魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場增高擴容研究

曹殿華，張永貴，張曉波

（北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著征地政策逐步完善，征地貴、林草土手續(xù)多、用地耗時長嚴重影響各大露天煤礦正常生產(chǎn)，少征地可加快征地進度、降低征地費用，保證露天煤礦高效運轉(zhuǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，露天煤礦外排土場占地面積達到總占地面積1/2，露天煤礦科技研究學(xué)者及工程技術(shù)人員已將減少外排土場占用面積作為一項重要研究課題，因露天煤礦剝采比一定，總體剝離量不變，那么內(nèi)排土場增高擴容研究就成為關(guān)鍵所在，也是未來應(yīng)對征地問題的發(fā)展趨勢。

國內(nèi)安太堡、黑岱溝、哈爾烏素、黑山、河曲、金正泰等[1-8]露天煤礦對排土場擴容進行了不同角度不同程度的研究，并且在工程實踐中取得良好效果，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益。位于黃土高原地區(qū)的魏家峁露天煤礦同樣面臨節(jié)約征地的問題，因此，針對魏家峁露天煤礦生產(chǎn)實際，將內(nèi)排土場增高多少米、最終幫坡角提高多少度等問題的研究尤為必要且非常迫切[9-10]。

1 礦山概況

魏家峁露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗東部，是一座現(xiàn)代化大型露天煤礦，一期設(shè)計規(guī)模600 萬t/a，二期設(shè)計規(guī)模1 200 萬t/a，可采儲量6.86 億t，露天煤礦目前在首采區(qū)開采，整體向西南方向推進，已正常連續(xù)生產(chǎn)多年。露天煤礦自上而下為黃土層大部分布、紅土層局部分布、砂巖泥巖全區(qū)分布、6#號煤層全區(qū)分布，煤層賦存平穩(wěn)，地層傾角近水平，煤層傾角一般要小于2°，個別處小于3°～5°，含水層涌水量小，煤層底板工程地質(zhì)條件好，隨著工作幫的向前推進，內(nèi)排土場逐步形成。

2012 年初步設(shè)計內(nèi)排土場臺階參數(shù)如圖1。根據(jù)2012 版魏家峁露天煤礦初步設(shè)計說明書，設(shè)計內(nèi)排土場總高度200 m，總邊坡角17°，最終排棄高度1 176 m 水平。排土臺階高度Hp為32 m，排土臺階坡面角αp為33°。排土帶寬度Ap為20 m，道路外援擋土堆F 為13.5 m，路面寬度T 為28 m，大塊滾動距離G 為26.5 m，道路平盤寬度Bo為68 m，最小工作平盤寬度Bmin為88 m。

圖1 2012 年初步設(shè)計內(nèi)排土場臺階參數(shù)

2 內(nèi)排土穩(wěn)定性影響因素

魏家峁露天煤礦潛在滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧直線型滑面，排土場邊坡穩(wěn)定性受多種因素影響，分析主要因素才能確定排土場最大排棄高度。

1）基底承載力?；壮休d力大小直接影響排土場高度，承載力不足排棄物料壓入基底，當排棄物料壓入到一定厚度時，容易發(fā)生周圍底鼓現(xiàn)象。

2）排棄物料性質(zhì)。巖石與黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角不同，造成排棄物料抗剪強度不同，不同排棄物料同等排棄條件下邊坡穩(wěn)定情況不同。

3）水的作用。大部分滑坡發(fā)生在雨季，水體進入邊坡豎向裂縫，土體的含水量或孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低，導(dǎo)致土體抗剪強度降低，抗滑力減小，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

3 內(nèi)排土場增高擴容方案

確定內(nèi)排土場增高擴容方案應(yīng)先確定內(nèi)排土場最大排棄高度，然后通過不同單臺階高度與臺階坡面角、內(nèi)排土場臺階高度與幫坡角列出增高擴容方案，再通過極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性進而確定最優(yōu)內(nèi)排土場增高擴容方案。

3.1 內(nèi)排土場基底承載力

眾所周知，基底承載力用表土抗剪強度或基底土相對壓縮變形20 %表示，排土場邊坡穩(wěn)定應(yīng)滿足下式要求：

式中：ps為排土場上覆排棄物料主荷載，kPa；pu為地基極限載荷，kPa；fs為地基承載力儲備系數(shù)。

式中：ρ 為排棄物料的密度，t/m3；h 為內(nèi)排土場高度，m；g 為重力加速度，m/s2。

引用太沙基理論，計算土體限承載力pu：

對內(nèi)排土場而言，可將上式簡化為：

對一些中外傳統(tǒng)節(jié)日的考查，一般會涉及節(jié)日舉辦的時間、地點、活動內(nèi)容、費用等的介紹。大多數(shù)節(jié)日的時間是固定的，活動內(nèi)容也大同小異。如果有這方面的背景知識，對理解聽力材料會有很大幫助，回答問題的正確率會大幅提高。

式中：c 為排棄物料黏聚力，kPa；q 為基底埋深產(chǎn)生載荷，kPa；b 為基底寬度，m；Nc、Nγ為無量綱承載力因數(shù)，僅與內(nèi)摩擦角有關(guān)。

魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性儲備系數(shù)要求大于1.2，內(nèi)排土場基底以黏土巖、砂質(zhì)泥巖為主，強度較高。以低洼處積水的不利假設(shè)為依據(jù)，內(nèi)摩擦角定為20°，黏聚力定為0.5 t/m2，排棄土巖時下部80 m 為砂巖，上部為紅土、黃土，經(jīng)計算，內(nèi)排土場最高增至300 m。

