露天煤礦外排土場(chǎng)分布對(duì)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性的影響

董蒙蒙

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

露天礦在開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)挖原始地層并堆置剝離物料，形成了形態(tài)各異、數(shù)量眾多的采場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡[1]。邊坡穩(wěn)定性一直是露天礦山開(kāi)采過(guò)程中最大的安全隱患。隨著露天開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦坑深度不斷加大，暴露時(shí)間增加，排土場(chǎng)高度也隨之加大[2]。在露天礦邊坡暴露高度與時(shí)間增加背景下，由采場(chǎng)及排土場(chǎng)組成的復(fù)合邊坡穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)露天礦采場(chǎng)-外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。李廣賀等[4]針對(duì)順傾軟巖復(fù)合邊坡，采用3Dmine-Rhino-FLAC3D耦合建模得到了復(fù)合邊坡黏土層為底界面逐漸過(guò)渡到以弱層為底界面的切層-順層滑動(dòng)的滑坡機(jī)理；谷運(yùn)峰[5]以內(nèi)蒙古某露天礦為研究對(duì)象，研究高排土場(chǎng)下露天礦采場(chǎng)的穩(wěn)定特性，得出了該礦排土場(chǎng)為100 m 時(shí)開(kāi)始影響露天礦邊坡的安全；郭海棣等[6]基于有限元強(qiáng)度折減法對(duì)東明礦西幫復(fù)合邊坡進(jìn)行分析，揭示了上部圓弧滑動(dòng)下部坐落滑移的滑坡模式，并闡述了壓腳變形控制技術(shù)的作用；蔣寶林等[7]針對(duì)松散富水復(fù)合邊坡，運(yùn)用了邊坡雷達(dá)、GNSS、人工監(jiān)測(cè)等多種手段，探究了此類復(fù)合邊坡的變形規(guī)律及促進(jìn)因素，綜上所述，采場(chǎng)-排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性為礦山的重要研究方向，具有重要的研究意義[8]。

為此，以新疆某大型露天煤礦為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合邊坡排土場(chǎng)-采場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行理論分析，研究復(fù)合邊坡的應(yīng)力邊坡特征和邊坡穩(wěn)定特性；闡述了外排土場(chǎng)不同分布情況下的“壓力推移”作用，確定了該礦山的采場(chǎng)-排土場(chǎng)安全距離。

1 工程概況

露天礦位于準(zhǔn)噶爾盆地東南，地貌為較為平坦的戈壁，局部為雅丹地貌。煤礦所在地屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差較大。平均年降水量193.2 mm，年平均蒸發(fā)量1 838 mm，全年日照3 053 h，5—8 月偶有雷陣雨。

外排土場(chǎng)位于礦北幫采場(chǎng)邊坡上方，通過(guò)北幫外排土場(chǎng)基底工程勘察，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖心的鑒定和巖（土）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定外排土場(chǎng)邊坡巖上體發(fā)育一種類型軟弱層，即為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖積、洪積風(fēng)積層底部黃土。砂質(zhì)黏土、礫石、細(xì)砂、砂礫層、風(fēng)成砂土及其與下伏砂巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖的接觸面。該礦處于基建期，已出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象較少。其中礦坑北幫邊坡現(xiàn)有1 處垮塌體。現(xiàn)場(chǎng)踏勘顯示，垮塌區(qū)頂部層狀結(jié)構(gòu)明顯，垮塌體內(nèi)部為濕潤(rùn)黏土巖，礦山北幫局部滑塌體。

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 復(fù)合邊坡破壞機(jī)理與滑動(dòng)理論模型

2.1 復(fù)合邊坡破壞機(jī)理

露天礦在進(jìn)行外排土場(chǎng)選擇時(shí)需考慮運(yùn)距、征地、邊坡穩(wěn)定性和環(huán)境等諸多因素，在外排土場(chǎng)位置選擇中，采場(chǎng)與外排土場(chǎng)組成的復(fù)合邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受外排土場(chǎng)位置影響顯著。當(dāng)采場(chǎng)與外排土場(chǎng)間留有充足的安全距離時(shí)，復(fù)合邊坡穩(wěn)定性較高，但隨之提升的剝離物運(yùn)距則會(huì)使得礦山開(kāi)采成本大幅上升，且會(huì)大大增加礦區(qū)的占地面積，增加征地難度與費(fèi)用[9]。

