胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

對于近水平煤層露天煤礦，盡早實現(xiàn)內(nèi)排、盡可能地增大內(nèi)排量，是露天礦減少外排量和提高經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益的重要途徑。隨著露天礦降深不斷增大，對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的要求也日漸凸顯。同時，隨著工作幫的不斷推進(jìn)，在實現(xiàn)完全內(nèi)排前對內(nèi)排土場的排棄空間的要求也逐漸增大。因此，如何在保障安全、技術(shù)可行且滿足實際生產(chǎn)需求的前提下如何釋放出更大的排土空間成為迫切需要解決的問題。

20 世紀(jì)70 年代以來，很多學(xué)者結(jié)合已有土質(zhì)邊坡分析方法及土力學(xué)理論，對排土場邊坡的穩(wěn)定性展開了理論研究及實踐探索，宋子嶺等[1]以受到蘆子溝背斜構(gòu)造影響的安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡為研究對象，基于剛體極限平衡法，研究傾斜基底對邊坡穩(wěn)定性的影響，確定了內(nèi)排土場邊坡的滑坡模式是以危險圓弧為側(cè)界面、以基底為底界面的切層-順層滑動，背斜構(gòu)造導(dǎo)致的傾斜基底是邊坡穩(wěn)定性的控制因素；王思文等[2]于2013 年通過對不同壓幫狀態(tài)下的露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，基礎(chǔ)性的揭示了內(nèi)排臺階參數(shù)與端幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；1992 年周昌壽[3]對露天礦排土場邊坡的變形類型、穩(wěn)定性影響因素及滑坡防治措施進(jìn)行了分析和論述，并第一次指出了基于實踐的穩(wěn)定性分析的重要性；高猛[4]應(yīng)用Flac3D軟件對黑岱溝露天礦內(nèi)排土場邊坡建立數(shù)值模型并進(jìn)行安全性評價，確定了剪切應(yīng)力增大區(qū)以及可能出現(xiàn)的安全隱患；曹蘭柱等[5]于2018 年針對順傾軟弱基地內(nèi)排土場邊坡進(jìn)行研究，分析了內(nèi)排角度及內(nèi)排土場發(fā)展至不同工程位置對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，基礎(chǔ)性的揭示了內(nèi)排土場邊坡變形破壞特征，并設(shè)計了順傾軟弱基底內(nèi)排土場邊坡空間形態(tài)；丁鑫品[6]采用基底承載力分析與極限平衡分析相結(jié)合的方法，研究了背斜構(gòu)造影響下增高擴容方案的可行性；羅懷廷等[7]分析了內(nèi)排土場存在的安全隱患，研究了內(nèi)排土場承載高度與穩(wěn)定性關(guān)系，邊坡角與穩(wěn)定性關(guān)系。盡管國內(nèi)外學(xué)者對內(nèi)排土場邊坡在各種地質(zhì)、工程條件下的穩(wěn)定性以及對內(nèi)排空間形態(tài)進(jìn)行了大量的研究，但針對不同工程位置時排土參數(shù)優(yōu)化的研究相對較少。

1 工程地質(zhì)條件

白音華煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗白音華蘇木和哈日根臺蘇木。三號露天礦位于煤田中部。該礦地處內(nèi)蒙古高原大興安嶺南段北側(cè)。屬丘陵低山區(qū)，剝蝕堆積地形沖洪積平原，南西高北東低，煤田內(nèi)是地形平緩的草原、沼澤地形，兩者間的過渡帶是由剝蝕堆積和風(fēng)蝕形成的緩波狀丘陵[8]。巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2 排土場參數(shù)優(yōu)化

2.1 模型參數(shù)和工程位置

依據(jù)露天煤礦初步設(shè)計，剝采工程采用水平劃分臺階，露天礦南幫煤層露頭處拉溝，沿走向布置工作線，沿煤層傾向推進(jìn)。剝采參數(shù)見表2，排土參數(shù)見表3。

表2 剝采參數(shù)表

1）采場工程位置。均衡剝采比之后，尤其是達(dá)產(chǎn)期間內(nèi)的采煤量與剝離量一定，以通過調(diào)整開采參數(shù)和臺階工作線位置實現(xiàn)對工程位置狀態(tài)的調(diào)整，來滿足工程量的要求與保證[9]。得到達(dá)產(chǎn)后各個年末時所對應(yīng)的采場工程位置。

表3 排土參數(shù)表

2）內(nèi)排工程位置。由式（1）確定跟蹤距離Zmin＝60 m。

式中：Zmin為跟蹤距離，m；F 為大塊滾落寬度，取15 m；T 為道路寬度，取20 m；C 為安全距離，取25 m。

通過上述采場工作線推進(jìn)位置的確定，同時保證采場最下煤臺階與內(nèi)排土場最下排土臺階之間的跟蹤距離，對應(yīng)得到達(dá)產(chǎn)后各年末時內(nèi)排土場的工程位置。

