地震荷载作用下露天矿外排土场扩容边坡稳定性分析

陈德付

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

排土场的容积严重制约矿区的生产水平[1]。排土空间的不足会造成采剥失衡、土岩剥离物无处排弃，影响矿区的正常生产。针对新疆天池能源南露天矿排土空间不足的问题，可以通过增高排弃堆积高度来增加排土场容量[2]，并考虑地震荷载下的边坡稳定性，以确保扩容方案的可靠性[3]。

国内对外排土场的增高扩容有较多的工程实例：王勇[4]对沿帮排土场进行增高扩容，给出扩容具体设计参数，并制定了提高边坡稳定的措施；张海娟[5]分析了影响尾矿库稳定性的几个因素，并论证了尾矿库加高扩容的可行性；李晓俊[6]对外排土场现状边坡稳定进行计算分析，提出响应的治理措施，达到增高扩容所需的边坡稳定状态。除了扩容后的边坡稳定，对地震下的边坡稳定也有专家学者进行研究[7]：刘玉叶等[8]在地震工况下利用瑞典条分法，求出边坡处于不稳定-基本稳定状态；白崇宇[9]基于Midas建立数值模型，对地震工况下边坡稳定性进行评价，结果与实际监测情况基本吻合；李峥祥等[10]采用Geo-Studio 研究了高尾矿库在地震作用下的动力稳定，并对尾矿库安全运行提出了合理建议。但以上学者增高扩容设计时均未研究地震荷载对增高扩容后的边坡稳定性影响。为此，考虑地震荷载影响因素[11]，对新疆天池能源南露天矿外排土场增高扩容设计方案；基于基底极限承载能力分析，得出外排土场的极限堆弃高度，根据所得结果对扩容方案进行设计；并利用Geo-Slope 与Geo-Quake/W 对扩容后的排土场边坡稳定性进行分析，确保扩容后的外排土场稳定性。

1 工程概况

1.1 现状分析

新疆天池能源南露天矿位于新疆准东地区，地势总趋势呈北高南低的缓倾斜坡。共有1 个内排土场和3 个外排土场，其中北外排土场和沿帮外排土场位于北帮，三采区外排土场紧邻南帮。北排土场和三采区排土场均已排弃到界，内排土场边坡和南帮均是稳定边坡，北帮常出现小规模滑坡现象。目前仅沿帮排土场剩余不足2 000 万m3排弃空间，为保证生产接续，因此需对北帮外排土场进行增高扩容开展研究，对边坡稳定性进行充分考虑。一方面是考虑北帮外排土场的边坡是否处于稳定状态，另一方面需要考虑增高扩容后边坡的稳定，特别是在地震荷载下的边坡稳定。

选取新疆天池能源南露天矿沿帮外排土场边坡为研究模型。边坡剖面线示意图如图1。

图1 边坡剖面线示意图

1.2 力学参数

端帮与外排土场中主要地层有第四系地层、白垩系地层和侏罗系煤系地层。第四系地层主要由亚黏土、砂组成，半固结，偶见砾石，不含水，其边坡类型为一类一型。白垩系地层主要由细砂岩、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩组成，岩心较破碎。侏罗系煤系地层在沉积过程中具周期性、韵律性，存在与煤系地层成分不同的泥质含量较大的夹层。这些软弱层呈单层及交替的薄层互层状，局部地段成为密集分布带，主要分布于各煤层顶底板附近。矿区岩质边坡以软弱岩体为主，其天然状态下绝大多数岩石单轴极限抗压强度小于30 MPa，另有极少部分半坚硬岩体，其单轴极限抗压强度处于30～60 MPa。该地层构造简单，虽含水（富水性弱），但易于疏干，易风化、软化，岩质边坡类型为二类一型。

矿区岩石强度小于6 MPa 的软岩主要是分布在浅表的泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩及泥质含量较高的中砂岩。抗压强度大于15 MPa 的硬岩主要是分布在Bm 煤层底板之下的细砂岩及粉砂岩，其他地段多为岩石强度在6～15 MPa 的中硬岩类。首采区内剥离物强度大部分为介于6～15 MPa 的中硬岩类，岩石强度在平面上变化不大，硬岩含量17.62%，因此，将本区剥离物强度勘探类型定为第二类中硬岩类一型。具体岩层参数见表1。

表1 岩层参数

2 扩容方案

2.1 基底承载能力

排土场的基底承载能力对边坡的稳定性具有重要意义，当基底承载力不足以承载基底以上的物料时，排土场边坡产生变化失稳。在对外排土场进行扩容设计时，需要先对排土场的基地承载能力计算分析，以确保排土场基底足以承载上覆排土物料。关于基底极限承载力的研究，目前有矿山设计规范中的计算方法和太沙基极限承载力理论。

1）厚表土层基地极限承载力计算法。当排土场的基底为平缓厚表土层时，基底极限承载力p0可通过基底表土相对压缩变形（△h/h=20%）和基底表土层抗剪强度2 种方式来确定。

