扎哈淖尔露天煤矿采场内储煤场稳定性研究

徐长友，冯树清，刘永杰，赵立春

（国家电投内蒙古能源有限公司，内蒙古 通辽 029200）

以卡车为主要运输设备的露天煤矿生产受气候条件影响较大，为了保证煤炭安全、持续、稳定生产，一般在地面系统储煤仓储存一定的煤炭库存外，在特殊天气比如雨、雪天气时还需要在采场内距一次煤破碎站较近的地方建立临时储煤场，便于生产过程中的煤炭应急供应，保证煤炭接续安全和稳定[1-2]。由于储煤场地多数建设在露天煤矿内排或者到界端帮平盘上，基底多为松散物料或者风化后岩土，而且排土场基底未经严格勘察和设计，到界帮局部地质条件复杂，再加上煤场的荷载作用，边坡将发生变形破坏，影响矿山的正常生产与安全，因此，临时储煤场选址前需要结合地形、储煤形态，对其进行安全评价与稳定性分析及优化。

对于边坡稳定性及基底研究一直是国内外专家关注的热点话题之一，学者们应用不同理论对其展开大量研究。刘树杰等[3]针对安太堡露天煤矿储煤场破碎站东侧边坡出现滑坡迹象，利用有限元分析软件Midas/GTS 提供的有限元强度折减法和应力平衡法对现有边坡进行了分析和预测，根据场地现有条件和工艺要求提出了较为合理的格宾挡土墙的边坡治理方案，并建立了有限元分析模型，计算结果证明此方案设计满足规范要求，边坡安全稳定；梁庞[4]为掌握软土地基上储煤场群桩的受力和变形特性，采用数值模拟和现场试验的方法，对沿海储煤场软弱地基预应力高强混凝土管桩处理方案进行了对比研究，在3 排桩布设方案下，桩顶会承受更大的水平剪力和弯矩，同时第1 排桩身水平位移量超过规范要求的40 mm，容易导致桩体破坏，因此，经对比研究后决定采用四排桩布设方案进行地基加固，加固后的地基竖向沉降和水平位移均在规范允许范围内，取得了较好效果；卢安广等[5]尝试将预应力技术引入圆形储煤场工程建造中，以探索预应力技术在大型筒仓类结构中的应用，利用预应力的数值模拟方法，探索了预应力的作用规律及圆形煤场的内力分布规律，得出预应力对堆煤荷载作用效应有很好的控制效果，但是温度荷载对于预应力的发挥产生了一定的阻碍作用，故在季节性温差越小的地区采用预应力技术效果越好。现有文献大多侧重于储煤场基底加固或者滑坡后治理的研究，因此有必要对储煤场基底变形和稳定性进行分析及安全评价，从而为安全稳定生产提供依据[6-7]。

1 工程地质概况

扎哈淖尔露天煤矿为了应对雨雪天等特殊天气，除在地面系统储煤仓储煤（最大储煤能力0.15 Mt，每天外运0.05 Mt）之外，在采场靠近一次煤破碎站附近修建临时储煤场。场地基本处于采场端帮平盘相对宽裕的地带或排弃加宽以便存煤0.10～0.15 Mt 保证生产连续需要。储煤场形态大致为长方形，长50～200 m、宽为30～200 m、高为8～16 m。

掌握详细的储煤场基底地质条件和赋存特点是边坡稳定性分析和安全评价的前提和基础[8-9]。储煤场的物料及基底岩土体的物理力学参数为潜在滑坡模式的初步判定及边坡稳定性分析提供基础资料，储煤场从上到下岩层分别为煤和松散泥岩基底，各层岩土体物理力学指标见表1，典型计算模型如图1。

图1 典型计算模型图

表1 岩土体物理力学指标

2 稳定性影响因素及潜在的滑坡模式

储煤场边坡的内部不存在结构面，其稳定性的主要受其自身岩性、高度、角度及基底的岩性因素的影响。储煤场覆盖范围内基底形态大体分为近水平状态，基底形态对边坡稳定性影响较小[10-11]。确定滑坡模式是边坡稳定性分析的前提，储煤场是由松散的煤块堆积而成，这类边坡的稳定性主要取决于材料本身的强度、堆积坡度和高度，同时必须到松散泥岩基底岩土体抗剪强度、水流渗透压力及动水压力等因素影响，如果基底为松散岩层而且力学性质低于松散煤的力学性质时，则松散基底在自身荷载作用下必产生地鼓，发展到一定程度然后导致滑坡[12]，而通过上述岩性指标分析，松散煤层力学指标明显低于基底松散泥岩。根据扎哈淖尔露天煤矿临时储煤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近圆弧滑动，沿松散煤体内的潜在滑坡模式如图2。

图2 沿松散煤体内的潜在滑坡模式

3 边坡数值模拟安全评价分析

结合储煤场边坡潜在滑坡模式，考虑到其潜在变形区破坏位置确定的复杂性，拟用采用SIGMA/W有限元软件数值模拟的方法对其稳定性进行分析，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。

