新疆天池能源南露天煤矿高段排土场建设方案

董蒙蒙

（新疆天池能源有限责任公司 南露天煤矿，新疆 昌吉 831100）

排土场是露天煤矿重要组成部分[1]，近水平露天煤矿和横向开采的倾斜露天煤矿有在采场内部建立内排土场的条件，内排土场相对外排土场具有运距短、占地少等特点[2]，并可以在露天煤矿开采过程中起到对端帮的控制作用[3]，其建立对矿山具有积极意义。但露天煤矿内排土场排土重心往往低于工作帮剥离重心[4]，排弃过程存在物料下运问题，一般采场上部工作平盘工作线较长，剥离物料下运时折返次数少，视野开阔，运输过程中安全风险低。而采场下部工作平盘工作线短，运输过程中折返次数多，运输起点与终点高差大，存在较大安全隐患。因此，在排土场下部建立高段排土台阶在解决物料折返下运问题中有着重要意义，同时能够有效对排土容量提高。现有研究中，王光进[5]对德兴铜矿高台阶排土场展开研究，借助元胞自动机模拟了高台阶排土场的粒径分级的不均匀与随机性；田华[6]采用有限元模拟分析准东露天矿不同形态排土台阶最大安全高度；宋仁忠[7]根据排土场重塑特点对边坡进行分层，提高了排土场建模和稳定性评价准确度，得到潜在危险滑面整体向上部偏移的现象。现有研究中鲜有改变内排土场部分台阶最大排弃高度研究，主要受制于刚体极限平衡法和有限元法在散体边坡计算中的局限。为此，以新疆天池能源南露天煤矿内排土场高段排土场建设为背景，通过离散元数值模拟手段验证不同高段排土场建设方案下的边坡稳定性。

1 工程背景

天池能源南露天煤矿露天矿2019 年以前在首采区自北向南进行纵向开采，沿煤层底板降深，北帮为底帮、南帮为工作帮、东西两侧为端帮。2019 年底完成采区直角转向后，东帮缓帮为工作帮、南北两侧为端帮，在原西帮边坡建立内排土场。根据《新疆天池能源有限责任公司准东大井矿区南露天煤矿一期工程初步设计》中要求，西帮内排土场单台阶最大排弃高度为30 m，排土平盘宽度为75 m，物料自然安息角（即台阶坡面角）为33°。根据2020 年11 月验收图，内排土场最大排弃标高为565 m 水平，坑底为325 m 水平，坑底长度100 m，内排土场总高度240 m，边坡角15.23°，由7 个30 m 台阶、1 个15 m 台阶、1 个10～20 m 的台阶组成，其中10～20 m 台阶排土标高为340 m 水平，台阶高度伴随底板变化。南露天煤矿内排前后采场变化如图1。

2 试样力学参数

排土场是破碎颗粒在重力作用下胶结形成的散体边坡[8]，内部裂隙发育，离散元数值模拟方法能够很好体现这一特性。离散元基本思想和有限单元法相似，即先将研究对象视为由若干微小单元构成，再进行求解。但是离散元具有离散性，运动过程中，颗粒间允许接触与分离，单元间不要求满足几何连续和变形协调条件，适合大变形和非连续介质结构问题求解[9]。离散元求解时不需要假定本构关系，介质力学本构关系体现在颗粒间细观接触。颗粒间相互作用力满足力和位移关系，每个颗粒运动则根据所受不平衡力和不平衡力矩按牛顿第二运动定律确定。选用离散元作为排土场边坡数值模拟方法中，颗粒间接触选用线性接触黏结模型，离散元线性接触黏结模型与力学元件如图2。

采用离散元法进行边坡稳定性计算前需要对排土场物料进行物理力学试验，获得试样弹性模型、抗压强度等力学特性，而后通过模拟软件进行相同尺寸比例下的力学试验，还原实验室试验过程与应力-应变曲线，得到颗粒间细观参数：有效模量、刚度比、拉伸强度、剪切强度及摩擦系数。

