魏家峁露天煤矿内排土场增高扩容研究

曹殿华，张永贵，张晓波

（北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着征地政策逐步完善，征地贵、林草土手续多、用地耗时长严重影响各大露天煤矿正常生产，少征地可加快征地进度、降低征地费用，保证露天煤矿高效运转。据不完全统计，露天煤矿外排土场占地面积达到总占地面积1/2，露天煤矿科技研究学者及工程技术人员已将减少外排土场占用面积作为一项重要研究课题，因露天煤矿剥采比一定，总体剥离量不变，那么内排土场增高扩容研究就成为关键所在，也是未来应对征地问题的发展趋势。

国内安太堡、黑岱沟、哈尔乌素、黑山、河曲、金正泰等[1-8]露天煤矿对排土场扩容进行了不同角度不同程度的研究，并且在工程实践中取得良好效果，为企业带来巨大经济效益。位于黄土高原地区的魏家峁露天煤矿同样面临节约征地的问题，因此，针对魏家峁露天煤矿生产实际，将内排土场增高多少米、最终帮坡角提高多少度等问题的研究尤为必要且非常迫切[9-10]。

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，一期设计规模600 万t/a，二期设计规模1 200 万t/a，可采储量6.86 亿t，露天煤矿目前在首采区开采，整体向西南方向推进，已正常连续生产多年。露天煤矿自上而下为黄土层大部分布、红土层局部分布、砂岩泥岩全区分布、6#号煤层全区分布，煤层赋存平稳，地层倾角近水平，煤层倾角一般要小于2°，个别处小于3°～5°，含水层涌水量小，煤层底板工程地质条件好，随着工作帮的向前推进，内排土场逐步形成。

2012 年初步设计内排土场台阶参数如图1。根据2012 版魏家峁露天煤矿初步设计说明书，设计内排土场总高度200 m，总边坡角17°，最终排弃高度1 176 m 水平。排土台阶高度Hp为32 m，排土台阶坡面角αp为33°。排土带宽度Ap为20 m，道路外援挡土堆F 为13.5 m，路面宽度T 为28 m，大块滚动距离G 为26.5 m，道路平盘宽度Bo为68 m，最小工作平盘宽度Bmin为88 m。

图1 2012 年初步设计内排土场台阶参数

2 内排土稳定性影响因素

魏家峁露天煤矿潜在滑坡模式为圆弧型滑面和圆弧直线型滑面，排土场边坡稳定性受多种因素影响，分析主要因素才能确定排土场最大排弃高度。

1）基底承载力。基底承载力大小直接影响排土场高度，承载力不足排弃物料压入基底，当排弃物料压入到一定厚度时，容易发生周围底鼓现象。

2）排弃物料性质。岩石与黄土的黏聚力和内摩擦角不同，造成排弃物料抗剪强度不同，不同排弃物料同等排弃条件下边坡稳定情况不同。

3）水的作用。大部分滑坡发生在雨季，水体进入边坡竖向裂缝，土体的含水量或孔隙水压力增加，有效应力降低，导致土体抗剪强度降低，抗滑力减小，导致边坡失稳。

3 内排土场增高扩容方案

确定内排土场增高扩容方案应先确定内排土场最大排弃高度，然后通过不同单台阶高度与台阶坡面角、内排土场台阶高度与帮坡角列出增高扩容方案，再通过极限平衡法分析边坡稳定性进而确定最优内排土场增高扩容方案。

3.1 内排土场基底承载力

众所周知，基底承载力用表土抗剪强度或基底土相对压缩变形20 %表示，排土场边坡稳定应满足下式要求：

式中：ps为排土场上覆排弃物料主荷载，kPa；pu为地基极限载荷，kPa；fs为地基承载力储备系数。

式中：ρ 为排弃物料的密度，t/m3；h 为内排土场高度，m；g 为重力加速度，m/s2。

引用太沙基理论，计算土体限承载力pu：

对内排土场而言，可将上式简化为：

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式中：c 为排弃物料黏聚力，kPa；q 为基底埋深产生载荷，kPa；b 为基底宽度，m；Nc、Nγ为无量纲承载力因数，仅与内摩擦角有关。

魏家峁露天煤矿内排土场边坡稳定性储备系数要求大于1.2，内排土场基底以黏土岩、砂质泥岩为主，强度较高。以低洼处积水的不利假设为依据，内摩擦角定为20°，黏聚力定为0.5 t/m2，排弃土岩时下部80 m 为砂岩，上部为红土、黄土，经计算，内排土场最高增至300 m。

