露天煤矿外排土场分布对复合边坡稳定性的影响

2024-03-13董蒙蒙

露天采矿技术 2024年1期

董蒙蒙

（新疆天池能源有限责任公司，新疆昌吉 831100）

露天矿在开采过程中，开挖原始地层并堆置剥离物料，形成了形态各异、数量众多的采场及排土场边坡[1]。边坡稳定性一直是露天矿山开采过程中最大的安全隐患。随着露天开采规模的不断扩大，矿坑深度不断加大，暴露时间增加，排土场高度也随之加大[2]。在露天矿边坡暴露高度与时间增加背景下，由采场及排土场组成的复合边坡稳定性面临严峻挑战[3]。

国内外许多专家学者对露天矿采场-外排土场复合边坡稳定性进行了研究。李广贺等[4]针对顺倾软岩复合边坡，采用3Dmine-Rhino-FLAC3D耦合建模得到了复合边坡黏土层为底界面逐渐过渡到以弱层为底界面的切层-顺层滑动的滑坡机理；谷运峰[5]以内蒙古某露天矿为研究对象，研究高排土场下露天矿采场的稳定特性，得出了该矿排土场为100 m 时开始影响露天矿边坡的安全；郭海棣等[6]基于有限元强度折减法对东明矿西帮复合边坡进行分析，揭示了上部圆弧滑动下部坐落滑移的滑坡模式，并阐述了压脚变形控制技术的作用；蒋宝林等[7]针对松散富水复合边坡，运用了边坡雷达、GNSS、人工监测等多种手段，探究了此类复合边坡的变形规律及促进因素，综上所述，采场-排土场复合边坡稳定性为矿山的重要研究方向，具有重要的研究意义[8]。

为此，以新疆某大型露天煤矿为研究对象，对复合边坡排土场-采场内部应力分布进行理论分析，研究复合边坡的应力边坡特征和边坡稳定特性；阐述了外排土场不同分布情况下的“压力推移”作用，确定了该矿山的采场-排土场安全距离。

1 工程概况

露天矿位于准噶尔盆地东南，地貌为较为平坦的戈壁，局部为雅丹地貌。煤矿所在地属大陆干旱荒漠气候，年温差和昼夜温差较大。平均年降水量193.2 mm，年平均蒸发量1 838 mm，全年日照3 053 h，5—8 月偶有雷阵雨。

外排土场位于矿北帮采场边坡上方，通过北帮外排土场基底工程勘察，对现场岩心的鉴定和岩（土）试验数据分析，确定外排土场边坡岩上体发育一种类型软弱层，即为第四系全新统（Q4）冲积、洪积风积层底部黄土。砂质黏土、砾石、细砂、砂砾层、风成砂土及其与下伏砂岩、炭质泥岩、泥岩的接触面。该矿处于基建期，已出现的不良地质现象较少。其中矿坑北帮边坡现有1 处垮塌体。现场踏勘显示，垮塌区顶部层状结构明显，垮塌体内部为湿润黏土岩，矿山北帮局部滑塌体。

边坡岩土体物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

2 复合边坡破坏机理与滑动理论模型

2.1 复合边坡破坏机理

露天矿在进行外排土场选择时需考虑运距、征地、边坡稳定性和环境等诸多因素，在外排土场位置选择中，采场与外排土场组成的复合边坡的结构稳定性受外排土场位置影响显著。当采场与外排土场间留有充足的安全距离时，复合边坡稳定性较高，但随之提升的剥离物运距则会使得矿山开采成本大幅上升，且会大大增加矿区的占地面积，增加征地难度与费用[9]。

露天开采及排土场堆置过程形成了复合边坡，对于此类边坡，矿山的开采过程实质上就是边坡岩体水平应力的卸载过程，而排土场堆置过程实际上为剥离物料的竖直应力逐渐加载过程。伴随着水平应力的卸载和竖直应力逐渐加载的双重作用，复合边坡内部经历了复杂且剧烈的应力动态平衡变化过程，易发生边坡应力集中及坡角破坏现象。且随着开采深度的增加和沿帮排土场高度的增大，边坡破坏概率增加，且边坡破坏时应力和破坏程度会随之加剧[10]。露天矿排土场-采场复合边坡内部应力分布如图1。

图1 露天矿排土场-采场复合边坡内部应力分布

矿山开采和排土场堆置后，从边坡临空面向坡体内部逐渐形成了径向加载区（破碎区）Ⅲ、轴向加载区（过渡区）Ⅱ及原岩应力区Ⅰ。在距离边坡临空面较远的原岩应力区，边坡岩体的应力变化较小处于多向受力状态，该区域岩体受卸荷和加载影响很小，基本与未受开采及排土扰动的岩体受力相同。在中间区域水平应力开始减小，竖直应力开始增加，边坡岩体向准三向应力状态转移。当靠近边坡临空面时侧向约束瞬间释放，水平应力几乎为0，边坡岩体近似为单向受力。可见，矿山开采及外排土场堆置引起的边坡内部岩体应力重分布是边坡失稳的主要原因[11]。此类复合边坡的破坏机理为：受开采卸荷和排土加载双重作用，边坡应力进行重分布；采场边坡在上部荷载高应力状态下径向卸荷区产生裂缝并持续发育至贯通，当采场边坡发生滑动破坏后；牵连上部排土场同时滑坡，形成采场-排土场复合破坏模式[12]。