实验室试验分为2 部分，单杠杆固结试验和无侧限抗压强度试验。单杠杆固结试验所选用WG-1型单杠杆固结仪，模具内径50 mm，对内排土场获取试料进行相似级配缩尺处理后进行分级加载固结试验，每级加载76 kPa，在试样不再产生沉降后加载下一级载荷，并保证试样在最大载荷加载的时间满足24 h。试验中最大载荷结合排土场现状分为9 级，这种方法的计算结果能够更贴合排土场现场情况[7]。以往测试中可得南露天煤矿排弃物料密度为1.98～2.21 g/cm3[10]，为简化试验设计，密度取为2.00 g/cm3，重力加速度取10 N/kg，固结试验中最大载荷以重塑压力600 kPa 作为分层依据，为细化计算结果将表层按600 kPa 分为3 层，排土场不同深度试样上覆载荷见表1。

表1 排土场不同深度试样上覆载荷

试样固结重塑后脱模并切削成高度100 mm 的标准试样，进行无侧限单轴抗压试验，试验选用WDW-300 型微机控制电子式万能试验机，以位移控制方式进行加载，试验速度0.5 mm/min，结束方式为9.5%应变率。数值模拟选用室内试验相同的加载速率和结束条件。通过室内试验与数值模拟得到试样力学参数，不同固结压力下土石混合体细观参数见表2。

表2 不同固结压力下土石混合体力学参数

3 西帮既有内排土场边坡稳定性分析

采用强度折减法对边坡安全稳定性系数进行计算，在离散元边坡模型中，影响稳定性的参数主要为颗粒间的拉伸强度、剪切强度与摩擦系数。同时折减这3 个参数直至边坡达到临界破坏状态，此时折减系数为边坡安全稳定系数。在边坡临界破坏状态判断中，离散元一般采用位移分析法[9]，通过累计位移确定边坡破坏程度。参考南露天煤矿一号边坡雷达对北帮相对固定的内排土场所设定报警阈值，将坡面速度超过0.005 m/h 作为内排土场失稳判据。西帮内排土场边坡稳定性计算如图3，内排土场边坡不同折减系数下各区域平均速度曲线如图4。

图4 内排土场边坡不同折减系数下各区域平均速度曲线

西帮内排土场边坡剖面中可得边坡共由9 种不同类型物料组成，西帮排土场边坡监测区域如图3（a）。通过强度折减法计算得到西帮排土场边坡的安全稳定系数为1.223，在折减系数为1.224 时计算得到位移云图如图3（b）。图3（b）中，边坡在565～460 m 水平排土台阶产生位移较大，在0.021～0.056 m之间。滑体后缘滑移，并从490 排土场的坡底处剪出，致使490 排土台阶出现小范围滑坡，坡脚处位移量为0.105～0.140 m。

由图4 可知，折减系数为1.223 时各区域平均速度在短暂增大后降低，在25 000 步时均小于0.005 m/h。折减系数为1.224 时，490 排土场平均速度在5 000～15 000 计算步长时出现小规模波动，表现出单台阶小规模滑坡特征。

4 西帮高段排土方案

西帮边坡经过稳定性计算后，进一步对排土场高段排土方案展开讨论，目前南露天煤矿剥离物下运高程一般在15～45 m。由于南露天煤矿在采区转向后对南端帮进行了靠帮开采，南端帮下部400、370 m 水平煤台阶被收为5 m 保安平盘，原经端帮运输的物料需从工作帮进行折返运输运往内排土场。结合露天矿2020—2021 年采排计划，得到工作帮400、385 m 水平台阶共有2.9 万m3物料需要以这种方式运往最下部340 排土台阶，下运高程分别为60 m 和45 m。同时采场下部空间有限，运输期间车辆面临重车下坡、视野受限、与运煤卡车交汇等问题，因此高段排土场建设首先要考虑如何降低安全风险。

根据矿山实际情况提出3 种高段排土方案：①方案1：建立370 m 水平45 m 排土场；②方案2：建立370 m 水平45 m 排土场后建立595～550 m 水平45 m 排土场；③方案3：建立370 m 水平45 m 排土场后建立580～550 m 水平30 m 排土场。方案1 用来降低矿山运输安全风险，方案2、方案3 用来提高南露天煤矿内排土场排土容量。

4.1 方案1

方案1 是在西帮边坡的模型的基础上，并段370、340 m 水平排土台阶，建立370 m 水平45 m 高段排土台阶。通过强度折减法计算得到方案1 工况下边坡安全稳定系数为1.216。方案1 中不同折减系数边坡位移云图如图5，方案1 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线如图6。

