順傾基底高段排土場邊坡失穩模式與控制對策

丁鑫品，李鳳明，劉博文，任 鵬

（1.煤炭科學研究總院，北京100013；2.中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京100013；3.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013；4.中國礦業大學（北京），北京100083；）

排土場是露天礦山的重要配套設施，占整個礦山面積的30%～50%[1]。增高擴容無疑是緩解排土場占地壓力的最有效方法，由于排棄物料一般包括腐植表土、巖石以及混合巖土，有時也包括可能回收的矸石、貧礦等，抗剪強度較低，隨著堆排高度的不斷增加，同時受降雨入滲、爆破振動、基底強度等因素影響，排土場高邊坡安全問題凸顯，一旦發生失穩，不僅影響到礦山的正常生產,也將使企業蒙受巨大的經濟損失。

排土場在地震、爆破震動、降雨以及人為因素作用下，坡體內部薄弱位置抗剪強度抵抗不了自重的作用，逐漸發生蠕動變形。隨著變形的逐漸增大，受牽連的土體逐漸增加，局部弱面逐漸擴大成主滑面，隨后在邊坡后部產生張拉破壞，導致局部下沉，由于牽拉上部土體的質量較大，在滑面的誘導下，對前部土體產生強大的擠壓作用，促使其產生劇烈破壞，從而促使滑面擴張至前部土體，此時排土場邊坡就形成了上下貫通的滑面。根據滑面位置的不同，排土場的破壞模式大致可分為4 種：排土場內部滑坡、沿物料與基底接觸面滑坡、沿基底軟弱面滑坡以及持力層滑坡。當排土場基底順傾程度較大，或者排土場物料與基底面之間嵌固、咬合力不足，物料與基底接觸面的摩擦強度低于物料本身的抗剪強度時，極易發生沿物料與基底接觸面滑坡，此類滑坡具有規模大、發生突然、危害嚴重的顯著特點[2-4]。因此，開展順傾基底排土場高邊坡穩定性與控制方法的研究。

1 研究區域工程地質條件

平朔礦區安太堡露天煤礦生產規模為22.00 Mt/a。在向東推進的過程中，遇到樓子溝背斜構造，煤系地層由近水平變為沿推進方向順傾，煤層平均傾角8°～12°，局部最大傾角達到22°，不良地質構造導致生產組織困難，工作效率低下，內排土場邊坡安全問題凸顯[5]。根據整體發展規劃，剝采工作面需進一步向工作幫下部平盤布置，同時工作幫南部要提高推進強度，以加快新水平的準備速度，剝離重心下移后導致現有南北幫及11#煤底板運輸系統難以與新延深底部平盤搭接，物料運輸受阻，同時，隨著南部縮界區排土平盤的逐步跟進，礦坑總出入溝較不明晰，南部運輸系統東段布置復雜，難以滿足下部剝離物料去往上部土場的需要。因此，亟需在北幫和南幫之間沿背斜軸延伸方向搭接1 條標高自1 135 m 到1 300 m 的長距離運輸道路，由于道路南部爬升高度較大，導致其外側排土單臺階高度達到75 m，而該區域排土場基底順傾角度約為16°，對路基外側邊坡穩定性極為不利，如果邊坡發生失穩，將引起內排運輸道路中斷，甚至發生更加嚴重的安全問題。為此研究背斜影響區內排土場順傾基底高邊坡的穩定性，提出科學合理的預控方案，對于有效緩解安太堡露天礦因復雜地質構造形成的排土壓力，實現安全高效生產具有重要實際意義。

2 邊坡破壞模式與穩定性

2.1 數值分析模型和巖土體參數指標

結合現場實際情況，基于安太堡露天礦樓子溝背斜區典型工程地質模型（ATB-P1 剖面），建立FLAC3D數值分析模型，模型長度為1 500 m，高度為350 m，由9 717 個節點和35 744 個網格組成。由于慣性和阻尼對邊坡整體的影響并不顯著，因此運輸載荷簡化為靜載施加于干道路面。通過分析邊坡水平位移場、豎直位移場、切應變增量圖、塑性破壞區分布圖以及位移矢量圖，揭示干道附近區域邊坡變形破壞模式，為邊坡安全定量評價和控制措施確立提供依據。模型前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以y 方向位移約束，模型左、右方向以x 方向位移約束，模型的底部以z 方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統的受力平衡。分析過程中巖體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb 屈服準則描述。

為保證研究過程中采用土體參數指標的客觀性及合理性，基于安太堡露天礦及周邊礦井已有巖土體強度研究成果[6-7]，結合工程地質類比和滑坡反分析，獲得研究所需的各類巖土層力學性質參數，分析中采用的巖土體物理力學參數指標見表1。

表1 數值分析中采用的巖土體物理力學參數指標Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass used in numerical analysis

2.2 數值分析結果

剪應變增量云圖如圖1。由圖1 可知，以基底順傾巖土接觸面為界，運輸干道外側坡面距坡頂線約30 m 范圍內剪應力集中程度明顯，剪應變增量等值線在坡體內呈圓弧狀，逐漸過渡為順巖土接觸面方向，最終沿坡腳處剪出。分析原因為該位置邊坡單臺階高度過大、且基底面順傾，排棄物料與基底接觸面的摩擦強度低于物料本身的抗剪強度，受重力作用影響，物料不斷沉降壓實并發生蠕滑變形，最終發生圓弧-順層組合滑動失穩。

