倾斜基底排土稳定分析及边坡角优化

2023-12-25钟晓勇王志权

露天采矿技术 2023年6期

白宇，闫杰，钟晓勇，王志权

（1.国能新疆托克逊能源有限责任公司，新疆托克逊 838000；2.内蒙古平西白音华煤业有限责任公司，内蒙古锡林郭勒 026200；3.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；4.呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古海拉尔 021000；5.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；6.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺 113122）

露天矿生产中需要大量排土场，倾斜露天煤矿为减少土地占用和缩短剥离运距，面临顺倾基底排土作业安全问题。排土场边坡的稳定性与排弃物料性质、基底岩土体性质、边坡形态等因素有关外。基底倾向与排土场边坡倾向一致时，形成顺倾边坡，将对排土场稳定与安全造成重大隐患，是影响稳定性重要因素[1-2]。学者们针对排土场排土极限与增高研究方面开展大量研究工作。王胜[3]以吉朗德露天矿为例，分析了顺倾层状边坡稳定性；张信等[4]基于有限元强度折减方法，对顺倾软弱基底边坡进行了稳定性分析；陈立云等[5]以胜利西二号露天矿为研究背景，对倾斜基底排土场边坡稳定性进行了预测；曹兰柱等[6]研究了软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理与基底倾角对稳定系数变化规律。因此，如何保障倾斜基底排土场边坡稳定性及排土场最终形态，具有重要的工程实际意义。

基于此，以神新黑山露天煤矿为研究背景，针对顺倾基底排土设计与边坡安全问题开展研究[7-12]，分析了顺倾基底排土场滑动模式，确定了排土场最优边坡角及最终排土参数的留设方法；研究结果为顺倾基底排土设计及边坡安全提供借鉴。

1 黑山露天煤矿内排基底岩土体特征

黑山露天煤矿地表开采设计境界东西长13.57～19.29 km，南北宽1.37～3.21 km，地表面积41.64 km2；深部东西长9.70～14.00 km，南北宽0.56～1.60 km，开采深度50～630 m。矿区位于南倾的单斜构造区域，地层倾向185°，倾角13°～25°，为典型倾斜煤层矿山。首采区由北向南开采，南帮为工作帮，东西帮为端帮，北帮为非工作帮，剥离及采煤台阶高度15 m，运输道路宽度为18 m。矿区含煤煤层为中侏罗统西山窑组（J2x），该地层含煤15 层，主采煤层从上向下为9＃、11＃和13－2＃煤层。

1.1 倾斜基底工程地质条件

首采区北帮最高点为＋2 742 m 水平，从＋2 565 m 水平以上为烧变岩边坡，曾出现烧变岩整体滑动变形，边坡削坡处理后，存在局部单台阶片帮现象。＋2 565 m 水平以下为正常地层，13－2＃煤层直接底板为坚硬的厚层砂岩，基底岩性为中、细砂岩为主，根据13－2＃煤底板0～100 m 地层勘查资料统计，底板以下地层分为3 组：①上部：13－2＃煤底板以砂岩为主，局部区域砂岩剥离显露泥岩层，该段夹3～4组泥岩层，泥岩最厚约为6 m 左右，该区段层厚约为25～36 m；②中部：泥岩砂岩互层组，以泥岩与砂岩主要，砂岩中主要为中砂岩－细砂岩，该组层厚约为17～28 m；③下部：粗砂岩与泥岩互层组，顶部为粗砂岩，中部砂岩以中细砂岩为主，深部为粗砂岩，中部夹泥岩层组，泥岩一般厚度为4 m 左右，该组为主要含水层。

在底板以下30 m 内未发现稳定存在的弱层和不良地质条件。

1.2 水文地质条件

北帮地层单斜构造，南侧为矿坑，北侧和东侧为自然边坡，西侧为火烧岩山体，存在大量烧变岩。边坡烧变岩体裂隙发育，透水性较好，大气降水及冰雪融化在烧变岩区域形成补给源，裂隙水在重力作用下，沿地层形成顺倾补给。补给通道为西侧火烧岩与矿坑采取坡面。根据矿区地下水位观测资料，在6—7 月丰水期，地下水埋深在倾斜基底深部30.2～93.8 m，靠近边坡上部埋深较深，边坡下部埋深较浅。

2 倾斜排土变形机理与稳定系数

2.1 倾斜排土破坏机理

露天矿排土场为剥离散体物料堆积形成，倾斜基底排土时散体物料堆与基底坚硬岩层构成典型的二元结构。排弃物料在自重作用下沿顺倾基底发生变形，基底倾向改变了堆积体的受力状态，排土斜面上正压力和下滑力均表现为中部高两端低的状态。倾斜基底单段排土时基底受力特征如图1。

图1 倾斜基底单段排土时基底受力特征

倾斜基底内排土场潜在滑坡模式分为3 种：排弃物内部滑动型、沿倾斜基底滑动型、底板基底的深部复合滑面滑动型。

1）排弃物料内部滑动型。指滑坡发生在排弃物料内部，在排土段高达到一定高度后，排弃物料在自重作用下，在坡顶排土较厚区域形成沉降变形，在台阶区域出现的裂缝，滑动位置出现在排弃物料内部，滑动模式为圆弧型滑动。

2）沿倾斜基底滑动型。其主要因素为基底层面在地下水或扰动作用下，排弃物料基底下滑力超过基底的嵌固咬合力时，易沿物料与基底接触面滑坡，其后缘一般发生在排弃物料内部，以圆弧型为主，滑动面中部及下部沿基底层面滑动。

