河曲旧县露天矿内排增高设计及稳定性分析

罗 科，张 宇，刘 震

（山西煤炭进出口集团 河曲旧县露天煤业有限公司，山西 忻州 036500）

排土场是露天开采的重要部分，研究排土场的稳定是确保露天矿安全生产及可持续发展的重要措施。国外排土场治理主要集中在环境保护及资源利用方面，通过法律法规严格规范矿区排土、复垦工作，实现土地资源与环境保护的有机结合[1]；国内排土场设计以经济角度出发，保持“少征地，大容量，运距短”，在保证安全的前提下，追求经济效益的最大化[2]。基于安全和经济原则，在对河曲旧县露天矿排土场现状分析后，对排土场进行优化，实现“性价比”的最大化。

1 矿山概况

河曲旧县露天煤矿位于河曲县城旧县乡范家梁村、硬地峁、何家焉一带，行政区划属河曲县旧县乡。2009 年通过兼并重组，原河曲县范家梁石堡子煤业有限公司等8 座煤矿成立的山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，整合后批准开采8#～14#煤，采用露天开采的方式，生产规模300 万t/a，矿田面积24.953 6 km2。

河曲旧县露天矿于2012 年正式开工建设，建设工期36 个月。2017 年生产能力由300 万t/a 核增为800 t/a。目前，河曲旧县露天煤业有限公司露天煤矿主要进行首采区的开采工作，剥离物排弃已完全由外排转为内排土场排弃作业。

目前，矿区所设4 个外排土场，1 号、2 号、3 号外排土场实现全面覆土还垦，单台阶排弃高度20 m，相对排弃高度为80、100、40 m；4 号排场也在进行覆土还垦工作，单台阶排弃高度24 m，相对排弃高度72 m 左右。4 个外排场整体边坡角12°～20°，基底岩性为第四系，主要由浅黄色亚砂土和砂土等组成，基底强度相对较低。

内排土场根据位置不同为4～6 个台阶，单台阶排弃高度24 m，整体边坡角为19°。基底以泥质岩类为主，局部为黏土岩类，强度较高，但其中泥质岩类遇水易膨胀、崩解、强度亦降低，因此要做好防排水。

2 物理力学指标及内排场现状

2.1 物理力学参数

河曲旧县露天矿拥有大量的原始钻孔钻探及井测资料。在原始资料基础上，在首采区附近新增32个ZK 系列和23 个YZ 系列浅孔，并进行相关物理力学试验，进一步完善工程地质资料，为了露天开采提供更加准确的基础资料。

通过对矿区初步设计、地质报告及新增钻孔资料中岩土体物理力学指标试验成果的搜集、归纳、整理与分析[3-4]，结合相邻露天煤矿岩土体物理力学成果资料，综合研究确定了本次山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司露天煤矿岩土物理力学指标推荐值，岩土物理力学指标推荐值见表1。

表1 岩土物理力学指标推荐值

2.2 内排边坡稳定情况

由于内排土场属于临时性边坡，根据《露天煤矿工程设计规范》、研究区域地质条件以及现场建筑物分布情况，选取内排场整体边坡安全储备系数为1.2。即边坡稳定系数大于1.20，边坡处于稳定状态。

边坡稳定性分析常用方法有2 类[5-6]：①极限平衡法，例如Morgenstern-Price 法、Spencer 法、Bishop条分法等；②有限元强度折减系数法（SSRF：Shear Strength Reduction Factor），抗剪强度折减系数法与极限平衡分析法中所定义的土坡稳定安全系数在本质上是一致的。

边坡稳定验算与分析计算采用极限平衡法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直截实用的特点。为了准确了解内排现状边坡情况，选取4 个典型剖面进行分析，采用slope 软件中的Morgenstern-Price 法分析内排土场边坡稳定性。以NP-3 为例，NP-3 剖面工程地质模型简图如图1、NP-3 剖面边坡稳定分析结果如图2。内排边坡稳定性汇总表见表2。

近年来，有些农民充分利用当地有利灌溉条件、沙壤土质和适宜的有效积温等优势，大力发展高效农业，其中西瓜套种地瓜高效种植模式及栽培技术就很受农民的欢迎。该技术可以有效地提高农民的经济收入，有利于农村的经济结构调整，适宜在北方寒冷地区有灌溉条件，土层深厚的沙壤土上种植。

图1 NP-3 剖面工程地质模型简图

图2 NP-3 剖面边坡稳定分析结果

表2 内排边坡稳定性汇总表

基于slope 软件计算结果可知，整体边坡稳定系数1.347～1.610，稳定系数大于1.20；局部边坡稳定系数1.056～1.098，稳定系数大于1.05；内排土场局部边坡稳定系数富余不大，易单台阶出现片帮现象，主要原因是排土初期排弃物料密实性较差，经过一定时间自然沉降后排弃物料密实后，稳定性会有一定的提高，在内排土场需做好边坡截排水和片帮区域的清理与维护工作；现状条件下内排土场边坡处于稳定状态。