2.2 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性

選取安全儲備系數(shù)為1.2。由原設(shè)計排土參數(shù)可知，邊坡角為11°，從11°開始計算，逐次加陡1°，并保證最上臺階排棄標(biāo)高達(dá)到＋990 m，同時，分別以達(dá)產(chǎn)期間每年末的工程位置為條件，對內(nèi)排土場不同邊坡形態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，列舉達(dá)產(chǎn)1 年末、達(dá)產(chǎn)3 年末、達(dá)產(chǎn)5 年末、達(dá)產(chǎn)7 年末、達(dá)產(chǎn)9 年末計算結(jié)果如圖1～圖3。

圖1 各邊坡角對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)隨推進(jìn)位置變化曲線

圖2 各位置穩(wěn)定系數(shù)隨邊坡角變化曲線

圖3 不同推進(jìn)位置時的穩(wěn)定性計算結(jié)果

隨著邊坡角的增大以及推進(jìn)位置的向前發(fā)展，內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性明顯降低，其中，邊坡角影響邊坡的穩(wěn)定性比推進(jìn)距離明顯[10]。通過對各個內(nèi)排土場工程位置時邊坡穩(wěn)定性分析研究，在保證邊坡穩(wěn)定性在安全需要的條件下，保持臺階高度、臺階坡面角與原設(shè)計中20 m、33°相同的條件下，達(dá)產(chǎn)1 年末到5 年末邊坡角為15°，平盤寬度為50 m 時，達(dá)產(chǎn)6年末到9 年末邊坡角為14°，平盤寬度為56 m 時，達(dá)產(chǎn)10 年末到15 a 末邊坡角為13°，平盤寬度為64 m 時，達(dá)產(chǎn)16 年末到18 年末邊坡角為12°，平盤寬度為70 m 時，達(dá)產(chǎn)19 年末到20 年末邊坡角為11°，平盤寬度為75 m 時，均達(dá)到安全儲備系數(shù)1.2的要求。根據(jù)式（2）可得滿足實際生產(chǎn)需求的最小工作平盤寬度Bmin=63 m。

式中：Bmin為最小排土工作平盤寬度，m；L1為安全寬度，取2 m；L2為料堆占用寬度，取6 m；L3為卡車長度，取12 m；L4為汽車回轉(zhuǎn)占用部分寬度，取8 m；L5為道路寬度，取20 m；G 為大塊滾落寬度，取15 m。

內(nèi)排土場優(yōu)化后排土參數(shù)見表4。

通過穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡角之間的關(guān)系曲線，定量描述了邊坡角對穩(wěn)定性的影響，同一推進(jìn)位置邊坡穩(wěn)定系數(shù)與邊坡角之間，基本成線性關(guān)系；通過穩(wěn)定性系數(shù)與推進(jìn)位置之間的關(guān)系曲線可知，同一邊坡角，隨著推進(jìn)位置的向前發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也明顯降低，但要比邊坡角提高穩(wěn)定性的效果差。

表4 內(nèi)排土場優(yōu)化后排土參數(shù)

3 優(yōu)化結(jié)果

達(dá)產(chǎn)期內(nèi)年和年新增內(nèi)排量為：

式中：VPm為年新增內(nèi)排容量，Mm3；LT為年推進(jìn)距離，m；h 為臺階高度，20 m；n 為臺階個數(shù)。

達(dá)產(chǎn)期內(nèi)年剝離松方量為：

式中：V＇ 為剝離松方量，Mm3；VBL為剝離量，Mm3；α 為松散系數(shù)，1.1。年剝離松方量和年新增內(nèi)排量表見表5。

將達(dá)產(chǎn)期間年剝離松方量與年新增內(nèi)排容量相比較，得到的年剝離松方量與年新增內(nèi)排容量關(guān)系曲線圖如圖4。

經(jīng)過對比分析可得，達(dá)產(chǎn)14 年末，新增內(nèi)排容量大于剝離物松方量，且此后年新增內(nèi)排容量均大于年剝離物松方量，因此，優(yōu)化后的排土參數(shù)可于達(dá)產(chǎn)14 年末實現(xiàn)完全內(nèi)排，相較于原設(shè)計排土參數(shù)，可提前1 年實現(xiàn)完全內(nèi)排。優(yōu)化后完全內(nèi)排時空間位置如圖5。

表5 年剝離松方量和年新增內(nèi)排量表

圖4 年剝離松方量與年新增內(nèi)排容量的關(guān)系曲線圖

圖5 優(yōu)化后完全內(nèi)排時空間位置

4 結(jié)語

1）建立了白音華三號露天煤礦三維地質(zhì)模型、剝采模型以及排土模型，確定了剝采工程位置，結(jié)合露天礦生產(chǎn)設(shè)備等因素確定了內(nèi)排跟蹤距離，進(jìn)而確定出內(nèi)排土工程位置，為研究提供了基礎(chǔ)。

2）確定在達(dá)產(chǎn)1～15 年期間，內(nèi)排土場邊坡角13°，平盤寬度64 m；達(dá)產(chǎn)16～18 年，內(nèi)排土場邊坡角12°，平盤寬度70 m；達(dá)產(chǎn)19～20 年，內(nèi)排土場邊坡角11°，平盤寬度75 m。

3）優(yōu)化后的排土參數(shù)可使完全實現(xiàn)內(nèi)排時間提前1 年。