3.2 内排土场参数

3.2.1 单台阶段高与坡面角

单台阶段高越高，同等占地面积情况下，排土场容量越大；然高、超高台阶排土势必造成单台阶稳定性不够而片帮滑坡问题，所以单台阶段高应有1 个优选值。岩土物理力学性质不一，岩土单台阶段高也是不一致，砂岩内摩擦角25°，黏聚力120 kPa，密度2.6 t/m3；黄土内摩擦角24°，黏聚力25 kPa，密度1.93 t/m3。

魏家峁露天煤矿内排土场下部2 个台阶为岩石台阶，上部为黄土台阶，台阶高度均为32 m，坡面角为自然安息角33°，结合内排土场排弃实际情况和以往勘探报告，内排土场边坡较稳定。

调研鄂尔多斯周边露天煤矿，分析岩土力学性质，单台阶段高选用10、20、30、40 m 4 种方式，单台阶坡面角选用30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40° 10 种方式，对内排土场4 种段高与10种坡面角进行十字正交，计算得到的不同段高/不同单台阶坡面角计算结果，每种方案下的边坡稳定性系数见表1。

表1 不同段高/不同单台阶坡面角下边坡稳定性系数

由表1，根据魏家峁露天煤矿采排规划，内排土场边坡暴露时间短，按照边坡稳定系数要求，最大段高的合理区间为30～40 m，最大单台阶坡面角合理区间为30°～33°。因岩石台阶与黄土台阶黏聚力、内摩擦角不同，将岩石台阶段高定为32 m，黄土台阶段高定为16 m，台阶坡面角为自然安息角33°。

3.2.2 内排土场高度与帮坡角

内排土场容量不仅受单台阶高度影响，还与内排土场总高度相关。魏家峁露天煤矿目前排弃高度200 m，边坡角为17°，根据基底承载力计算可得极限最大高度为300 m。以20 m 为阶梯，最大排弃高度选用200、220、240、260、280、300 m 6 种方式。参照周边露天煤矿情况，帮坡角选用16°、17°、18°、19°、20°、21°、22° 7 种方式，对内排土场6 种最大排弃高度与7 种帮坡角进行十字正交，计算得到的不同排弃高度/不同整体帮坡角下边坡稳定性系数见表2。

由表2，根据内排土场边坡稳定性系数要求，结合魏家峁露天煤矿采排规划，最大排弃高度240 m、最终帮坡角18°较为合理，因内排土场单台阶高度为岩石32 m、黄土16 m，所以将排土场最大排弃高度定为232 m，最终排弃标高1 208 m 水平，最终帮坡角17°，内排土场容量增加6 500 万m3。

表2 不同排弃高度/不同整体帮坡角下边坡稳定性系数

3.3 内排土场边坡稳定措施

为确保内排土场增高扩容方案有效实施，根据煤矿生产实际，制定了内排土场边坡稳定的措施。

1）测定排弃物料的力学参数。内排前查清基底岩层的赋存状态及岩石物理力学性质，清除基底上不利于边坡稳定因素，对内排土场采取基底加固措施，对于不利汇水区域进行疏导引流，提前钻凿集水坑，防止边坡形成滑坡弱层。

2）严格按照设计台阶高度及排土顺序进行排弃。先排弃2 个岩石台阶增强承载力并提高导水性，内排土场排土工作面向坡顶线方向设置3%～5%的反坡，排土场沿排土工作线方向设置3‰的流水坡度，形成流水通道。

3）对内排土场到界边坡。重点边坡每隔200 m布设自动监测线，每条自监测线不低于3 个自动监测点，安排专人进行巡视，在春季解冻期、雨季或坡面上出现沉陷裂缝时加大巡查监测频率。

4）内排土场坚持到界一块复垦一块的原则。修筑网格围梗并种草绿化，利用植物措施防止水土流失，进而提高边坡稳定性。

5）定期对露天煤矿的排土场边坡进行边坡稳定性分析与评价。定期对露天煤矿的排土场边坡进行边坡稳定性验算，制定边坡滑预案并定期组织演练，提高全体应对突发边坡事故的应急处置能力。

4 结语

以降低外排土场用地面积为目的，以内排土场增高扩容为手段，分析了内排土场基底地质条件，内排土场排弃200 m 高度时边坡稳定且有余量，存在增高扩容的可能性。分析影响边坡稳定的因素，计算出基底最大承载力对应的极限排弃高度为300 m。采用十字正交法，研究了4 种单台阶段高、10 种边坡角组合方案下的边坡稳定性系数，确定岩石单台阶32 m、黄土台阶16 m、边坡角33°较为合理。采用十字正交法，研究了6 种最大排弃高度、7 种最终帮坡角组合方案下的边坡稳定性系数，确定最大排弃高度232 m，最终帮坡角17°。内排土场排弃高度增加32 m，排土容量增加6 500 万m3。