含基底软弱层的露天煤矿内排土场边坡形态动态优化

刘 干，马婧佳

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

含基底软弱层的排土场边坡失稳是露天煤矿常见边坡灾害之一，弱层本身性质较其它岩性小，且具有流变性，物理力学性质随着时间的推移缓慢降低，对内排土场边坡稳定性的影响程度高[1]。内排土场边坡主要的失稳模式有：沿排土场地表接触面滑动、沿排土场软弱层的滑坡、内排土场表层的局部坍塌以及沿排土场边坡内部滑面形成的滑坡。因此，内排土场基底含有弱层，将直接影响内排土场的滑坡模式[2]，进而影响边坡稳定性计算中滑动破坏方式的选择。若弱层问题处理不好，将会使得内排土场边坡的稳定性降低，进而对内排相关参数及内排容量产生影响，甚至影响到露天矿山的生产安全。开展含软弱基底内排土场边坡稳定性验算[3-4]是确定露天煤矿合理排土场高度与角度，进而确定排弃量的前提，是保证露天矿山安全有序的排土工作和煤炭资源安全经济回采的重要条件。

以扎哈淖尔露天矿为工程背景，扎哈淖尔露天矿内排土场为基底含有软弱层的边坡，岩体力学性能较差。针对软弱基底露天矿排土场普遍存在的变形破坏问题[5]，结合扎哈淖尔露天矿内排土场边坡的工程实际，基于极限平衡理论，选取安全储备系数与典型计算剖面，分析了内排角度及内排土场发展至不同工程位置对内排土场边坡稳定性的影响。对动态发展的内排土场边坡稳定性进行评价，对不满足安全要求的边坡参数进行调整。对于露天矿下一步的排土场的发展，改善内排土场参数，增加内排土场容量[6]，掌握内排土场边坡的滑动破坏模式[7]，指导露天矿山内排工作安全生产，有着重要的意义。

1 露天矿排土工程概况

1.1 露天矿排土工程概述

根据设计选定的开采工艺，露天矿的排弃方式分为2 种：排土机排土场和推土机排土场。排土机排土场承担连续工艺和半连续工艺系统剥离物的排弃，推土机排土场承担单斗-卡车工艺系统剥离物的排弃，在矿山内排土场排弃工作，以上2 种排弃方式均有采用。

横采条件下[8]，随着剥采工程发展，内排土场向北、向西发展。随着采场北帮逐步到界实现压北帮内排，在此之前均为留沟内排，内排土场基底顺倾，不利于边坡稳定性，而且其压帮倾向长度将影响到采场南帮边坡的长期稳定性，随着内排土场向西向北发展，边坡高度逐渐增大，因而有必要分析其发展至不同工程位置时的稳定性，同时对采矿设计中的内排土场边坡稳定性进行验算，有必要时对内排参数进行调整。

1.2 露天矿内排土场工程地质条件分析

内排土场边坡主要由松散排弃物料及基底组成，内排土场基底为煤层底板泥岩弱层，且向北倾斜，横采条件下，随着剥采工程发展，内排土场向北、向西发展。随着采场北帮逐步到界实现压北帮内排，在此之前均为留沟内排，内排土场基底顺倾。排土场基底地层岩性的差异，也是影响边坡稳定的重要因素。对于基底顺倾的内排土场边坡来说，基底弱层的赋存情况、弱层的岩土体物理力学参数以及弱层的含水率等条件对内排边坡稳定性的影响显著。

综上所述，由于矿山含有软弱基底，随着排弃高度增加，当坡体的自身荷载超过下部软弱层的承载力时，内排土场边坡具有沿着场地下部的软弱层产生滑动的趋势，滑动模式为圆弧-折线式。

2 露天矿内排土场边坡形态优化

2.1 边坡稳定性计算方法

极限平衡方法是最常用的边坡稳定性分析方法[9]，常用的极限平衡分析法主要有剩余推力法、瑞典圆弧法、简化Bishop 法等。扎哈淖尔露天矿内排土场的潜在滑坡模式为以IVC 煤层底板为底界面的切层-顺层滑动，滑动面形状为圆弧-折线复合型，基于Bishop 法与剩余推力法2 种算法的原理，进行计算软件的二次开发，实现了上部圆弧-下部斜切的组合滑动面稳定性计算。

2.2 边坡安全储备系数确定

按照GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范中的规定，内排土场小于10 年的安全储备系数宜为1.2，内排土场大于等于10 年的安全储备系数宜为1.3。考虑到矿山内排的实际情况与内排跟进速度，综合确定内排土场的安全储备系数为1.2。边坡稳定系数Fs值见表1。

