平朔东露天矿局部超高段排土边坡稳定性研究

赵登娟，许 昌，孙 宽，邵 宾，李庆尧

（中煤平朔集团有限公司 东露天矿，山西 朔州 036006）

平朔东露天矿剥离运输系统为电铲－卡车间断工艺，运煤系统为电铲（前装机）－卡车－端帮带式输送机运输半连续工艺系统，2 套原煤运输系统的破碎站分别布置于工作帮南部4＃煤与9＃煤底板，因原煤巷道内排水及平盘实际推进缓慢的影响，破碎站移设滞后，导致南部土场下部平盘无法及时跟进。前期东露天矿受征地影响，矿坑北部工作线推进较南部滞后约600 m，导致工作帮北部台阶长期处于滞后状态，内排土场北部空间也无法及时释放。

平朔东露天矿正处于榆岭矿采空区，采空区平面面积约126 万m2，局部还存在4＃煤与9＃煤复合采空区，采空区的勘探制约煤层上部剥离台阶推进，采空区范围内对杂煤的处理降低了煤层开采进度，从而导致矿坑下部台阶整体推进慢，造成内排土空间出露不及时，导致内排空间紧张，造成排土运距增加和排土场重心提升，直接影响生产设备效率的发挥与生产成本增加。

综合考虑破碎站移设滞后、征地、采空区等因素的影响下，造成了东露天矿内排土场空间紧张，在无法实现外排的前期下，提出了局部高段排土技术。局部高段排土需要确定合理的高段排土平盘及段高，并借助软件分析内排土场边坡稳定性[1-3]。

1 坡面稳定性评价标准

极限平衡法是边坡稳定性分析的常用方法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。通过对比分析，本次稳定计算采用毕肖普法、Janbu 法和Spencer 法来综合确定边坡的稳定性系数[4-6]。

采用极限平衡分析法对边坡进行安全评价分析，边坡安全储备系数是边坡稳定分析计算中的一个定量参数，它直接关系到设计边坡的经济性与安全性。GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范第6.0.8 条明确规定了内排土场边坡安全储备系数Fs的选用范围。根据平朔东露天矿研究区域地质条件、构造条件，对于排土场边坡，选取边坡安全储备系数为1.20。认为Fs＞1.2 时边坡稳定，1.1＜Fs＜1.2 时边坡基本稳定，1.0＜Fs＜1.1 时边坡存在一定风险，Fs＜1.0时边坡不稳定。

2 坡面临界值分析

2.1 滑坡破坏模式和边坡稳定性计算方法与参数

内排土场上部排土台阶由黄土和岩石混合物料排弃而成，下部排土台阶由松散的岩石组成，滑坡破坏模式也是上部垂直裂缝，下部呈圆弧面滑落，内排土场基底为11＃煤底板，岩性主要为中砂岩、细砂岩、粉砂岩，岩石强度较高，地基承载力可以满足边坡的稳定，基底比实坚硬，可能出现切坡角滑坡，边坡潜在的滑移模式为圆弧形[7-8]。东露天矿内排土场边坡稳定计算岩体强度参数见表1。

表1 东露天矿内排土场边坡稳定计算岩体强度参数

露天矿边坡稳定评价指标采用安全系数法，设计中计算采用毕肖普法法和瑞典条分法，瑞典条分法与简化毕肖普法计算公式如下：

式中：Fs为抗滑稳定安全系数；ci为有效黏聚力，Pa；li为土条i 的弧长，m；Wi为土条自重力，N；αi为滑弧切线角，（°）；ui为孔隙压力，Pa；φi为有效内摩擦角，（°）。

式中：mi为第i 个条块的计算系数。

内排土场排弃的均为松散物料，边坡潜在的滑移模式为圆弧形，经计算瑞典条分法稳定系数较小，结果取瑞典条分法的值[9-11]。

为了保障现场局部高段排土安全的同时，最大限度放宽限制条件，东露天矿根据实际排土作业环境，设置不同作业参数找到边坡失稳极限。为了找到边坡失稳临界值，自变量为内排土场平盘宽度与基底倾角，平盘宽度分别为40、50、60、70、80 m，各平盘宽度分别对应内排土场基底倾角为8°、6°、4°、2°、0°、－2°、－4°、－6°、－8°，依次得出内排土场局部稳定系数与边坡整体稳定系数，排土场台阶标高分别为1 140、1 260、1 290、1 320、1 350、1 380、1 410、1 430、1 450 m。