露天開(kāi)采及排土場(chǎng)堆置過(guò)程形成了復(fù)合邊坡，對(duì)于此類邊坡，礦山的開(kāi)采過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是邊坡巖體水平應(yīng)力的卸載過(guò)程，而排土場(chǎng)堆置過(guò)程實(shí)際上為剝離物料的豎直應(yīng)力逐漸加載過(guò)程。伴隨著水平應(yīng)力的卸載和豎直應(yīng)力逐漸加載的雙重作用，復(fù)合邊坡內(nèi)部經(jīng)歷了復(fù)雜且劇烈的應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡變化過(guò)程，易發(fā)生邊坡應(yīng)力集中及坡角破壞現(xiàn)象。且隨著開(kāi)采深度的增加和沿幫排土場(chǎng)高度的增大，邊坡破壞概率增加，且邊坡破壞時(shí)應(yīng)力和破壞程度會(huì)隨之加劇[10]。露天礦排土場(chǎng)-采場(chǎng)復(fù)合邊坡內(nèi)部應(yīng)力分布如圖1。

圖1 露天礦排土場(chǎng)-采場(chǎng)復(fù)合邊坡內(nèi)部應(yīng)力分布

礦山開(kāi)采和排土場(chǎng)堆置后，從邊坡臨空面向坡體內(nèi)部逐漸形成了徑向加載區(qū)（破碎區(qū)）Ⅲ、軸向加載區(qū)（過(guò)渡區(qū)）Ⅱ及原巖應(yīng)力區(qū)Ⅰ。在距離邊坡臨空面較遠(yuǎn)的原巖應(yīng)力區(qū)，邊坡巖體的應(yīng)力變化較小處于多向受力狀態(tài)，該區(qū)域巖體受卸荷和加載影響很小，基本與未受開(kāi)采及排土擾動(dòng)的巖體受力相同。在中間區(qū)域水平應(yīng)力開(kāi)始減小，豎直應(yīng)力開(kāi)始增加，邊坡巖體向準(zhǔn)三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)移。當(dāng)靠近邊坡臨空面時(shí)側(cè)向約束瞬間釋放，水平應(yīng)力幾乎為0，邊坡巖體近似為單向受力。可見(jiàn)，礦山開(kāi)采及外排土場(chǎng)堆置引起的邊坡內(nèi)部巖體應(yīng)力重分布是邊坡失穩(wěn)的主要原因[11]。此類復(fù)合邊坡的破壞機(jī)理為：受開(kāi)采卸荷和排土加載雙重作用，邊坡應(yīng)力進(jìn)行重分布；采場(chǎng)邊坡在上部荷載高應(yīng)力狀態(tài)下徑向卸荷區(qū)產(chǎn)生裂縫并持續(xù)發(fā)育至貫通，當(dāng)采場(chǎng)邊坡發(fā)生滑動(dòng)破壞后；牽連上部排土場(chǎng)同時(shí)滑坡，形成采場(chǎng)-排土場(chǎng)復(fù)合破壞模式[12]。

2.2 復(fù)合邊坡滑動(dòng)理論模型

露天礦排土場(chǎng)-采場(chǎng)復(fù)合邊坡理論模型如圖2。

圖2 露天礦排土場(chǎng)-采場(chǎng)復(fù)合邊坡理論模型

在采場(chǎng)邊坡上部沿幫排土場(chǎng)影響下，復(fù)合邊坡滑動(dòng)理論模型主要分為外排土場(chǎng)和采場(chǎng)2 部分。受露天礦開(kāi)采卸荷和排土場(chǎng)堆置雙重作用，復(fù)合邊坡內(nèi)部為豎直加載和水平卸荷共同作用的復(fù)雜狀態(tài)，復(fù)合邊坡的破壞模式往往為排土場(chǎng)區(qū)域呈現(xiàn)豎直向的圓弧狀滑動(dòng)面，而采場(chǎng)邊坡區(qū)域的破壞模型往往為平面滑動(dòng)。