3.2 內(nèi)排土場參數(shù)

3.2.1 單臺階段高與坡面角

單臺階段高越高，同等占地面積情況下，排土場容量越大；然高、超高臺階排土勢必造成單臺階穩(wěn)定性不夠而片幫滑坡問題，所以單臺階段高應(yīng)有1 個優(yōu)選值。巖土物理力學(xué)性質(zhì)不一，巖土單臺階段高也是不一致，砂巖內(nèi)摩擦角25°，黏聚力120 kPa，密度2.6 t/m3；黃土內(nèi)摩擦角24°，黏聚力25 kPa，密度1.93 t/m3。

魏家峁露天煤礦內(nèi)排土場下部2 個臺階為巖石臺階，上部為黃土臺階，臺階高度均為32 m，坡面角為自然安息角33°，結(jié)合內(nèi)排土場排棄實際情況和以往勘探報告，內(nèi)排土場邊坡較穩(wěn)定。

調(diào)研鄂爾多斯周邊露天煤礦，分析巖土力學(xué)性質(zhì)，單臺階段高選用10、20、30、40 m 4 種方式，單臺階坡面角選用30°、31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40° 10 種方式，對內(nèi)排土場4 種段高與10種坡面角進行十字正交，計算得到的不同段高/不同單臺階坡面角計算結(jié)果，每種方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。

表1 不同段高/不同單臺階坡面角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

由表1，根據(jù)魏家峁露天煤礦采排規(guī)劃，內(nèi)排土場邊坡暴露時間短，按照邊坡穩(wěn)定系數(shù)要求，最大段高的合理區(qū)間為30～40 m，最大單臺階坡面角合理區(qū)間為30°～33°。因巖石臺階與黃土臺階黏聚力、內(nèi)摩擦角不同，將巖石臺階段高定為32 m，黃土臺階段高定為16 m，臺階坡面角為自然安息角33°。

3.2.2 內(nèi)排土場高度與幫坡角

內(nèi)排土場容量不僅受單臺階高度影響，還與內(nèi)排土場總高度相關(guān)。魏家峁露天煤礦目前排棄高度200 m，邊坡角為17°，根據(jù)基底承載力計算可得極限最大高度為300 m。以20 m 為階梯，最大排棄高度選用200、220、240、260、280、300 m 6 種方式。參照周邊露天煤礦情況，幫坡角選用16°、17°、18°、19°、20°、21°、22° 7 種方式，對內(nèi)排土場6 種最大排棄高度與7 種幫坡角進行十字正交，計算得到的不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

由表2，根據(jù)內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)要求，結(jié)合魏家峁露天煤礦采排規(guī)劃，最大排棄高度240 m、最終幫坡角18°較為合理，因內(nèi)排土場單臺階高度為巖石32 m、黃土16 m，所以將排土場最大排棄高度定為232 m，最終排棄標高1 208 m 水平，最終幫坡角17°，內(nèi)排土場容量增加6 500 萬m3。

表2 不同排棄高度/不同整體幫坡角下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

3.3 內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定措施

為確保內(nèi)排土場增高擴容方案有效實施，根據(jù)煤礦生產(chǎn)實際，制定了內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定的措施。

1）測定排棄物料的力學(xué)參數(shù)。內(nèi)排前查清基底巖層的賦存狀態(tài)及巖石物理力學(xué)性質(zhì)，清除基底上不利于邊坡穩(wěn)定因素，對內(nèi)排土場采取基底加固措施，對于不利匯水區(qū)域進行疏導(dǎo)引流，提前鉆鑿集水坑，防止邊坡形成滑坡弱層。

2）嚴格按照設(shè)計臺階高度及排土順序進行排棄。先排棄2 個巖石臺階增強承載力并提高導(dǎo)水性，內(nèi)排土場排土工作面向坡頂線方向設(shè)置3%～5%的反坡，排土場沿排土工作線方向設(shè)置3‰的流水坡度，形成流水通道。

3）對內(nèi)排土場到界邊坡。重點邊坡每隔200 m布設(shè)自動監(jiān)測線，每條自監(jiān)測線不低于3 個自動監(jiān)測點，安排專人進行巡視，在春季解凍期、雨季或坡面上出現(xiàn)沉陷裂縫時加大巡查監(jiān)測頻率。

4）內(nèi)排土場堅持到界一塊復(fù)墾一塊的原則。修筑網(wǎng)格圍梗并種草綠化，利用植物措施防止水土流失，進而提高邊坡穩(wěn)定性。

5）定期對露天煤礦的排土場邊坡進行邊坡穩(wěn)定性分析與評價。定期對露天煤礦的排土場邊坡進行邊坡穩(wěn)定性驗算，制定邊坡滑預(yù)案并定期組織演練，提高全體應(yīng)對突發(fā)邊坡事故的應(yīng)急處置能力。

4 結(jié)語

以降低外排土場用地面積為目的，以內(nèi)排土場增高擴容為手段，分析了內(nèi)排土場基底地質(zhì)條件，內(nèi)排土場排棄200 m 高度時邊坡穩(wěn)定且有余量，存在增高擴容的可能性。分析影響邊坡穩(wěn)定的因素，計算出基底最大承載力對應(yīng)的極限排棄高度為300 m。采用十字正交法，研究了4 種單臺階段高、10 種邊坡角組合方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，確定巖石單臺階32 m、黃土臺階16 m、邊坡角33°較為合理。采用十字正交法，研究了6 種最大排棄高度、7 種最終幫坡角組合方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，確定最大排棄高度232 m，最終幫坡角17°。內(nèi)排土場排棄高度增加32 m，排土容量增加6 500 萬m3。