2.2 复合边坡滑动理论模型

露天矿排土场-采场复合边坡理论模型如图2。

图2 露天矿排土场-采场复合边坡理论模型

在采场边坡上部沿帮排土场影响下，复合边坡滑动理论模型主要分为外排土场和采场2 部分。受露天矿开采卸荷和排土场堆置双重作用，复合边坡内部为竖直加载和水平卸荷共同作用的复杂状态，复合边坡的破坏模式往往为排土场区域呈现竖直向的圆弧状滑动面，而采场边坡区域的破坏模型往往为平面滑动。

采场安全系数Fs如下：

式中：Fs为采场边坡的安全系数；W 为采场边坡滑体的重力，N；β 为采场边坡最危险滑面的角度，（°）；φ 为采场边坡岩体的内摩擦角，（°）；c 为采场边坡最危险滑面的黏聚力，N/m；H 为采场边坡最危险滑面的高度，m。

外排土场与采场间的安全距离为d，在进行外排作业后，采场-外排土场复合边坡分为d＝0 和d≠0 2 种情况。当d＝0 时，采场上部外排土场对下部采场最危险滑面产生的压力为p；当d≠0 时，压力p′＝p-dhρg，进而可知露天矿采场-外排土场复合边坡安全稳定系数Fs为：

式中：d 为采场-排土场间的距离，m；p 为复合边坡外排土场对采场滑体产生的压力，N；h 为外排土场高度，m；ρ 为排土场岩土体密度，t/m3。

由采场-外排土场复合边坡安全稳定系数计算公式可知，外排土场的存在对下部采场边坡产生了p′的压力，这部分压力降低了复合边坡的稳定性。从式（2）可知，可以通过增加采场-排土场间的距离d来减小压力值p′。这主要是由于采场-排土场间的距离d 增加会大幅提升最危险滑面黏聚力所发挥的抗滑作用在安全稳定系数计算中的所占比例。当边坡超过极限状态发生滑坡时，外排土场的存在会进一步增加复合边坡的破坏程度。采场-排土场复合边坡呈现出“悬臂梁”结构，排土场区域呈现竖直向的圆弧状滑动面，采场边坡区域的破坏模型往往为平面滑动的复合边坡的破坏模式，决定了滑坡时外排土场竖直的滑面会使得最危险滑面的下滑力远大于抗滑力，进一步降低了复合边坡的整体稳定性。

3 复合边坡数值模拟

该矿北帮复合边坡处，赋存有大量烧变岩破碎带，火烧区集中在矿田的北部，煤层顶底板及围岩经火烧烘烤，改变了原岩的性质，成为坚硬、破碎、裂隙及孔隙发育的烧变岩。除此之外，采场边坡地层包含有粗砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、碳质泥岩、细砂岩和煤。复合边坡数值计算模型如图3。

图3 复合边坡数值计算模型

本次对该矿外排土场分布进行数值计算，分别建立了外排土场距离采场顶部距离为100、200、300 m 的3 个复合边坡数值计算模型。

采场-排土场不同距离对应的复合边坡临空面位移如图4，采场-排土场不同距离所对应的边坡安全系数见表2。采场-排土场不同距离对应的复合边坡破坏时临空面位移如图5，采场-排土场不同距离对应的复合边坡破坏时最大剪应变增量如图6。

图4 采场-排土场不同距离对应的复合边坡临空面位移

图5 采场-排土场不同距离对应的复合边坡破坏时临空面位移

图6 采场-排土场不同距离对应的复合边坡破坏时最大剪应变增量

表2 采场-排土场不同距离所对应的边坡安全系数

由图4 可知：随着采场边坡与排土场距离的增加，边坡的变形量在明显减小；当距离为100 m 时，边坡变形范围为采场及排土场整个范围，外排土场压力作用显著，边坡整体呈现出复合滑坡的变形特征，最大位移量为0.536 m；随着外排土场与采场距离的增加，外排土场“压力推移”对采场边坡效应减弱，边坡破坏主要为采场边坡的自身滑坡；当距离增加至300 m 时，整个复合边坡模型内部最大位移位于外排土场下部，这是由于外排土场自身的岩土压力形成的，基本不会对采场边坡稳定性形成影响，变形量也仅有0.139 m，与距离为100 m 模型相比大幅下降。

由表2 可知：采场及排土场距离为100 m 时，边坡稳定系数为0.98，边坡具有滑坡隐患；边坡稳定系数随着外排土场与采场距离的增加，当距离增加到200 m 时，边坡稳定系数增加至1.19；当距离增加至300 m 时，稳定系数为1.44，边坡处于稳定状态。

由图5 可知：随着距离的增加，复合边坡变形范围不断减小，位移量也逐渐降低；距离为100 m 时，边坡破坏时最大位移为8.823 m，边坡位移量集中在采场及排土场边坡，复合边坡整体出现较大位移，外排土场有明显的“压力推移”效应；当距离增加至200 m 时，最大位移量降至7.210 m，但外排土场仍出现了一定程度的边坡位移，外排土场“压力推移”效应减弱但仍然存在；当距离增加至300 m 时，边坡位移量进一步降低，位移也仅出现在采场边坡，排土场的存在对采场边坡几乎无影响。

由图6 可知：当距离为100 m 时，受排土场“压力推移”效应影响，最大剪应变增量分布于采场与排土场整个复合边坡内部，呈圆弧状的复合边坡滑坡模式；当距离增加至200 m 和300 m 时，边坡发生破坏时就仅表现为采场边坡的圆弧滑动。