新疆天池南露天矿内排土场高段排土边坡稳定性分析及排土方案

王胜利，杜明翰

（1.新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

但随着露天煤矿开采技术的逐渐成熟，规模的逐渐扩大，开采剥离物也随之增加，需要投入大量人力和空间用于修建排土场。内置排土场作为典型大型人工堆积体，可以有效地缩短排土运距，从而加快开采进度，降低排土成本。但为了获得更大的排土空间，由松散排弃物堆积而成内排土场堆高和边坡倾角越来越大，随之而来的是各环节可能发生的各种不稳定因素，从而导致边坡失稳，引发各种地质灾害问题[1]。为确保内排土场在安全稳定的前提下获得更大的排土容积，进行科学合理的内排土场边坡稳定性分析及排土方案研究将显得尤为重要。

基于此，针对新疆天池能源有限公司南露天矿巨厚倾斜煤层，在对西帮内排土场的稳定性研究的基础上[2]，提出新的排土方案来解决物料排弃过程中存在的安全隐患。对内排土场进行科学合理的边坡稳定性分析及支护措施研究的同时，为设计、筛选出最优的内排土场方案提供了理论基础。

1 矿山概况

天池能源有限公司南露天矿位于新疆准东煤田大井矿区西部，为简单单斜构造，巨厚倾斜煤层，平均煤层厚度76.46 m，局部倾角超过15°，边坡以软岩居多，受风化、崩解和冻融影响显著。工作帮剥离物水平较高，内排土场下部台阶容量较小，上部容量大，剥离物下运困难。高段排土可有效解决下运难题[3]，其可行性和方案亟待研究。

340 m 水平排土场主要用来容纳400 m 水平、385 m 水平剥离产生的物料，其中385 m 水平产生物料4.86 万m3，400 m 水平产生物料34.1 万m3，共39 万m3。但340 m 水平排土场建立存在安全隐患，工作帮400 m 水平的物料在其下部的运输通道折返运输到340 m 水平，并从底板上跨越至340 m 水平排土场，其间折返4 次；工作帮385 m 水平的物料运输过程中折返3 次。在折返的过程中，400 m 水平的物料下运60 m，385 m 水平的物料下运45 m。同时，物料在下运过程中还会与工作帮400 m 水平以下的运煤卡车对向行驶。

2 数值计算模型

采用PFC2D软件模拟边坡[4-5]，需结合设备的计算能力及预期计算时间进行颗粒数目调整[4]。为获取边坡稳定性计算时所需要的细观参数，需开展小尺度试验，让小尺度试验得到的应力应变曲线与真实物理试验对应。小尺度试验将决定后期边坡稳定性模拟过程中的颗粒数[6]，见式（1）。

式中：n 为小尺度试验中的颗粒数；Amin为PFC2D小尺度试验模型面积，m2；Amax为PFC2D边坡模型未切坡前面积，m2；nmax为设备计算颗粒数目上限。

小尺度试验模型同时受颗粒粒径与模型尺寸影响[7]，如式（2）。

式中：Lmin为模型最小边界尺寸，m；Rmax为模型内颗粒最大半径，m。

通过式（1）与式（2），即可得到PFC2D小尺度试验模型面积以及参数标定时所需要的颗粒数。

土石混合体为一种材料软硬夹杂的物质，土这类细小颗粒不考虑外观对试验的影响，采用Ball 来表示，室内实验试样中所夹杂的石块度不规则且不受土颗粒剪压发生破坏，采用Clump 来进行模拟。

排土场面积Amax为323 550 m2，小尺度试验模型长取30 m，高取60 m，计算得到Amin为1 800 m2。由此计算，小尺度试验模型n 为2 225 个。根据式（2），得到颗粒的最大半径应小于600 mm。一般PFC2D颗粒最大与最小半径之比为1.66，得到颗粒的最小半径应为360 mm，结合试样模型进行修正，最大颗粒的半径确定为644 mm，最小颗粒的半径确定为400 mm。在二维模型中，一般默认为0.16 的孔隙率，颗粒的占比为42%，刚性簇的占比为42%。两者在边界条件中混合生成，最终得到含石率为50%的土石混合体模型。边界条件中生成Ball 997 个，生成Clump 360 个。

3 既有内排土场边坡稳定性

内排土场所处的西帮岩层与边坡呈顺倾，且煤层底板泥岩力学强度指标相对较低，易在坡角处形成剪出；其滑动面是由软弱层面和切层部分的圆弧面组成的复合滑面，即西帮边坡的破坏模式主要为沿煤层底板的滑动的“坐落滑移式”。现西帮内排土场的标高水平分别为565、550、520、490、460、430、400、370、340 m，其中565 m 水平排土场台阶高度为15 m，340 m 水平排土场随底板降深变化，台阶高度的范围在10～20 m。结合西帮内排现状，选取2 块具有代表性的区域进行分析。

3.1 剖面Ⅰ稳定性

在剖面Ⅰ的强度折减过程中，对失稳判据中所要求的平均速度指标进行细化，即将内排土场根据排弃高度的不同分隔为9 个区域，每个区域的监测位置为位于坡面的物料。判断边坡失稳的条件为是否有所监测区域的颗粒平均速度超过边坡雷达的3级报警阈值。

通过强度折减计算得到剖面Ⅰ边坡的安全稳定系数为1.223，在折减系数为1.224 时计算得到的位移云图如图1。在折减系数为1.223 与1.224 时边坡各区域的平均速度曲线如图2。

