排土场不同边坡角度对安全系数的影响*

王创业　赵少东　薛瑞雄

(内蒙古科技大学矿业研究院)



排土场不同边坡角度对安全系数的影响*

王创业赵少东薛瑞雄

(内蒙古科技大学矿业研究院)

摘要在对边坡工程地质条件进行勘察和对排土场岩土物理力学性质进行研究的基础上，利用FLAC(3D)数值模拟软件对黑岱沟露天矿排土场不同边坡角度对其安全系数的影响进行了研究。认为边坡角度的大小与安全系数成负相关关系，并建立了两者的量化关系，对于确保露天矿安全生产有一定的参考价值。

关键词排土场边坡角度安全系数数值模拟FLAC(3D)

准格尔煤田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，对于缓解华北地区能源短缺的问题发挥了重大作用。为提高矿山经济效益，减小排土场征地面积，相当一部分矿山最大限度地利用排土场已有的占地，增加堆高，建设超高台阶排土场，虽然最大限度地利用了排土场的占地面积，但增加了排土场边坡的安全隐患，一旦失稳，造成的损失相当严重[1-3]。大量学者对排土场边坡角度与稳定性的关系进行了研究，但研究成果普适性不强[4-5]。为此，本研究以准格尔煤田黑代岱沟露天矿排土场为例，对其边坡角度与安全系数的关系进行详细分析。

1矿区概况

准格尔煤田东起煤层露头，西至6#煤层600 m底板等高线，东西宽21 km，北至煤层露头，南至黄河之滨，南北长65 km，面积1 022 km2，煤岩倾角一般小于5°，岩性属中等硬度，区内属大陆性半干燥气候，降水量较小，蒸发量较大，常有春旱现象。黑岱沟露天矿的黄土层平均厚约49 m，采用轮斗连续开采工艺。露天矿有内排土场、外排土场，内排土场基底较平缓，基底岩性为砂岩或砂质泥岩，强度较高；外排土场的地形坡度5°～10°，基底为黄土，强度较低，排弃物的内摩擦角23°，凝聚力30 kPa，密度1.8 t/m3。

2模拟结果分析

FLAC3D数值模拟软件，本构模型采用摩尔-库伦准则[6]，以黑岱沟排土场为例，建立边坡角度分别为30°、34°、38°、42°、46°的5个模型，排土场基底高20 m，排土场高92 m。固定模型底部边界，左、右边界施加水平约束，并且所有边界施加y方向约束。数值模拟结果如图1所示。

由图1可知：随着边坡角度的增加，安全系数逐渐减小，可明显看到塑性贯通区域，即潜在的滑动面；当边坡角度为42°时，安全系数为1.01，排土场很有可能出现滑坡现象，即达到危险状态；当边坡角度为46°时，安全系数(0.94)小于1，说明排土场不稳定。

边坡角度与安全系数的关系见图2。

由图2可知：随着边坡角度的增加，安全系数逐渐降低，降低的幅度先减小，后增加，最后再减小。

边坡角度与安全系数的关系可表示为

K=3.065 5-0.075α+6.25×10-4α2,

式中，K为安全系数；α为排土场边坡角度，(°)。

在已知边坡角度的情况下，用上式可计算出安全系数，从而可估测排土场的安全性，若超出了允许范围，可提前采取措施，避免人员的伤亡和建筑物的损害。

3结语

以黑岱沟露天矿排土场为例，基于FLAC3D数值模拟软件分析并建立了其不同边坡角度与安全系数的量化关系，据此可预先估测排土场的安全程度，对于确保该露天矿排土场的安全稳定运行有一定的参考价值。

参考文献

[1]黄敏，李夕兵，付玉华，等.江西省永平铜矿西部排土场极限堆载高度确定[J].中国地质灾害与防治学报，2008，19(2)：109-112.

图1　不同边坡角度对应的剪切应变增量

图2　边坡角度与安全系数的关系

[2]翟文龙，周汉民.简化Bishop法和余推力法在高台阶排土场稳定性计算中的应用[J].现代矿业，2015(8)：168-170.

[3]米子军.矿山排土场稳定性主动调控机制研究[J].金属矿山，2014(9)：1-6.

[4]廖国华，潘长良.边坡稳定[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[5]颜荣贵，贺跃光，刘文钰，等.排土场极限高度确定方法研究及工程实例[J].矿冶工程，1996(2)：7-10.

[6]王琰.基于摩尔-库伦准侧的边坡稳定性分析[J].现代矿业，2016(1)：196-198.

(收稿日期2016-01-18)

*国家自然科学基金项目(编号：51464036，51564038)；内蒙古自然科学基金项目(编号：2012MS0718)。

王创业(1976—)，男，副教授，014010 内蒙古自治区包头市昆区阿尔丁大街7号。