采場(chǎng)安全系數(shù)Fs如下：

式中：Fs為采場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)；W 為采場(chǎng)邊坡滑體的重力，N；β 為采場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)滑面的角度，（°）；φ 為采場(chǎng)邊坡巖體的內(nèi)摩擦角，（°）；c 為采場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)滑面的黏聚力，N/m；H 為采場(chǎng)邊坡最危險(xiǎn)滑面的高度，m。

外排土場(chǎng)與采場(chǎng)間的安全距離為d，在進(jìn)行外排作業(yè)后，采場(chǎng)-外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡分為d＝0 和d≠0 2 種情況。當(dāng)d＝0 時(shí)，采場(chǎng)上部外排土場(chǎng)對(duì)下部采場(chǎng)最危險(xiǎn)滑面產(chǎn)生的壓力為p；當(dāng)d≠0 時(shí)，壓力p′＝p-dhρg，進(jìn)而可知露天礦采場(chǎng)-外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fs為：

式中：d 為采場(chǎng)-排土場(chǎng)間的距離，m；p 為復(fù)合邊坡外排土場(chǎng)對(duì)采場(chǎng)滑體產(chǎn)生的壓力，N；h 為外排土場(chǎng)高度，m；ρ 為排土場(chǎng)巖土體密度，t/m3。

由采場(chǎng)-外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式可知，外排土場(chǎng)的存在對(duì)下部采場(chǎng)邊坡產(chǎn)生了p′的壓力，這部分壓力降低了復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性。從式（2）可知，可以通過(guò)增加采場(chǎng)-排土場(chǎng)間的距離d來(lái)減小壓力值p′。這主要是由于采場(chǎng)-排土場(chǎng)間的距離d 增加會(huì)大幅提升最危險(xiǎn)滑面黏聚力所發(fā)揮的抗滑作用在安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算中的所占比例。當(dāng)邊坡超過(guò)極限狀態(tài)發(fā)生滑坡時(shí)，外排土場(chǎng)的存在會(huì)進(jìn)一步增加復(fù)合邊坡的破壞程度。采場(chǎng)-排土場(chǎng)復(fù)合邊坡呈現(xiàn)出“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，排土場(chǎng)區(qū)域呈現(xiàn)豎直向的圓弧狀滑動(dòng)面，采場(chǎng)邊坡區(qū)域的破壞模型往往為平面滑動(dòng)的復(fù)合邊坡的破壞模式，決定了滑坡時(shí)外排土場(chǎng)豎直的滑面會(huì)使得最危險(xiǎn)滑面的下滑力遠(yuǎn)大于抗滑力，進(jìn)一步降低了復(fù)合邊坡的整體穩(wěn)定性。

3 復(fù)合邊坡數(shù)值模擬

該礦北幫復(fù)合邊坡處，賦存有大量燒變巖破碎帶，火燒區(qū)集中在礦田的北部，煤層頂?shù)装寮皣鷰r經(jīng)火燒烘烤，改變了原巖的性質(zhì)，成為堅(jiān)硬、破碎、裂隙及孔隙發(fā)育的燒變巖。除此之外，采場(chǎng)邊坡地層包含有粗砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和煤。復(fù)合邊坡數(shù)值計(jì)算模型如圖3。

圖3 復(fù)合邊坡數(shù)值計(jì)算模型

本次對(duì)該礦外排土場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分別建立了外排土場(chǎng)距離采場(chǎng)頂部距離為100、200、300 m 的3 個(gè)復(fù)合邊坡數(shù)值計(jì)算模型。

采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡臨空面位移如圖4，采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離所對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表2。采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡破壞時(shí)臨空面位移如圖5，采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡破壞時(shí)最大剪應(yīng)變?cè)隽咳鐖D6。

圖4 采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡臨空面位移

圖5 采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡破壞時(shí)臨空面位移

圖6 采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離對(duì)應(yīng)的復(fù)合邊坡破壞時(shí)最大剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

表2 采場(chǎng)-排土場(chǎng)不同距離所對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)