式中：ρ 为排弃物料密度，t/m3；H 为排土场堆高，m；△h 为表土层压缩变形，t/m；h 为表土层厚度，m；e1为孔隙比；a 为基底表土层压缩变形，MPa-1。

式中：φ 为基底表土内摩擦角，（°）；C 为基底表土层黏聚力，MPa。

2）薄表土层基底与极薄表土层基底极限承载力计算法。当排土场的基底表土层为薄表土层与极薄表土层时，排土场极限堆高决定于下覆基岩强度与变形，其中基岩的承载能力可取单轴抗压强度的1/3，变形形态取决于变形模量与荷载分布形式。

3）矿山设计规范中，在矿山设计规范中有对排土场基底极限承载力的计算表达式，具体为：

采用矿山设计规范中的计算方法，对排土场基底极限承载力进行计算。由外排土场岩体物理力学参数可以得知，外排土场基底强度为黏聚力为179.4 kPa，内摩擦角为36.8°，外排土场的极限堆积高度为370.76 m。目前矿山外排土场总排弃高度为69 m，远小于排土场极限堆积高度，可以对外排土场进行增高扩容设计。

2.2 扩容方案

边坡稳定性分析计算采用Morgenstern-Price法。为确保排土场扩容的可靠性，先对外排土场边坡稳定性现状进行分析。边坡自下而上岩层为细砂岩、泥岩、杂色泥岩，模型长度327 m，高度105 m。未扩容前外排土场边坡稳定性系数如图2。

图2 未扩容前外排土场边坡稳定性系数

外排土场未扩容时，边坡稳定性系数为1.679，整体处于稳定状态。未扩容前的边坡处于稳定状态为排土场扩容提供了前提条件，可以进行外排土场加高扩容方案设计。外排土场目前排弃物料高度为70 m，由基地承载力计算分析、矿山地质条件和排土场的初设布置综合考虑，扩容设计最终排弃高度设计为100 m。本次扩容共设计2 种方案，平台宽度均为30 m，单台阶坡面角均为33°，方案Ⅰ为排土台阶高度设计至25 m，共4 个排土台阶，总体排弃高度为100 m；方案Ⅱ为排土台阶高度设计至20 m，共5 个排土台阶，总体排弃高度为100 m。

2.3 稳定性分析

方案Ⅰ外排土场边坡稳定性系数如图3，方案Ⅱ外排土场边坡稳定性系数如图4。

图3 方案Ⅰ外排土场边坡稳定性系数

图4 方案Ⅱ外排土场边坡稳定性系数

根据煤炭工业露天矿边坡工程设计标准规定，服务年限大于20 年的外排土场，边坡稳定性系数不小于1.2。由2 种方案的边坡稳定性数值模拟分析结果可知：2 种方案均满足边坡稳定性要求；方案Ⅱ相较于方案Ⅰ稳定性系数较高，故本次外排土场扩容方案选择方案Ⅱ，即排土台阶高度为20 m，共5 个台阶，设置平台宽度为30 m，单台阶坡面角为33°，总体排弃高度为100 m。

3 地震下边坡稳定性

地震震动是边坡失稳的主要诱因之一。通过大量的地震灾害调查表明，地震诱发的边坡滑动具有危害大的特点。地震对外排土场边坡稳定性影响的问题，其实是反应土体强度。有的文献则将地震对边坡稳定性的影响划分为累积效应和触发效应，前者主要通过边坡岩土体塑性破坏和孔隙水压力累计上升等体现，后者是指地震波在传播过程中地壳介质的瞬时快速振荡，导致地震活动性增加。

地震导致边坡破坏的原因主要有：①地震条件下有效应力的降低和孔隙水压力的增大，将土体的抗剪强度降低；②地震惯性力导致土压力增大，影响到土体应力状态。

南露天煤矿位于《中国地震动参数区划图》中地震动峰值加速度0.05g 的分区内，即相当于传统的Ⅵ级地震烈度区，地震微弱。

在方案Ⅱ模型基础上，运用Geo-Quake/W 对扩容后边坡添加地震荷载，其地震荷载具体参数参考《中国地震参数区划图》。地震荷载下边坡稳定性系数如图5。

图5 地震荷载下边坡稳定性系数

通过数值模拟分析结果可以得知：在地震荷载作用下的边坡稳定性系数为2.088。相对于无地震荷载下的边坡，其稳定性有所下降。但边坡稳定性系数仍大于1.2，依旧符合煤炭工业露天矿边坡工程设计标准规定。故方案Ⅱ设计的外排土场增高扩容边坡，在地震荷载作用下，满足设计要求。

4 结语

分析了新疆天池能源南露天矿外排土场基地承载能力，外排土场排边坡稳定，存在增高扩容的可能。采用对比分析法，研究2 种单台阶数量和段高方案下的边坡稳定性系数，确定单台阶高度和台阶数量。扩容后的边坡稳定性虽有下降，但仍满足设计规范要求。