3）基底深部滑动型。是指排土场因地基承载力不足形成的沿深部基底滑动，主要因素为地下水水、排土超限制或边坡过陡等导致的深层地基滑坡，其特点是沿深部基底破坏，滑动面切入排土场地基内产生的滑坡。沿基底弱层滑动时，滑动模式以“坐落滑移式”为主，其主要受弱层控制，既在排弃物料内部以圆弧型为主，在基底内部沿弱层面滑动，并在坡角处剪出，其滑动面是由软弱层面和切层部分的圆弧面组成的复合滑动形式。

因此，倾斜基底排土时易在坡顶区域形成变形区域，同时外部因素作用下易形成沿基底面的滑动与深部滑动模式。

2.2 倾斜排土安全储备系数

极限平衡分析方法对边坡安全评价中，安全储备系数或稳定系数是分析重要定量参数，它直接关系到设计边坡的经济性与安全性。《煤炭工业露天矿设计规范》6.0.8 条规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围。黑山露天煤矿现状坑底标高＋2 355 m 水平，若在＋2 355 m 水平开始内排作业，排弃至地表封闭圈标高＋2 550 m 水平，将形成13 级台阶的排土场，高度为195 m；同时，矿区设计采深为＋2 130 m 水平，未来排土场下部需要再降低225 m。因此，针对倾斜基底排土场与边坡重要程度，倾斜基底上部排土时安全储备系数为1.3（≥10 年）。

3 倾斜基底排土稳定性

黑山露天煤矿排土场坡面安息角为31°～34°，排弃物料黏聚力为14 kPa，摩擦角为24.3°排土基底地层倾角为15°，直接基底为厚层砂岩。采取同层排弃方式，单台阶排土高度为15 m，倾斜基底区域可采用单台阶排土或组合台阶排土方案。稳定性分析中选取的极限平衡方法为Morgenstern－Price（摩根斯坦－普拉斯法）。

3.1 单台阶与组合台阶排土稳定性

单台阶排弃高度为15 m 时稳定系数为1.340，上部平盘宽度为33.74 m，其平盘安全距离远大于矿区最小运输平盘宽度18 m；同时，15 m 单台阶排土时稳定性大于1.3，稳定系数冗余度较大，存在较大的浪费空间。排弃高度为30 m 时稳定系数为1.091，边坡稳定系数小于1.1，台阶处于自稳状态，易在台阶边缘形成滑动变形区，存在局部塌滑风险。单台阶排土模型及计算结果如图2。

图2 单台阶排土模型及计算结果

根据内排单台阶高度稳定与道路宽度分析，分析2 级15 m 组合排土台阶留设宽度为0、10、20、30 m 时，组合台阶的稳定性，2 级台阶组合排土稳定分析模型如图3，2 级组合台阶排土时稳定系数汇总见表1。

表1 2 级组合台阶排土时稳定系数汇总表

图3 2 级台阶组合排土稳定分析模型

随组合台阶安全距离增大，整体稳定性逐渐增大。排土台阶安全距离为10 m 时，两级台阶之间形成整体滑动，稳定性大于1.338。而安全距离为20 m时，形式单台阶滑动与两级台阶整体滑动，稳定系数均大于1.3。当安全距离达到30 m 时，仅出现局部台阶滑动，两级台阶之间未形成整体滑动模式。因此，通过两级组合台阶宽度分析可知，安全距离超过20 m 后，形成台阶之间的滑动形式，单台阶稳定系数大于1.3，且整体滑动稳定系数位1.829，可满足安全储备要求。

3.2 内排土场角度优化

露天煤矿现状坑底为标高＋2 355 m 水平，排弃至＋2 550 m 水平，可以形成13 级的内排土台阶。在北帮排土时需要选取合理的排土边坡角，设计的排土场边坡角从16°增加至23°，分析不同排土角度下边坡稳定系数的变化规律。内排土场排土边坡角优化模型如图4，内排土场排弃角度优化结果如图5。

图4 内排土场排土边坡角优化模型

图5 内排土场排弃角度优化结果

当内排土场排土角度大于21°时，整体滑动时稳定性小于1.3。由于深部煤层有15 个台阶未开采，为保障深部作业安全，内排土场最优边坡角不能超过21°。当深部煤层完全开采后，倾斜基底排土角度可提升至22°。

3.3 倾斜基底最终排土参数优化

倾斜基底排土场边坡角度整体优化研究单排土场边坡角度不超过21°，稳定性可以大于1.3，满足矿区安全生产要求。因此，根据排土边坡角度优化结果开展排土台阶参数设计，根据矿区道路通行要求设计为：①方案Ⅰ：排土场台阶宽度为30 m，排土场最终边坡角度为16.7°；②方案Ⅱ：排土场台阶宽度20 m，排土场最终边坡角度为20.2°。

内排土场2 种排土方案稳定系数汇总见表2，内排土场坡最终排土方案如图6。

表2 内排土场2 种排土方案稳定系数汇总表

图6 内排土场坡最终排土方案

当排土台阶安全宽度为30 m 时，排弃物料内部稳定系数为1.868；当20 m 宽度台阶排弃物料内部稳定系数为1.399。沿倾斜基底深部泥砂岩层组滑动时，稳定性大于排弃物料内部，因此，最终排土设计中需要重点关注排弃物料内部的滑动模式。

排土台阶安全距离越小，则边坡角度越大，排土场收纳能力越大；单位宽度排土场，排土台阶安全宽度为30 m 时较20 m 的方案将少排弃1.16 万m3的物料。黑山露天煤矿首采区北帮平均宽度为1.5 km，若选取30 m 的排土方案，稳定性较好，但将损失1 740 万m3的排土空间；若选取20 m 的排土方案，需要加强排土过程中现场安全管理，同时，加强排土场边坡监测及日常巡查，预防滑坡及变形发现。