圖1 剪應變增量云圖Fig.1 The cloud chart of shear strain increment

塑性區分布云圖如圖2。由圖2 可知，邊坡各臺階坡腳位置均存在不同程度的剪切破壞，運輸干道外側坡體內和坡腳巖土接觸面區域已經發生了較為明顯的剪切破壞和拉伸破壞，破壞塊體沿順傾基底基本貫通。這表明在實際工程中，該區域一旦發生滑坡，滑動面將沿順傾基底剪出。

圖2 塑性區分布云圖Fig.2 The distribution cloud chart of plastic zone

水平位移云圖如圖3，豎直位移云圖如圖4。由圖3 和圖4 可知，運輸干道外側坡體沿基底順傾面發生單臺階圓弧滑動特征明顯，滑動面已經貫通，失穩已經成為必然，同時不能排除滑面后方排棄物料發生大范圍滑動可能。邊坡變形失穩模式為“圓弧-順層”坐落式組合滑動。

圖3 水平位移云圖Fig.3 The cloud chart of horizontal displacement

圖4 豎直位移云圖Fig.4 The cloud chart of vertical displacement

2.3 邊坡穩定性定量分析

采用極限平衡分析法對排土參數進行優化分析，邊坡穩定性安全系數Fs是邊分析過程中的一個定量參數，它直接關系到邊坡參數的經濟性與安全性[8-10]?！睹禾抗I露天礦設計規范》6.0.8 條明確規定了邊坡穩定性安全系數Fs的選用范圍[11]，結合安太堡露天礦實際情況，選取排土場邊坡安全儲備系數Fs定為1.1，即Fs＜1.1 時，即認為邊坡穩定性不滿足要求。安太堡露天礦1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡穩定性分析結果圖5。由圖5 可知，安太堡露天礦1 135～1 300 m 主干道外側邊坡穩定性系數僅為0.932，明顯小于1.1，不滿足邊坡穩定要求，若必須進行南北幫搭路，建議采取專門邊坡安全控制措施。

圖5 安太堡露天礦1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡穩定性分析結果Fig.5 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road of Antaibao Open-pit Mine

3 基于反向排土的邊坡穩定控制方法

工程地質調查測繪成果表明，安太堡露天礦內排土場單臺階坡面角約為37°，保持坡面角固定，計算不同高度（20～40 m）情況下的單臺階穩定系數Fs，在單臺階排棄高度增大至30 m 時，Fs值開始小于1.1，因此建議極限單臺階排棄高度為30 m。

在排土場基底面與邊坡面順傾時，為了保證排土作業過程中邊坡的穩定性，酌情采取反向排土工藝，通過在潛在滑坡體前緣抗滑段及其以外回填土石，主動減小邊坡臨空面范圍、增大抗滑力，從而降低邊坡沿順傾基底發生順層滑動的可能性[12-13]。結合現場實際條件，該區域采用反向排土，不但可以保證運輸干道外側邊坡的穩定性，而且有利于提前釋放內排空間，縮短排土運距，因此決定在該區域采用反向排土工藝。排土工作分為2 個階段進行。

第1 階段施工方案：南幫超前靠幫區首先實現內排，由1120 運輸平盤西端向西升坡至1 150 m水平，之后向南升坡至1 210 m 水平，在這個期間1 135～1 300 m 水平升坡范圍內原煤自北向南優先采出，1 150～1 210 m 水平升坡范圍內原煤自南向北優先采出。

第1 階段排土為第2 階段排土提供了條件，但運輸干道外側邊坡穩定性并未發生明顯變化，第2階段排土以保證干道外側邊坡穩定為前提，基于單臺階坡面角優化分析結果，確定第2 階段最小排棄標高為道路外側坡頂標高以下30 m。

第2 階段施工方案：1 135～1 300 m 水平主干道向南部延伸，至1 150 m 水平時與第1 階段1 150～1 210 m 水平坡道進行搭接，然后不斷升坡至1 300 m 水平，同時邊坡下部區域由1 225 m 水平逐漸提升至1 270 m 水平。

通過2 個階段排土施工，運輸干道外側邊坡高度由75 m 減少至30 m?；谠摴こ痰刭|模型建立極限平衡分析模型，在其它條件相同的情況下再次對1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡進行穩定分析，施工結束后1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡穩定性分析結果如圖6。

圖6 施工結束后1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡穩定性分析結果Fig.6 Stability analysis result of the lateral slope of 1 135 m to 1 300 m main road after the construction

由圖6 可知，經過2 個階段的反向排土，1 135～1 300 m 水平主干道外側邊坡穩定性系數從0.932增大至1.103，大于1.1，滿足邊坡穩定安全要求。以上排土方案的實施，不僅保證了內排土場邊坡及道路運輸安全，而且提前解放了南幫超前剝離區排土空間3.0×107 m3，有效縮短了內排運距，緩解了排土征地壓力，提高了生產效率，為企業創造效益約3 000 萬元，經濟效益與安全效益顯著。

4 結 語

1）針對順傾基底排土場極易發生沿物料與基底接觸面順層滑動的問題，以背斜構造影響下的安太堡露天礦內排土場邊坡為例，建立數值分析模型，通過對剪應變增量、塑性區分布及位移特征進行綜合分析，探明順傾基底排土場邊坡變形失穩模式為“圓弧-順層”組合滑動。

2）結合現場實際，提出了基于反向排土的順傾基底排土場高邊坡穩定控制方法，通過分階段排土施工，將運輸干道外側邊坡高度由75 m 減小至30 m，不但保證了邊坡安全，而且提前釋放了內排空間，有效縮短了內排運距。