图5 方案1 中不同折减系数边坡位移云图

图6 方案1 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

不同折减系数下边坡位移云图的变化较为微小，均表现出边坡上部（565～520 排土台阶）位移较大，位移量在0.1～0.2 m。同时在460 m 水平排土台阶处有少数颗粒滚落至坡底，出现与未进行高段排土时西帮边坡类似的小范围滑坡。参考不同折减系数下各区域平均速度曲线同样得到：折减系数为1.216 时，各区域的边坡速度在2 500 步长之后收敛，平均速度曲线波动较小；折减系数为1.217 时，460 排土场平均速度在5 000 步长之后升高，表现出滑坡特征，平均速度最大为0.352 m/h。

4.2 方案2

在验证得到方案1 具有可行性后，方案2 提出建立595 m 水平45 m 排土台阶。通过计算得到方案2 工况下，边坡安全稳定系数为1.168。边坡在折减系数为1.169 时在595 m 水平排土台阶发生滑坡。方案2 中不同折减系数边坡位移云图如图7，方案2不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线如图8。

图7 方案2 中不同折减系数边坡位移云图

图8 方案2 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

由图7 可知，折减系数为1.168 时，边坡位移集中在0.02 以内，存在595 排土场坡顶为剪入口、400排土场坡脚为剪出口形成圆弧形滑坡运动趋势。折减系数为1.169 时，595 m 水平排土台阶发生滑坡，颗粒位移22.4～32 m，并有向520、490 排土场形成更大范围滑坡趋势。

由图8 可知，折减系数为1.168 时，边坡各区域速度曲线与之前类似，即在10 000 步长之前速度提高，此后开始收敛。折减系数为1.169 时，595 排土场坡面处速度在5 000 步长后不断提高，12 500 步长时达到最大值1 179 mm/h，550 m 水平排土台阶速度在7 500 步长后也开始增大，在18 700 步长时达到最大值236 mm/h。同时，520、490、460 m 水平排土台阶坡面速度均有一定提高，边坡呈整体滑动趋势。

4.3 方案3

方案3 是在方案2 基础上，将595 m 水平排土台阶由45 m 降低为30 m，由580 m 水平开始进行内排。计算得到安全稳定系数为1.209，边坡在折减系数为1.210 时580 排土场失稳，影响580、550 m水平与490 m 水平排土台阶，边坡破坏程度相比方案2 较小。方案3 在不同折减系数下的位移云图如图9。方案3 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线如图10。

图9 方案3 在不同折减系数下的位移云图

图10 方案3 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

方案3 中边坡在1.209 的折减系数下表现出稳定的特征。在折减系数为1.210 时，580 排土场首先出现失稳特征，平均速度曲线波动幅度较大，限制计算时间结束时速度仍在257 mm/h。同时，在计算过程中490 排土台阶速度在11 000 步长时也出现一定提高，剩余区域较1.209 折减系数时平均速度曲线提升较大。

4.4 3 种方案对比

对比3 种高段排土方案可知：方案1 中工作帮物料运输计算得到共节省运输费用20.4 万元，可在同年短期增大排土容量7 075 万m3，有效解决了采场下部重车下坡与车辆交汇问题；方案2 在方案1的基础上，得到595 m 水平排土台阶建成后预计在首采区可多容纳物料5.13 亿m3；方案3 在方案1 的基础上，得到580 m 水平排土台阶建成后预计在首采区可多容纳物料3.47 亿m3。

从安全与经济的角度出发，最终优选方案3 为高段排土场建设方案。

5 结语

1）通过离散元法对边坡稳定性计算，能够结合边坡雷达速度报警阈值来判定边坡失稳状态，边坡在失稳时速度曲线与稳定时差异较大，可通过此方法得到边坡的安全稳定系数。

2）现有西帮内排土场边坡安全稳定系数为1.223，建立370 m 水平45 m 排土台阶后安全稳定系数为1.216，在下部建立高段排土台阶对边坡整体稳定性影响较小。

3）结合西帮内排土场与3 种高段排土方案的滑坡位置与模式可得，滑坡范围集中在460 排土台阶上部，并在595 m 水平建立45 m 高段排土台阶后边坡有整体滑动趋势，边坡上部建立高段排土台阶对边坡整体稳定性影响较大。

4）高段排土方案中优选方案3 作为最终高段排土场建设方案，方案在下部建立高段排土台阶能够有效解决物料下运与卡车交汇问题，并在短期内提高内排土场容量，在上部建立30 m 排土台阶可以长期提高排土容量。