根据储煤场现状、松散泥岩基底形态和煤岩层顶板等高线等地层信息建立数值模拟模型，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4 911 个节点，4 702 个单元，模型储煤场高度以12 m、坡面角30°、坡顶宽度40 m 为例，岩层从上至下分别为松散煤和松散泥岩。数值模拟模型如图3。

图3 数值模拟模型

为了研究不同形态下变形情况，以典型剖面为数值模拟对象，构建储煤场不同高度、坡顶宽度模型，其中高度分别为8、12、16 m，坡顶宽度分别为20、30、40、50、100 m，进行排列组合共计15 个模型，分别计算。因为计算模型很多，现以边坡高度12 m，坡顶宽度40 m 为例，通过SIGMA/W 有限元软件数值模拟，边坡高度12 m 坡顶宽度40 m 变形云图如图4，边坡高度12 m 坡顶宽度40 m 变形曲线图图5，其他不同坡顶宽度变形云图与此类似。

图4 边坡高度12 m 坡顶宽度40 m 变形云图

图5 边坡高度12 m 坡顶宽度40 m 变形曲线图

储煤场受自重和松散泥岩基底影响，边坡变形以坡顶沉降、坡底隆起为主。在边坡高度一定的情况下，松散煤坡顶宽度越大，坡顶和松散泥岩基底变形范围越大；随着松散煤坡顶宽度的增加，坡顶最大变形量逐渐增加，但变化幅度不明显，坡顶宽度20、30、40、50、100 m 对应最大位移量为131、131.5、132.2、133.1、133.3 mm；随着松散煤坡顶宽度的增加，坡底变形范围明显增加，最大位移量变化幅度明显增加，坡顶宽度20、30、40、50、100 m 对应坡坡底范围分别为9.17、12.81、16.55、18.98，19.01 m，说明坡顶宽度越大，坡底变化幅度较大，坡顶宽度对坡底影响范围比较明显，坡顶宽度大于50 m，坡顶宽度增加，坡底变形增加不是较明显；坡顶宽度20、30、40、50、100 m 对应松散泥岩基底最大位移量为58、59、60、65、68 mm 说明坡顶宽度越大，基底变化幅度很小，坡顶宽度对坡底影响范围不是较明显。

储煤场边坡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、松散基底结构面产状和岩性指标等情况都不甚清楚，这也增加了松散物料边坡问题研究的难度，通过现场测试，其边坡坡面角为30°，边坡稳定性受边坡高度、坡顶宽度和基底岩性影响较大，为了分析储煤场边坡不同高度、坡顶宽度的稳定程度，分别建立其边坡高度分别为8、12、16 m，坡顶宽度分别为20、30、40、50 m，共计12 个模型。现以边坡高度12 m，坡顶宽度40 m 为例，通过SIGMA/W 有限元软件计算储煤场边坡稳定性，边坡高度12 m 下对应的不同坡顶宽度下边坡稳定结果如图6，其他不同边坡高度和坡顶宽度边坡稳定性计算结果与图6 类似，不同高度不同坡顶宽度稳定系数结果表见表2，在坡顶宽度一定情况下，确定不同高度下边坡满足安全储煤系数1.2 要求，在坡顶高度一定情况下，确定了不同坡顶宽度满足安全储备系数1.2 的要求。

图6 边坡高度12 m 下对应的不同坡顶宽度下边坡稳定结果

表2 不同高度不同坡顶宽度稳定系数结果表

坡顶宽度一定的情况下，边坡高度越大，计算出来的稳定系数越小，边坡稳定程度越低，安全风险越大；在边坡高度一定情况下，坡顶宽度在20～40 m范围内，坡顶宽度越大，计算出来的稳定性系数越低，稳定程度越低，边坡稳定性系数变化幅度明显；当坡顶宽度大于40 m，边坡稳定性系数变化幅度明显减少，说明坡宽度对边坡稳定性影有限，主要受坡高控制；坡顶宽度40 m，储煤场高度16 m 时，边坡稳定系数小于1，边坡安全风险较高，会发生安全事故，生产现场严禁按照此形态进行存储作业。另外，作业设备在采装时单台阶超高，煤堆存在塌落风险。郭永峰[13]对原煤堆、洗混煤堆、洗精煤堆开采过程中的研究认为，煤堆地含水率较低，颗粒之间的黏聚力较小，在煤堆坡角开挖，将发生2～3 次大规模塌滑和若干次小型滑动。在采用装载机时煤堆高度控制在4 m 左右，超过4 m 时要用长臂液压反铲进行装载，使煤堆坡角小于自然安息角，保证安全作业。

4 结语

1）通过有限元法和极限平衡法得到煤场边坡滑坡模式为近圆弧形滑动，在一定范围内基底变形随着煤场坡顶宽度增加而增大。

2）通过计算可知，坡顶宽度达到40 m 后，边坡稳定性系数变化幅度明显减少，说明坡宽度对边坡稳定性影响有限，满足安全储备系数为1.2 边坡形态和储煤场空间形态。

3）描述了储煤场装载时存在安全风险，通过控制开采坡角小于自然安息角来保证设备作业安全。