浅谈露天煤矿排土场边坡稳定性

董宝林 张立明

（吉林省工程技术有限公司，吉林 长春 130012）

1 岩土体物理力学指标

该露天煤矿排土场土层由第四系粉质粘土、砂、砾石组成。根据岩土性质，露天采掘场剥离物可分三层。上部为粉质粘土，厚度20m。中部为砂、砾石，厚度15m。下部为砂岩、泥岩、页岩，厚度65～85m。

根据《该露天煤矿水文地质、工程地质补充勘查报告》及岩土物理试验结果，岩土体物理力学指标详见表1。

表1 岩土体物理力学指标表

2 排土场边坡稳定性分析

2.1 排土场概况

2.1.1 外排土场概况

该露天煤矿外排土场分别为北东外排土场、北西外排土场。

2.1.1.1 北东外排土场

在西部首采区初始拉沟北部设置北东外排土场。北东外排土场占地面积19.30hm2，排弃高度35m，实方容量为3.05Mm3，排土场境界均距离露天矿北部境120m 以外。外排土场主要用于基建期、达产第1 年剥离物的外部排弃。

2.1.1.2 北西外排土场

北西外排土场位于西部首采区初始拉沟境界以外北西侧，占地面积18.30hm2，排弃高度40m，实方容量为3.35Mm3，排土场境界均距离露天矿北部境120m 以外。外排土场主要用于基建期、达产第1 年剥离物的外部排弃。

2.1.2 内排土场概况

根据开采进度计划和排土计划，露天矿达产第3 年即可具备完全内排条件，内排标高为+360～+370m，基本与地表保持相同高度。

2.2 排土场边坡稳定分析

2.2.1 计算方法的确定

本次分析采用Bishop 法，Bishop 法设滑面为圆弧面，安全系数表述为对滑面旋转中心的抗滑力矩与下滑力矩之比，每个分条都处于力的平衡状态。这一方法在求解安全系数时考虑了分条间力的作用。对于分条间的法向力虽然在安全系数的表达式中不存在，但它是在推导安全系数的过程中，通过平衡方程消去的。每个分条都满足力的平衡条件，整个滑体满足力矩的平衡条件，没有考虑单个分条力矩的平衡条件。由于分条间的剪力很难求得准确，所以从实用的观点出发，忽略了分条间剪力的作用，这就是Bishop 简化法。Bishop 法是按力矩定义的安全系数，在安全系数的表达式中，又消除了滑面旋转半径的影响。

计算公式如下：

式中：K-抗滑稳定安全系数；Wi-第i 条块重量(kN)；

Vi-第i 条块垂直向地震惯性力(V 向上时取负值，向下时取正值)(kN)；

Pi-作用于第i 条块的外力(不含坡外水压力)(kN)；

βi-第i 条块外力Pi 与水平面的夹角(以水平线为起始线，逆时针为正角，顺时针为负角)(°)；

αi-第i 条块底面与水平面的夹角(以水平线为起始线，逆时针为正角，顺时针为负角)(°)；

ui-第i 条块底面的单位孔隙压力(kN/m)；

bi-第i 条块宽度(m)；

ci、ψi-第i 条块底面的有效黏聚力(kPa)和内摩擦角(°)；

MQi-第i 条块水平向地震惯性力Qi对圆心的力矩(kN·m)；

Qi-第i 条块水平向地震惯性力(Qi方向与边坡滑动方向一致时取正值，反之取负值)(kN)；

hPi-第i 条块外力P 水平方向分力对圆心的力臂(m)；

R-滑动面圆弧半径(m)。

2.2.2 排土场边坡稳定计算

本次排土场边坡稳定性计算，通过slide 专业软件，结合排土场具体参数建立计算模型，通过计算机模拟，进行了上千次的搜索（计算机通过软件计算过程见图1）。报告中给出的计算结果是最危险的滑弧，也是安全系数最低的滑弧，具体结算结果如下：

图1 简化毕肖普法计算简图

图2 边坡软件分析过程中模拟搜索示意图

2.2.2.1 外排土场边坡稳定计算结果

经过计算，外排土场排弃最高度35～40m，边坡角18°～20°时，稳定系数为1.58，见图3。

图3 外排土场边坡计算结果图

2.2.2.2 内排土场边坡稳定计算结果

内排土场基底为采坑底部岩层，计算条件如下：

（1）排弃物料内摩擦角18°，凝聚力15kPa，容重18kN/m3；

（2）内排土边坡滑坡模式为圆弧式滑坡。

经过计算，内排土场排弃高度120m，边坡角17°时，稳定系数为1.249，见图4。

图4 内排土场边坡计算结果图

2.2.3 排土场边坡稳定性分析

根据《煤炭工业露天矿设计规范》，外排土场边坡稳定系数不小于1.2，内排土场边坡稳定性系数不小于1.2（服务年限小于10 年）。根据计算结果外排土场稳定性系数为1.58，内排土场稳定性系数为1.249，均大于《煤炭工业露天矿设计规范》规定数值。

3 结论及建议

3.1 结论

排土场边坡稳定性直接影响露天煤矿正常安全生产。本报告通过对矿山的地质条件进行了详细的分析，根据岩土体物理力学指标。通过边坡计算软件slide 进行计算分析得出排土场边坡计算结果图，通过进一步对结果图的分析得出以下结论：

该露天煤矿详细的地质资料及岩土体物理力学指标，为排土场的边坡稳定性分析提供了可靠的基础数据。

采用极限平衡方法计算排土场边坡稳定性，结果表明排土场边坡稳定性良好，可以确保安全生产。

3.2 建议

3.2.1 严格按《该露天煤矿初步设计》施工，在露天煤矿建设和生产过程中，排土场参数必须与设计保持一致。

3.2.2 在建设和生产过程中，如外排土量增加（在现有排土场地）或排土场内排条件发生变化时，需要对排土场边坡稳定性重新计算。

3.2.3 在建设和生产过程中，加强排土场边坡监测工作，确保边坡稳定持续性。