含水弱胶结外排土场边坡稳定性研究

马 力，张建国，肖双双，张 杰，杨 傲

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000；3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；4.格里菲斯大学 工程和信息技术学院，澳大利亚 昆士兰黄金海岸 4222)

0 引 言

露天矿生产过程中剥离大量无用土岩，需选择合适场所用作排土场堆置排弃物，占用大量的土地资源。从占地费用及运距角度考虑，露天矿剥离物实现采空区内排是减少开采土地占用和节约生产成本的重要途径，在条件适宜时优先实现采空区内排土[1]。然而，对倾斜矿床的露天矿而言，通常采用沿矿层倾向推进，矿层开采深度由浅部向深部发展，由于开采初期矿层底板倾角较大，无法实现内排[2-3]；另一方面，当倾斜矿层露天矿开采到底部境界时，底部空间呈水平状，并使开采工程位置推出一定距离后方具备内排空间。因此，倾斜露天矿在能实现内排土前期需额外增置或启用外排土场。外排土场场址大多选择在靠近采场的空闲场地，且排土场内物料松散、胶结程度差，排土场边坡稳定性是影响露天矿生产的重大安全问题[4-6]。尤其是受到大气降雨及地表水的影响下，极易造成松散体边坡失稳[7-8]。

五林油页岩露天矿年生产油页岩0.6 Mt/a，主要开采6，7，8号矿层，矿层倾角7°～15°.五林河流经矿区中部，地下水来源以大气降水为主。矿层埋藏较浅且岩石由砂泥岩和第四系构成，岩层物理力学性质较弱，岩石胶结物主要为泥质胶结，特别是软弱岩层，胶结程度较低[9-11]。该矿物料含水率在2%左右受地下水和岩层性质影响，边坡稳定性问题是露天矿生产中最重要的安全问题[12-14]。弱胶结软岩是在中国西部矿山白垩系、侏罗系地层中广泛存在的一类特殊软岩[15]，这类软岩具有独特的物理力学性质：强度低、胶结差、易风化、遇水泥化、低冻胀性[16-18]。因此，由弱胶结松散物料强度更低，排土场边坡稳定性极难控制，分析含水条件下弱胶结物料构成的排土场的稳定性影响因素及优化研究排土场参数具有重要意义。

表1 外排土场物料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of materials in external-dump

该矿外排土场基底岩石为第四系，岩性强度较低，再加上松散物料的胶结程度较差，尤其是在水的作用影响下，极易引起排土场变形失稳，物料物理力学参数见表1.由于基底较软，滑弧可穿过基底，其滑动模式是圆弧滑坡。研究掌握影响含水弱胶质排土场边坡稳定性的关键因素，并依据其确定最佳排土参数，对保证排土场安全具有重要意义。

1 排土场稳定性影响因素分析

1.1 边坡稳定性计算方法

Bishop法是计算边坡稳定性的一种有效的计算方法[19-20]，以极限平衡法为基础，则稳定系数表示为

(1)

图1 Bishop法条块受力分析Fig.1 Block stress analysis of Bishop

Bishop法的基本思想是：取条块竖直方向的合力为零，则有

Wi+(Ti-Ti+1)-Sisinαi-Nicosαi-Uilicosαi=0

(2)

将Si=(Cli+Nitanφ)/Fs代入式(2)并整理得

(3)

将Ni的表达式代入Fs的定义式得

Fs=

(4)

(5)

式中 Wi为滑体重力；Ui为底部滑面上水的平均压强；Ei和Ei+1为垂直界面上的水平反力；Ti和Ti+1垂直界面上的剪切反力；Ni为底滑面上的垂直反力。

从边坡稳定性分析的计算公式可以看出，滑体重力和台阶坡面角是影响稳定性的重要外部因素，而含水率的变化直接影响滑体的重度

γ=γd(1+ω)

(6)

式中 γ为边坡土体重度，t/m3；γd为土的干重度，t/m3；ω为含水率，%.

1.2 排土场边坡构成特征

露天矿排土场边坡的形成有2种典型方式：①先形成下部排土台阶，再依次向上逐水平形成排土台阶；②当下部排土台阶发展具有最小平盘宽度后，上部排土台阶与其同时发展。排土场的形成方式要根据排弃物料强度及排土场基底性质确定，从式(7)可以看出，台阶高度和平盘宽度直接影响边坡角度的大小。

图2 排土场边坡结构Fig.2 Slope structure of external-dump

(7)

式中α为排土场最终边坡角，(°)；h为台阶高度，m；β为台阶坡面角，(°)；b为平盘宽度，m；H为排土场总高度，m；n为台阶数目，个。

1.3 影响排土场边坡稳定性因素

1.3.1 台阶坡面角

各排土台阶是构成排土场总高度的基本单元，保证排土场边坡稳定的首要任务是保持单个台阶的稳定。分析在10 m台阶高度及干燥条件下的边坡稳定系数与台阶坡面角的关系，其结果如图3所示。从图3可以看出，随台阶坡面角的增大，稳定系数呈负指数趋势减小。