表1 边坡稳定系数Fs值

2.3 边坡稳定性计算参数及剖面位置确定

扎哈淖尔露天矿边坡稳定性分析计算采用的岩土体力学参数指标及其确定方法见表2。

表2 岩土体力学参数指标及其确定方法

结合扎哈淖尔露天矿内排土场边坡的工程实际，以东西向剖面图为例进行分析，内排土场稳定性计算剖面位置如图1。

2.4 内排土场边坡稳定性验算及形态优化

由于矿山松散体物料与基底泥岩接触时间短、黏结不充分，二者的接触面可视为黏聚力极差、摩擦角较小的软弱层面，因此，内排土场的潜在滑坡模式为以IVC 煤层底板为底界面的切层-顺层滑动。

图1 内排土场稳定性计算剖面位置

内排土场发展为工作线平行布置，向西倾向推进，以+850 m 水平作为服务分界线，卡车与排土机2 种排土方式并行排土。其中，+850 m 水平以下采用卡车排土，+850～+1 057 m 水平由3 套排土机进行排土。

为验算内排土场发展过程中的稳定性，选取一走向剖面上的2 个典型工程位置进行稳定性分析，计算时分别考虑了存在基底弱层和弱层被破坏2 种工况，以工程位置I 基底弱层不被破坏时内排土场为例，工程位置I 基底弱层不被破坏时内排土场稳定性计算结果如图2；工程位置II 基底弱层不破坏时内排土场为例，工程位置II 基底弱层不破坏时内排土场稳定性计算结果如图3。

图2 工程位置I 基底弱层不被破坏时内排土场稳定性计算结果

图3 工程位置II 基底弱层不破坏时内排土场稳定性计算结果

分析内排土场向西发展过程中典型位置的稳定性可知，当内排土场基底弱层不被破坏时，存在一定的滑坡风险，需要局部调整边坡角度，或采取破坏底板等方式进行处理；当弱层被破坏后，内排土场边坡角12°，标高增高至+1 057 m 水平时仍能够满足安全储备系数1.2 的要求；另一方面，由于基底形态的起伏和各平盘宽度的不断变化，内排土场增高后的稳定性不一定会降低。内排土场西帮典型工程位置排土场稳定性计算结果见表3。

2.5 2023 年内排土场的构成

2023 年内排土场已经形成卡车排土场、岩破排土场、轮斗排土场的连片排土场。西侧卡车排土场是该矿横采内排形成的排土场，其推进度受坑内剥采工程进度的影响，同时布置在坑内的3 号煤破碎站也需及时移设，保证卡车内排土场的跟进。经过内排加高10 m 后，卡车排土场位于930 m 水平以下，排弃高度为24 m。

表3 内排土场西帮典型工程位置排土场稳定性计算结果

中部为岩破排土机排土场，新增2 号岩破排土机平行排弃，计划布置在970 m 水平，只有下排，下排高度为40 m，下排标高930 m 水平，视根据推进度和工作线长度确定。1 号岩破排土机扇形排弃，经过内排加高10 m 后，站立于1 000 m 水平，上排标高为1 017 m 水平，下排标高为970 m 水平。岩破排土机站立水平不改变，根据卡车内排土场的推进度适当调整下排高度。

东部为轮斗排土机排土场，此时轮斗排土机由原有的北排土场逐年过渡至内排土场，轮斗排土机扇形排弃，布置于1 050 m 水平，上排标高为1 067 m 水平，下排标高为1 017 m 水平。

3 结语

1）参照GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范，并综合考虑边坡重要性、服务年限以及工程地质条件、力学参数掌握程度，确定内排土场的边坡安全储备系数为1.2。

2）按照调整后的设计方案，内排土场向西发展过程中，当基底弱层不被破坏时，在不同的工程位置，存在一定的滑坡风险，需要局部调整边坡角度，或采取破坏底板等方式进行处理，保证内排动态变化的过程中边坡的稳定性。

3）当弱层被破坏后，内排土场稳定性系数明显提高，内排土场增高至+1 057 m 水平时仍能够满足安全储备系数1.2 的要求。

4）建议在开采IVC 煤时，将其底板弱层进行处理并回填岩性较好的大块，以改善内排土场稳定性。建议做好排弃过程中边坡监测措施，同时露天矿生产过程中应做好坑内排水措施，防止内排基底遇水泥化，强度减小而引起滑坡灾害。