内排土场局部1 140～1 260 m 水平实施了超高段排土，段高120 m，最下部排土平盘实施高段排土，相比其它平盘高段排土，既可以降低卡车运距，又可最大限度增加内排土场排土空间，同时满足下部剥离平盘对下部排土空间的需求。

2.2 稳定性分析

根据东露天矿实际排土情况，1 410 m 水平平盘以上为土台阶，其它为岩石台阶，依次分析各参数下边坡稳定性。不同参数时内排土场边坡稳定系数见表2。

表2 不同参数时内排土场边坡稳定系数

由表2 可知，内排土场平盘宽度40～80 m、基底倾角－8°～8°时，边坡整体都稳定。平盘宽度40 m 时，局部高段排土边坡存在风险，平盘宽度50 m 时，基底倾角在－2°～2°时，局部高段排土边坡基本稳定，平盘宽度60 m 时，基底倾角在－2°～2°时，局部高段排土边坡稳定，其它倾角时，局部高段排土边坡基本稳定，平盘宽度70～80 m 时，局部与整体边坡都稳定。

此次研究主要涉及因素有内排土场基底倾角与内排土场平盘宽度，将此二者作为自变量，研究因变量内排土场局部与整体边坡稳定系数。各参数下局部稳定系数趋势示意图如图1。各参数下内排土场整体稳定系数趋势示意图如图2。

图1 各参数下局部稳定系数趋势示意图

图2 各参数下内排土场整体稳定系数趋势示意图

由图1 可知，内排土场基底倾角与内排土场平盘宽度改变时，同平盘宽度内排土场局部稳定系数曲线基本趋于平缓，说明内排土场局部边坡稳定系数对基底倾角（－8°～8°）敏感性差。当基底倾角位于0°附近时，曲线向上凸起，说明在平盘宽度不变时，基底倾角不论正负，绝对值越小内排土场局部边坡稳定系数越大。反观，当基底倾角一定时，随着内排土场平盘宽度增加，局部边坡稳定系数也随之柔和过渡增大，说明内排土场局部边坡稳定系数对平盘宽度较敏感，因此，内排土场局部稳定系数主要受平盘宽度制约。当基底倾角位于－8°～8°时，为了保证排土局部边坡边坡安全，平盘宽度要在60 m 及以上。

由图2 可知，内排土场基底倾角与内排土场平盘宽度改变时，同平盘宽度时内排土场整体稳定系数曲线基本趋于平缓，说明内排土场整体稳定系数对基底倾角（－8°～8°）敏感性差。当基底倾角一定时，随着内排土场平盘宽度增加，整体稳定系数也随之增大，尤其当平盘宽度增加至70～80 m 时，较较小平盘宽度内排土场整体稳定系数出现突变增大，说明内排土场整体稳定系数对平盘宽度敏感度较高。当基底倾角位于－8°～8°时，为了保证排土整体边坡与设备生产作业安全，平盘宽度要在40 m 及以上。

3 局部超高段排土技术措施

东露天矿煤层属于近水平（倾角小于5°）煤层，由于破碎站移设、采空区影响与征地滞后影响，最下部11＃煤台阶推进缓慢，内排土场下部平盘空间紧张，为合理增加下部排土空间，同时降低卡车运距和生产成本，依据上述模拟进行分析，在内排土场基底倾角范围为－8°～8°时，只有在内排土场平盘宽度≥60 m 时才可保证内排土场局部与整体边坡稳定。因此在可以满足内排土场空间要求时，东露天矿在实施下部排土平盘超高度排土时，需保证排土平盘宽度不低于60 m，在排土空间暂时极度缺乏时，借助“边坡失效”理论，排土平盘宽度可缩小至50 m，此时局部超高段排土边坡基本稳定，待下部空间释放后，迅速在下部释放空间反向堆排，降低超高段排土段高。

4 结语

1）通过分析影响内排土场边坡稳定因素：内排土场基底倾角与平盘宽度，得出了内排土场超高段排土局部与整体边坡稳定临界值。

2）通过调整自变量内排土场倾角与平盘宽度，得出基底倾角位于－8°～8°时，倾角对边坡稳定性影响较小，平盘宽度对边坡稳定性影响较大。

3）当内排土场基底倾角位于－8°～8°时，超高段排土段高为120 m 时，平盘宽度达到40 m 及以上可以保证整体边坡稳定。平盘宽度达到60 m 及以上可以保证局部超高段边坡稳定。