扎哈淖尔露天煤矿软弱基底排土场变形区治理研究

刘敬玉，赵立春

（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古 通辽 029100）

由于排土场不能人为的自由选址，加之排土运距、征地困难和环境保护等条件限制，排土场的变形破坏、边坡稳定性是影响露天煤矿安全生产的重要因素[1-2]。我国多数露天煤矿对排土场地未经严格勘察和设计，因而这些排土场边坡时常发生失稳破坏，严重影响了矿山的正常生产与安全。历史上排土场边坡发生失稳曾有惨痛的教训，因此有必要对现有排土场边坡进行稳定性分析及评价，从而为采取合理的治理措施提供依据[3-6]。

1 排土场稳定性影响因素及潜在的滑坡模式

1）稳定性影响因素。排土场边坡的内部不存在结构面，其稳定性的主要受排土场基底的工程性质、形态、排土场的高度及角度等因素的影响。排土场覆盖范围内基底形态大体分为近水平、顺倾、逆倾3 种形态。当排土场基底面的倾向与排弃物边坡倾向相反时边坡稳定性较好，相同时稳定性差[7-8]。

2）潜在的滑坡模式分析。确定滑坡模式是边坡稳定性分析的前提，排土场边坡是由松散的碎石土人工堆积而成，因而在本质上可以认为是碎石土材料，这类边坡的稳定性不仅取决于材料本身的强度，而且更重要受到排土场基底岩土体抗剪强度、堆积坡度和高度、水流渗透压力及动水压力等因素影响，如果基底为软弱岩层而且力学性质低于排弃物料的力学性质时，则软基底在排土场荷载作用下必产生地鼓，发展到一定程度然后导致排土场滑坡[9]。根据扎哈淖尔露天煤矿排土场现状和基底岩性考虑，确定其以过主滑线位置的剖面为例，判断其潜在的滑坡模式为推动式的部分切层－顺层－挤出性滑动。

2 排土场数值模拟

结合软弱基底排土场潜在滑坡模式，考虑到排土场潜在变形区破坏位置确定的复杂性，采用SIGMA/W 有限元软件数值模拟的方法对排土场的稳定性进行分析，通过有限元法应力－应变位移云图来判断变形区的发展过程进而确定最危险的变形破坏区。

2.1 模型建立

根据排土场的排土现状、软弱基底形态和基岩顶板等高线等地层信息建立数值模拟模型，采用四边形和三角形相结合节点有限元网格，模型共有网格1 094 个节点，1 009 个单元，模型排土场高度为70 m、砂层厚度45 m，新近系厚度9 m，南北长为1 950 m，各地层从上至下分别为：排弃物料，第四系粉土、新近系黏土，风化泥岩带。

2.2 现状排土场变形

通过SIGMA/W 有限元软件数值模拟得到的软弱基底排土场变形云图如图1。

图1 软弱基底排土场变形云图

受第四系、新近系软弱基底影响，排弃物料在自身自重的影响变形以沉降、滑移为主。其中模型最大滑移量为24.3 m，坡顶滑移区影响范围0～350 m，坡底滑移区影响范围0～320 m；最大沉降为12.4 m，隆起平均4.3 m 坡顶沉降区影响范围0～730 m，坡底滑移区影响范围0～200 m。在现阶段排弃高度下，边坡上部以沉降变形为主，边坡中部以滑移为主，坡底处以隆起为主。在排土场边坡上部的推动作用下，中、下部土体出现变形，受软弱基底的影响，形成类椭球形的变形区，其中边坡中部的变形区滑移量大于沉降量。

2.3 排土场稳定性

软弱基底排土场边坡稳定性计算结果图如图2。

图2 软弱基底排土场边坡稳定性计算结果图

由于前期通过扩大产能、发展建设速度和经济原因考虑，排土场基底一般不做水文地质和工程地质勘查，这样造成对排土场基底地层赋存、软弱基底结构面产状和岩性指标等情况都不甚清楚，这也增加了软弱基底排土场边坡问题研究的难度。在现阶段排弃高度下，通过计算得到边坡的稳定系数为0.958，处于欠稳定状态，现状边坡变形处于初加速和均加速阶段，滑坡模式为推动式的部分切层-顺层-挤出性滑动，当排土场边坡暴露时间过长、大气降雨量与降雨强度及冻融影响下，易造成滑坡，在未滑动之前建议采用坡角处压脚、坡顶卸荷减载或者两者方案结合实施治理工程措施。

3 排土场边坡变形区边坡治理

结合以往边坡工程治理实践可知，边坡滑坡治理措施包括3 大类，即卸荷减载、坡角处压脚；增强、增大边坡岩体强度；利用三维效应，制造支挡物。扎哈淖尔露天煤矿排土场边坡已经形成多年，对于未排之前的防治措施（破坏弱层回填岩石、爆破滑面等）来说并不适用；采用锚索、抗滑桩及挡墙等方式进行人工加固时，适用硬岩基底边坡，不建议采用。针对软弱基底排土场边坡的变形，唯一有效可行的措施是对边坡进行卸荷减载、坡角处压脚，减小下滑力，增大抗滑力，进一步提高边坡稳定性。

排土场坡坡底滑移区影响范围0～320 m，而采、排场之间的安全距离为300 m，若在排土场坡底进行压脚工程，将影响采场边坡稳定。所以排土场边坡变形区边坡治理方案为排土场坡顶卸荷减载方案，北排场卸载方案为卸载为10、20 m 2 种。计算得出的不同卸载高度下排土场坡底位移、排土场坡顶位移、采场边界位移和排土场稳定系数见表1。排土场边坡卸荷减载后变形云图如图3，排土场边坡卸荷减载后稳定性计算结果图如图4，排土场和采场不同卸载高度下变形量如图5。

表1 不同卸载高度下排土场变形量和稳定系数结果表

图3 排土场边坡卸荷减载后变形云图

图4 排土场边坡卸荷减载后稳定性计算结果图

图5 排土场和采场不同卸载高度下变形量图

由图5 可知，随着排土场卸载高度的增加，排土场坡底位移、排土场坡顶位移采场边界位移值均成减小趋势，排土场边坡稳定系数成升高趋势，因此，综合考虑排土场边坡变形和稳定性，排土场卸载20 m，变形和稳定性均能满足规范要求。

4 结语

1）通过有限元法极限平衡计算可知，排土场边坡的稳定系数为0.958，处于不稳定状态，现状边坡变形处于初加速和均加速阶段，滑坡式为推动式的部分切层-顺层-挤出性滑动。

2）通过排土场坡坡底滑移区影响范围0～320 m，而采、排场之间的安全距离为300 m，若在排土场坡底进行压脚工程，将影响采场边坡稳定，不建议采用压脚工程治理措施。

3）随着排土场卸载高度的增加，排土场坡底位移、排土场坡顶位移采场边界位移值均成减小趋势，排土场边坡稳定系数成升高趋势。

4）综合考虑排土场边坡变形和稳定性，排土场卸载20 m，变形和稳定性均能满足规范要求。