图1 折减系数为1.224 时颗粒流模型位移云图

图2 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

由图1 可以看出：剖面在565～460 m 水平产生位移相对较大，为21～56 mm；滑体后缘滑移，并在490 m 水平排土场的坡底处剪出，使490 m 水平排土台阶出现滑坡；490 m 水平排土台阶的坡脚处的位移为105～140 mm。

由图2 可知：在折减系数为1.223 时各区域的平均速度在强度折减后出现扰动，并在10 000 步之内降低，随后速度在25 000 步时边坡稳定；在折减系数为1.224 时，从区域4 的平均速度可以得到490 m 水平的排土台阶在5 000～15 000 的计算过程中速度有所提高，表现出在单台阶试验中的滑坡特征。

3.2 剖面Ⅱ稳定性

在剖面Ⅱ的强度折减过程中，失稳判据中所要求的平均速度指标进行细化，即将内排土场根据排弃高度的不同分隔为7 个区域，每个区域的监测位置为位于坡面的物料。判断边坡失稳的条件为是否有所监测区域的颗粒平均速度超过边坡雷达的三级报警阈值。

通过强度折减计算得到边坡的安全稳定系数为1.235，在折减系数为1.236 时计算得到的位移云图如图3。在折减系数为1.235 与1.236 时边坡各区域的平均速度曲线如图4。

图3 折减系数为1.236 时颗粒流模型位移云图

图4 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

由图3 中颗粒可以看出：滑坡的主要区域在520～400 m 水平，剪入口在520 m 排土平盘中部，剪出口在430 m 排土台阶坡脚处。滑体区域内颗粒的位移在1.07～2.50 m，其中490 m 排土场坡面处的颗粒位移相比最大，在1.98～2.50 m。

由图4 可知：在折减系数为1.235 时各区域的平均速度在强度折减后出现扰动，并在10 000 步之内降低，随后速度在25 000 步时边坡稳定；在折减系数为1.236 时，区域3 的平均速度变化最为明显，在5 000～20 000 之间与折减系数为1.235 时的差距最大；除区域1 和区域7 外的其余水平在10 000～20 000 步也出现少量的滑动。

3.3 内排土场边坡稳定性

剖面Ⅰ的安全稳定系数为1.223，565～460 m 水平产生位移相对较大，为21～56 mm；其中490 m 水平排土台阶的坡脚处位移最大，为105～140 mm。

剖面Ⅱ的安全稳定系数为1.235，520～400 m 水平产生位移相对较大，为1.07～2.50 m；其中490 水平排土台阶的坡面颗粒位移最大，为1.98～2.50 m。

故推断滑坡位置主要集中在490 m 水平排土场及其附近水平。

4 基于物流规划的高段排土方案

4.1 矿区物流规划现状及高段排土方案

露天煤矿将煤炭采出后进行内排时都涉及所有剥离物料的重心均向下偏移，在物料运输的过程中都将出现物料下运的现象。同时在南露天煤矿这种进行陡帮开采的横采的巨厚煤层倾斜露天煤矿中，南端帮角度从28°提升到了34°，400、370 m 水平运输通道变为5 m 的保安平盘，只能从北帮煤底板处铺设道路进行运输，形成上部水平南帮运输、下部水平北帮运输的运输系统。

工作帮400、385 m 水平的剥离物料运输至340 m 水平排土场，本质上来看就是在狭小的作业空间中，装满物料的卡车进行高差较大的连续下坡折返运输，其间还会受剥离卡车空车返回、采煤卡车重车上运影响[8]。

高段排土方案为：舍弃掉340 m 水平排土场，使之与370 m 水平排土场并段形成45 m 的内排台阶。在370 m 水平45 m 排土台阶建立完成后，工作帮400 m 水平下运30 m，385 m 水平下运15 m，从而内排土场建设运输路线得到有效简化[9]。

4.2 设计稳定性分析

计算得到安全稳定系数为1.209，边坡在折减系数为1.210 时580 m 排土场失稳，影响范围为580、550 m 水平与490 m 水平的排土台阶，边坡破坏程度较小。设计方案在不同折减系数下的位移云图如图5。不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线如图6。

图5 设计方案在不同折减系数下的位移云图

图6 不同折减系数下边坡各区域平均速度曲线

方案设计的边坡在1.209 的折减系数下表现出稳定的特征。在折减系数为1.210 时，580 m 排土场首先出现失稳特征，速度曲线波动幅度较大且在计算结束时速度仍在0.23 m/s，在计算过程中，490 m排土的速度在11 000 步时也出现波动，剩余区域较1.209 折减系数下的速度曲线波动也较大。

5 结语

在结合散体理论与离散元仿真软件的基础上，通过建立宏观参数与细观参数间的关系，确定了西帮排土场稳定性与高段排土方案。

1）在西帮选取了剖面Ⅰ和剖面Ⅱ2 个剖面，分别计算了边坡的安全稳定性；得到剖面Ⅰ的安全稳定系数为1.223，剖面Ⅱ的安全稳定系数为1.235；从滑坡的位置来看，主要集中在490 m 水平排土场及其附近水平。

2）根据南露天矿现有的开拓运输系统与物流流向，提出建立580～550 m 水平与370～325 m 水平排土台阶的设计方案；高段排土技术运用成熟且对排土空间需求增大后，在580 m 水平试行建立595 m水平45 m 排土台阶。