有限排土空间增高扩容及安全控制研究

杨海春，孙 宽，闫 杰，周 游

（1.中煤平朔集团 东露天矿，山西 朔州 036006；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.煤炭科学技术研究有限公司 安全分院，北京 100013）

排土场增高扩容可有效扩大其收纳能力，降低土地的占用量，进而减少运距节，降低运营成本。在保证边坡安全基础上，如何实现内排土场的增高扩容，进而发挥其最大经济效益，是排土场增高扩容的核心问题。苏文贤[1]在早期介绍了国外露天矿高台阶排土技术的发展，介绍了高台阶排土场变形特征及其控制方法;蔡明祥[2]分析了黑山露天煤矿北排土场变形模式，运用极限平衡法对增高扩容后方案进行稳定性计算，确定了合理的安全系数；王俊[3]和杨秀等[4]分别以安太堡露天矿南寺沟排土场扩容为例，分一样黄土基地的承载力特征与单台阶高度、边坡角与稳定性的关系；马明等[5]通过研究单台阶排土参数，提出了适合于排土场边坡参数的优化方法；孙家恺[6]通过分析黄土基底增高问题，研究了外排土场附加应力引起稳定性变化；罗怀廷等[7]和周永利[8]针对哈尔乌素露天煤矿内排土场增高问题，对基底工程地质勘察，确定了基底岩土体物理力学推荐指标，分析了扩容阶段存在的破坏模式及排土场承载高度与稳定性关系；李伟[9]运用数值模拟方法分析了阴湾排土场边坡变形破坏机理；张岩等[10]在工程与水文地质条件基础上，建立外排土场工程地质模型，采用数值分析和极限平衡分析方法，研究了排土场变形破坏模式及失稳机理，及边坡稳定性，提出了边坡变形破坏的防治措施。以上研究排土场边坡安全问题，使用数值模拟方法，分析排土场的破坏区域和变形规律，采用极限平衡计算方法，验算排土场稳定性规律；而对排土场基底承载能力控制下的排弃高度及变形特征未进行深入研究。为此，研究排土场第一级台阶高度与基底的承载能力关系特征、变形边界及安全系数选取原则，并结合现场实例，分析影响排土场的主要因素及排土安全控制技术。

2 基底承载力及排弃高度

1）基底承载力。基底承载力可由载荷试验或其他原位测试、公式计算，并结合工程实践经验等方法确定。岩石地基承载力标准值fa为：

式中：Frk为饱和单轴抗压强度标准值，kPa；ψr为折减系数，取值范围为0.5～0.1；fa为岩石地基承载力标准值，kPa。

2）排弃高度。内排土场安全主要由内排土场基底稳定性和排弃物料内部稳定性构成，在近水平露天矿山中，由于生产工艺特征，内排土场随采矿活动影响向前移动，形成移动式排土场。若按照“建筑地基基础设计规范”标准设计时，强度折减系数ψr为0.5，对应基底储备系数Kj为2，对于近水平动态变化的内排土场，存在选取保守问题。在露天煤矿相关规范中要求服务期限小于10 年内排土场边坡稳定K 为1.2，排土场位于基底上部。因此，考基底储备系数Kj选取应大于内排土场边坡稳定系数K，选取Kj为1.3，则折减系数ψr应为0.77，确定的地基承载力。由式（2）可以反算第一级台阶的许可排弃高度值h。

式中：r 为排弃物料密度，t/m3；h 为内排土场排弃高度，m。

3 工程实例

3.1 排土场工程现状

平朔东露天矿地层倾角2°～7°，属近水平露天矿山，采深200～220 m，最下层可采煤层底板标高为1 140 m，已实现全内排作业。内排土场基底主要为泥岩－砂岩互层组，煤层直接底板为泥岩层，厚约为5 m，其下为10 m 厚砂岩层。矿区工程地质模型图如图1。

图1 排土场工程地质模型图

排土场基底砂岩破坏荷载为89.754 MPa，黏聚力为3.11 MPa，摩擦角为33.7°，抗拉破坏荷载1.842 MPa，为内排土场主要持力层；煤层底板泥岩饱和抗压强度为2.50 MPa，属于软弱岩层。

矿区剥离岩体主要为泥岩与砂岩类，原岩经过爆破、采装、排弃等环节，排弃岩块尺寸一般分布在0.2 m3以下。矿区标准排弃高度30 m，排土平盘宽度40 m，按设计高度排土时，岩块分层不明显。

排土物料为松散岩体，安息角既为排气物料的摩擦角，通过测量坡堆角度可获取摩擦角强度。现场测量，排土场高段台阶高度为60～90 m，台阶角度为26°～38°，整体边坡角约为13°～16°左右。第1 级台阶高度91 m，第2 级台阶高度25 m，2 级台阶之间排土平盘台阶宽度仅为7 m，形成组合排土台阶。在冬季第2 级台阶保安平盘形成多条平行裂缝，分布位置主要位于排土台阶边缘、平盘中部及第3 级台阶下部，每段长度超过20 m，沿排土平盘裂缝宽度约25～30 cm 。