由圖4 可知：隨著采場(chǎng)邊坡與排土場(chǎng)距離的增加，邊坡的變形量在明顯減小；當(dāng)距離為100 m 時(shí)，邊坡變形范圍為采場(chǎng)及排土場(chǎng)整個(gè)范圍，外排土場(chǎng)壓力作用顯著，邊坡整體呈現(xiàn)出復(fù)合滑坡的變形特征，最大位移量為0.536 m；隨著外排土場(chǎng)與采場(chǎng)距離的增加，外排土場(chǎng)“壓力推移”對(duì)采場(chǎng)邊坡效應(yīng)減弱，邊坡破壞主要為采場(chǎng)邊坡的自身滑坡；當(dāng)距離增加至300 m 時(shí)，整個(gè)復(fù)合邊坡模型內(nèi)部最大位移位于外排土場(chǎng)下部，這是由于外排土場(chǎng)自身的巖土壓力形成的，基本不會(huì)對(duì)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性形成影響，變形量也僅有0.139 m，與距離為100 m 模型相比大幅下降。

由表2 可知：采場(chǎng)及排土場(chǎng)距離為100 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.98，邊坡具有滑坡隱患；邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著外排土場(chǎng)與采場(chǎng)距離的增加，當(dāng)距離增加到200 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)增加至1.19；當(dāng)距離增加至300 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.44，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖5 可知：隨著距離的增加，復(fù)合邊坡變形范圍不斷減小，位移量也逐漸降低；距離為100 m 時(shí)，邊坡破壞時(shí)最大位移為8.823 m，邊坡位移量集中在采場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡，復(fù)合邊坡整體出現(xiàn)較大位移，外排土場(chǎng)有明顯的“壓力推移”效應(yīng)；當(dāng)距離增加至200 m 時(shí)，最大位移量降至7.210 m，但外排土場(chǎng)仍出現(xiàn)了一定程度的邊坡位移，外排土場(chǎng)“壓力推移”效應(yīng)減弱但仍然存在；當(dāng)距離增加至300 m 時(shí)，邊坡位移量進(jìn)一步降低，位移也僅出現(xiàn)在采場(chǎng)邊坡，排土場(chǎng)的存在對(duì)采場(chǎng)邊坡幾乎無(wú)影響。

由圖6 可知：當(dāng)距離為100 m 時(shí)，受排土場(chǎng)“壓力推移”效應(yīng)影響，最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植加诓蓤?chǎng)與排土場(chǎng)整個(gè)復(fù)合邊坡內(nèi)部，呈圓弧狀的復(fù)合邊坡滑坡模式；當(dāng)距離增加至200 m 和300 m 時(shí)，邊坡發(fā)生破壞時(shí)就僅表現(xiàn)為采場(chǎng)邊坡的圓弧滑動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分析了復(fù)合邊坡排土場(chǎng)-采場(chǎng)內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律。邊坡破壞模式為：受開(kāi)采卸荷和排土加載雙重作用，邊坡應(yīng)力進(jìn)行重分布；采場(chǎng)邊坡在上部荷載高應(yīng)力狀態(tài)下徑向卸荷區(qū)產(chǎn)生裂縫并持續(xù)發(fā)育至貫通，當(dāng)采場(chǎng)邊坡發(fā)生滑動(dòng)破壞后，牽連上部排土場(chǎng)同時(shí)滑坡。

2）使用FLAC3D軟件建立采場(chǎng)-排土場(chǎng)距離分別為100、200、300 m 的復(fù)合邊坡模型，對(duì)某露天煤礦外排土場(chǎng)對(duì)采場(chǎng)邊坡破壞形態(tài)及變形特征進(jìn)行研究。隨著距離的增加，排土場(chǎng)“壓力推移”效應(yīng)逐漸減弱，邊坡位移量及變形范圍也隨之減少，距離為300 m時(shí)外排土場(chǎng)對(duì)采場(chǎng)邊坡幾乎無(wú)影響。

3）對(duì)不同安全距離模型復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加邊坡穩(wěn)定性一直上升，當(dāng)距離為300 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定性為1.44，滿足長(zhǎng)期安全要求。因此可以認(rèn)為本礦的采場(chǎng)與外排土場(chǎng)間的安全距離為300 m。