3 内排增高控制措施

排土场增高首先要满足其地基承载力要求，计算其极限容许排弃高度；其次是排土场的参数设计。排土场参数：排弃台阶高度宽度，排土场边坡角，排土场容积[7-8]。

3.1 堆砌高度

排土场潜在破坏方式通常有2 种[9]：沿排弃物料内部的“圆弧”式变形破坏、沿排弃基底的“坐落-滑移”式变形破坏。破坏的内在本质是地基承载小于上覆排弃载荷。国内外基底承载力计算都离不开以下3 种分析方法[10-11]，太沙基极限承载力理论、有色金属矿山设计规范中的计算方法及基于排土场不同表土层厚度的计算方法。结合钻孔勘探资料及现场实际情况，排弃物料与地基承载力间满。

沙基极限承载公式简化：

式中：p0为地基岩土体极限承载力，kPa；q 为排土段高产生主载荷，kPa；c 为岩土体的黏聚力，kPa；Nq、Nc为地基岩土体内摩擦角相关纲量。

有色金属矿山设计规范中极限状态承载力计算公式为：

式中：φ 为基地岩土体内摩擦角，（°）。

排土场不同表土层厚度的计算时，当表土厚度极薄时，采用1/3 基岩单轴抗压强度作为极限承载力，其他情况见式（3）：

由上述公式分别计算得到极限状态下，内排堆砌高度大约为198.1、286.8、232.3 m。目前内排场堆载120 m，基于安全原则，综合上述公式运算的极限承载力及极限堆砌高度，并且结合现场工程地质条件，得出容许堆砌高度约为192 m。

3.2 排土台阶坡面角优化

内排局部边坡根据计算可知，边坡稳定系数处在1.05 左右，容易出现片帮危险。本着安全生产的原则，保持现状台阶段高24 m 不变，计算不同台阶角度下稳定系数Fs变化规律，并根据分析计算结果绘制出曲线变化图，Fs值随单台阶边坡角变化如图3。

图3 Fs值随单台阶边坡角变化

由图3 可知，当排土台阶Fs满足1.20 时，极限台阶角度约33.32°，结合现场实际情况及矿区初步设计，建议选取33°为台阶排弃角度。

3.3 排弃角度与内排边坡稳定的关系

河曲旧县露天矿随着4 号外排场复垦工作的进行，外排场排弃容量逐步呈现饱和，为缓解排土压力，提高排弃空间，现进行排弃角度的优化。现阶段内排场排弃标高最高为1 064 m，范围较小；与之相连的4 号外排场排弃标高1 076 m。根据现阶段排弃容量需求，以1 076 m 水平作为现阶段增高标高，保持高度不变。计算边坡稳定系数Fs随整体边坡角（15°、16°、17°、18°、19°、20°、21°、22°、23°、24°、25°）的变化规律，由分析结果绘制出边坡Fs值和边坡角变化曲线，Fs值随整体边坡角变化如图4。

图4 Fs值随整体边坡角变化

由图4 可知，在满足安全储备系数1.2 的前提下，极限边坡角约19.76°，结合现场实际情况，选取内排整体边坡角为19°。

4 内排增高方案

根据现场地质调查，现状条件下边坡稳定性均满足安全储备系数要求，内排场未达到其排土收容能力极限，具备增高扩容条件和能力，可以进行内排增高方案研究，提高排土场收容量缩短运距，降低生产成本。

考虑1.20 安全储备系系数要求，最终确定内排增高设计。内排排土段高为24 m，排土台阶坡面角为33°，道路平盘宽度40 m，选取1 076 m 水平作为现阶段增高最终标高，增高可以实现内外排土场一体化，实现内排外排连成一体。

1）内排增高方案设计。选取的典型剖面NP-1、NP-2、NP-3、NP-4 排土标高分别为1 064、1 053、1 064、1 028 m。基于4 号外排场及内排现状，对NP-1、NP-2、NP-3 进行增高设计，分析内排增高后边坡稳定系数。

2）增高方案稳定分析。根据对选取的3 个典型内排增高剖面计算结果可知：内排土场边坡按照设计方案增高到设计方案标高后，边坡稳定系数均能满足1.20 安全储备要求，所以现状边坡可考虑进行内排增高。根据设计增高方案和矿区首采区现状，考虑外排及内排的合理性，按照设计方案进行排弃，其内排收容量可增加约470 万m3。

5 结语

1）基于Morgenstern-Price 法分析现状内排场稳定情况，现状内排边坡稳定性良好，稳定系数大于1.20。

2）由承载力计算公式计算山西河曲旧县内排极限高度192 m，同时分析优化单台阶角与整体边坡角，分别为19°、33°。

3）依据内排土场边坡稳定情况，结合内排土场初步设计，提出了内排土场增高方案，在保证边坡安全的前提下，内排增高可提高收容量、缩短运距、降低成本。