图3 稳定系数与台阶坡面角的关系Fig.3 Relation of stability factor with bench slope angle

图4 稳定系数与含水率的关系Fig.4 Relation of stability factor with moisture content

1.3.2 含水率

水是影响露天矿边坡稳定的重要因素，尤其是对弱胶质物料而言，本身岩性强度较低，物料极具吸水性，坡体物料含水率的变化直接影响排土场边坡稳定性。分析10 m台阶高度及台阶坡面角为25°时稳定系数与含水率变化关系，其结果如图4所示。从图4可以看出，稳定系数与含水率呈直线关系下降。

1.3.3 平盘宽度

排土场边坡角为最下部台阶的坡底线与最上部台阶坡顶线的连线与水平面的夹角，平盘宽度直接影响到边坡角度的大小。平盘宽度增大使边坡角度变小，进而使边坡稳定性有所提高(图5)，但是却使排土空间容量降低。

图5 稳定系数关系与平盘宽度Fig.5 Relation of stability factor with bench flat width

1.3.4 台阶高度

为保证排土场的稳定，首要的是需保证单台阶的稳定。图6分析了台阶高度增大对台阶稳定性的影响，随台阶高度的增大，台阶稳定系数逐渐降低；另外，在排土场总高度和排土平盘宽度不变的情况下，台阶高度的增大同时使排土场边坡的稳定性降低，如图7所示。

图6 单台阶稳定系数与台阶高度关系Fig.6 Relation of stability factor with bench height of single bench

图7 排土场稳定系数与台阶高度关系Fig.7 Relation of dump stability factor with bench height

2 边坡稳定性的正交试验模拟

为确定各因素对稳定性的影响程度，需进行多因素敏感性分析。假定各影响因素具有3个水平，分别为+10%，0，-10%，敏感性因素各水平值见表1.

表1 敏感性因素水平表Table 1 Sensibility factors level

各因素之间不存在相关性，按照正交试验原理选用表L9(34)，见表2.

表2 敏感性因素正交表Table 2 Orthogonal array of sensibility factors

从表2可以看出，由台阶坡面角25°，含水率20%，平盘宽度27 m和台阶高度9.9 m组成的方案5对应的稳定系数最低。而通过极差分析，确定各因素的敏感性排序分别为：平盘宽度、台阶高度、台阶坡面角、含水率。

经计算，在含水率20%条件下，五林矿排土场边坡角度为21°时能达到的最低稳定性1.2的要求。因此，五林矿排土场参数按照不超过21°的最终边坡角进行优化。由于平盘宽度对排土场稳定性的影响程度最大，平盘宽度越大对稳定性越有利。结合台阶高度和台阶坡面角对边坡稳定系数的影响敏感性顺序，并根据式(7)有：在边坡角度一定的情况下，台阶高度越大则平盘宽度越大，台阶坡面角越大则可以增大平盘宽度及边坡稳定性有显著影响。

表3 多因素敏感性分析的极差统计Table 3 Range analysis statistics of multi-factors sensitivity analysis

图8 五林矿排土场稳定系数与边坡角关系Fig.8 Relation of dump slop stability factor with slope angle of Wulin open-pit

在设备排弃能达到的排土台阶高度范围内对单台阶进行分析，分别获得对应不同台阶高度且能满足最低稳定系数1.2的台阶坡面角，分析结果见表5，台阶高度18 m且台阶坡面角为23°确定为排土台阶最佳排弃参数。

表5 排土场单台阶分析结果Table 5 Stability factor analysis results for sigle bench of external-dump

依据公式(7)，确定平盘宽度为4.48 m，远低于按照排土平盘半径最低15 m要求。以排土台阶高度18 m，台阶坡面角23°，平盘宽度15 m作为排弃参数，此时排土场边坡角降低为18°，稳定性系数能够达到1.477.

3 结 论

1)影响含水弱胶结边坡稳定性的主要因素分别为台阶坡面角、含水率、平盘宽度和台阶高度；随着台阶坡面角、含水率和台阶高度的增大，边坡稳定系数逐渐降低，而平盘宽度的增大对提高边坡稳定性有利；

2)通过构建4因素3水平的正交模型，并模拟不同条件的边坡稳定系数，通过极差分析，确定了各因素影响边坡稳定性的敏感排序为：平盘宽度、台阶高度、台阶坡面角、含水率；

3)以五林油页岩露天矿为例，对该矿以第四系为基底的排土场进行了分析模拟，确定最佳排土参数为：台阶高度18 m，台阶坡面角23°，平盘宽度15 m.