3.2 内排土场高段排土台阶稳定性

内排土场高段排土台阶稳定性分析如图2，排土场排弃物料密度2.04 t/m3，基底为泥岩层，软弱层，载荷强度2.50 MPa，由式（2）理论极限高度为：122.5 m。若基底安全系数选取为2 时，软岩基底对应排弃高度为61.25 m；安全系数设计为1.3 时，对应高度为94.2 m。现场排土第1 级台阶91 m，符合地基承载力验算要求。使用SLOPE 软件，采用极限平衡方法，对现状排土场边坡进行稳定性分析。分别模拟了现场边坡在第1 级台阶出现裂缝，第2 级台阶在中部和台阶最内侧区域形成裂缝时边坡的稳定性。现状边坡台阶上部出现裂缝边坡处于变形阶段，边坡稳定性系数选取在1.0～1.05。

图2 内排土场高段排土台阶稳定性分析

通过计算可知：第1 级台阶排弃物料内部滑动时稳定系数为1.039，处于变形阶段；第2 级台阶中部滑动时稳定性为1.054 处于滑动边缘；而第2 级台阶沿排土场中部-基底型滑动时稳定性为1.160，沿最内侧滑动时稳定性为1.120。内排土场边坡滑动时的主要滑动模式为排弃物料内部滑动型，沿基底滑动稳定系数大于排弃物料内部的滑动模式；同时，排弃物料滑弧随滑动面长度和埋深越深的增加，边坡稳定性越高。排土场变形主要为为排弃物料强度不足承担排土强度而诱发的排弃物料内部滑动，而裂缝主发生在冬季，因此，冬季气温降低影响了排弃物料摩擦角强度，致使排土场形成裂缝。

3.3 排土场单台阶增高分析

单台阶排弃段高为30、60、90、120 m 时，排弃物料内摩擦角从25°～35°过程中台阶排弃高度与内摩擦角之间的稳定性关系如图3。

图3 台阶高度与内摩擦角对应稳定性

由图3 可知：内摩擦角度相同时，排弃台阶越高，排土场稳定性越低；排弃台阶高度相等时，内摩擦角越小稳定性越低。单台阶高度和摩擦角与边坡安全系数构成单面函数。结合现场台阶边坡角26°～38°，单台阶排弃高度越小，台阶角度越大；矿区第1 级台阶排弃90 m 时，分析对应内摩擦角最小为28°以上。

排弃边坡角为25°、27°、29°、32°、35°时，单台阶高度与边坡角关系图如图4。由图4 可知：排弃角度相同时，单台阶排弃高度越高，则边坡稳定性越低；单台阶排弃高度相同时，台阶排弃角度越大稳定性越低。

图4 单台阶高度与边坡角关系图

排弃台阶由于坡面排弃物自锁，其稳定性为1.0；考虑矿区排弃设备为大型设备，考虑高段排土时设备安全作业问题，建议设备卸排区域稳定性应达到1.1 以上。通过台阶高度与坡面角度关系，可知单台阶在60 m 以下时，可以直接进行排土作业。在90 m 高段排土及以上排土时，排土场自锁边坡角为35°，卸排区域稳定性大于1.1 时对应角度为31.5°，即90 m 高段对于安全卸排距离为30 m。

因此，在高段排土时，为保证车辆及排土设备安全，建议排土留设卸安全距离，安全距离根据排土高度进行留设。

4 排土场稳定性安全控制方法

1）排土场基底处理。内排土为岩石基底，不存在松软土层问题，但由于爆破、车辆碾压及矿坑底部汇水坑等不利条件影响，破坏基底岩体的完整性，需要对基底进行清理。

2）高段排土禁止一坡到底。采用分层排弃。一坡到底排弃易形成岩块按照粒径分层，排弃物料形成不良土体，易形成不均匀沉降。采用分层排弃，逐层压实，减少岩块分层，减轻后期非均匀沉降。

3）控制排土推进强度。排土场在排弃初期形成较大沉降位移，每个分层台阶充分固结后，再进行增高排土。

4）排土场周围修筑排水系统。禁止在排土平台修建放水口。

5）坡脚修建防滚石挡墙，防止对下部作业设计及人员造成伤害。

6）加强排土场巡查及监测工作，出现变形及裂缝及时处理。

5 结语

1）通过研究地基承载力可以理论计算排土场高度。对平朔东露天矿内排土场增高进行了研究，基底承载力安全系数1.3 时，第1 级台阶排土高度94.2 m。

2）内排土场基底为11#煤底板岩层，地层为泥岩-砂岩互层组结构，内排土场直接基底为泥岩层，1 级、2 级组合台阶高度为116 m，现状排弃物料内部稳定性为1.054，而沿深部泥岩层滑动时稳定性为1.160。

3）以单台阶排弃高度为基础，分别研究了排弃物料摩擦角与单台阶坡面角与排弃高度的关系，确定了高段排土时，安全排土距离和排弃高度。