖普法和Spencer 法，综合分析边坡的稳定性，选择专业软件Geo-slope 作为计算工具。现状边坡稳定性计算结果见表2。

表2 东排土场边坡稳定性计算结果

由表2 可知，当考虑单台阶发生圆弧滑动时，稳定系数大于1.2；当考虑排土场发生整体破坏时，稳定系数可达到1.5 以上，均可满足GB 50778—2012露天煤矿岩土工程勘察规范11.3.1 条关于边坡安全系数的规定，说明目前东排土场边坡角度及高度都小于设计值，边坡稳定性较好，满足排弃要求。由于东排土场整体边坡角较小，其稳定性相对较好。

3 排土场边坡防治措施

依据边坡稳定性分析结果可知，对于该露天矿东排土场边坡而言，可从以下几方面控制其稳定性：

1）采用分散排弃表土及强风化岩的方法，保持高台阶排土的稳定，雨季汛期控制排土物料中泥岩的含量不超过30%～40%，这样可避免排土堆中形成软弱界面及地下渗水隔断层产生滑坡的危险。

2）控制排土场外推进速度，给排土场一定的固结时间，以便增加排土堆场的抗压强度，采用多点排土或者交替排土，可以缓和这个矛盾。

3）排土场下部，以排弃大块岩石为主，增强排土场基底的抗剪强度，以提高整体边坡稳定性。

4 结语

1）东排土场边坡整体稳定性与单台阶稳定性均能满足安全要求，可继续按设计施工。

2）东排土场边坡最危险的破坏模式为单台阶“圆弧”滑坡，可通过分散排弃表土及强风化岩与控制排土场外推进速度等方式提高其局部稳定性。

3）随着排弃标高增大和边坡角加陡，东排土场边坡整体稳定性必然下降，可通过调整排土顺序，先抛弃大块岩石的方式来增强排土场基底的抗剪强度，以提高整体边坡稳定性。