塔尔煤田II 区块露天矿外排土场边坡形态优化

李成盛

（中国机械设备工程股份有限公司，北京 100073）

随着我国经济的快速发展，煤的需求量日益增加，露天煤矿规模也逐步增大[1-2]。产能提高的同时，排弃物料也随之增多，要求外排土场的容量增大，外排土场边坡逐渐高陡，边坡稳定性降低。针对露天矿外排土场边坡形态优化，学者们展开了大量研究。马力等[3]根据瑞典条分法、简化Bishop 法、Janbu法，优化了外排土场的边坡形态，增加了红沙泉露天煤矿外排土场的容量；李天华等[4]通过理论分析和数值模拟的方法，分析了昆阳磷矿排土场的稳定性，确定了磷矿排土场的排弃高度和最终帮坡角；孙成亮[5]基于极限平衡理论和刚体极限平衡分析法，对外排土场边坡的失稳过程进行模拟，最终确定依兰露天矿外排土场的最佳边坡角；郝全明等[6]以扎哈淖尔露天矿排土场为工程背景，通过数值模拟方法，分析了外排土场边坡可能存在的位移与塑性区的分布特征，确保了外排土场边坡的稳定性。

本文在考虑外排土场边坡断面形态效应的同时[7]，采用刚体极限平衡分析法和数值模拟相结合的手段[8-10]，对塔尔煤田Ⅱ区块露天矿外排土场边坡形态进行优化，可为类似的边坡形态优化提供参考。

1 工程背景

巴基斯坦塔尔煤田II 区块露天煤矿边坡岩体构成主要有第四系砂土层、第三系软岩层和古近系煤、软岩层等。该露天煤矿边坡地层顺倾，倾角约2°；坡体内共含3 个关键性弱层和3 个含水层，弱层岩石强度等级均为极软；弱层岩性以泥岩、炭质泥岩或粘土质粉砂岩为主，泥质含量较高，结构比较松散，稳定性差；泥岩吸水性强、持水性也较强，遇水易软化、膨胀和崩解。

随着外排土场不断增高，其基底为第四系砂土，力学性能较差，有可能在排土场载荷作用下发生破坏，进而诱发滑坡。

考虑工程地质条件的变化情况、地质信息的掌握程度；依据各相关规范，同时根据扩产方案，扩产后实现全内排时间大约在运维期第5.5 年，即各帮最大服务年限为10 年左右。综合兼顾岩土体指标掌握程度、滑坡引发的潜在危害、边坡服务年限及边坡重要程度等因素，确定的巴基斯坦塔尔煤田II 区块露天煤外排土场边坡安全储备系数见表1。

表1 外排土场边坡安全储备系数

2 原边坡稳定性

原设计外排土场边坡形态参数：台阶高度为20 m，平盘宽度为36 m，台阶坡面角为33°，最终排弃标高为＋140 m 水平。为了验证原设计外排土场参数的合理性，有必要对其稳定性进行评价；若评价结果高于安全储备系数要求，可缩短平盘宽度，进而增加排土容量；若评价结果低于安全储备系数要求，可增大平盘宽度，进而达到安全要求。外排土场各帮原设计边坡稳定性评价结果如图1，外排土场原设计边坡稳定性评价结果汇总见表2。

图1 外排土场各帮原设计边坡稳定性评价结果

表2 外排土场原设计边坡稳定性评价结果汇总

分析图1、表2 可知：原设计外排土场边坡最小稳定性系数为1.795，位置在南帮1－1′剖面附近；其他区域的稳定性系数均在1.80 以上，远远大于安全储备系数1.4 和1.5 的要求。因此，为了增大外排土场容量，对外排土场各帮边坡进行重新优化设计。

3 边坡形态优化

3.1 逐水平形态优化方法

排土场最终排弃标高一定的条件下，边坡形态优化的实质是在满足边坡稳定的前提下确定其各个排弃平盘的最小宽度。计算方法选用应用最为广泛的刚体极限平衡分析法[11]，最优平盘宽度确定原理如图2。

图2 最优平盘宽度确定原理

令：K 为安全储备系数，平盘宽度为B，Fs为边坡稳定性系数；并作如下假设：

1）滑坡模式为沿排土场地下部分的软弱夹层发生滑坡（如图中的1、2、3 滑面）。

2）当B＝a 时，Fs＜K；当B＝b 时，Fs＝K；当B＝c时，Fs＞K，式中：a 为小于b 的任意值；c 为大于b 的任意值。

首先设计一个初步方案，各平盘宽度的确定顺序是由下至上进行验算，直至确定出各个平盘宽度的最优值，使Fs接近

按照假设条件：对于最下部水平台阶，若B＝a（对应的台阶坡面为蓝色线），则逐步增大平盘宽度值，直至B＝b（对应的台阶坡面为紫色线）；若B＝c（对应的台阶坡面为蓝色线），则逐步减小平盘宽度值，直至B≈b。至此，确定了该水平的平盘宽度，接下来确定下部第2 水平台阶的平盘宽度值，依次向上逐个台阶搜索最危险滑动面（图中的1、2、3 滑面），其原理基本相同。

3.2 边坡形态参数

基于原设计外排土场边坡稳定性评价结果可知，原设计参数过大，为了增大外排土场容量，对外排土场各帮边坡进行重新优化设计，外排土场各剖面边坡形态优化结果如图3，外排土场各位置边坡形态优化结果见表3。

图3 外排土场各剖面边坡形态优化结果

表3 外排土场各位置边坡形态优化结果

分析图3、表3 可知：优化后的外排土场边坡稳定系数均能满足安全储备系数要求；外排土场西帮、北帮、东帮和南帮＋100 m 水平的平盘宽度在10.5～23 m，＋120 m 水平的平盘宽度在15～17.5 m；从安全角度出发，最终设计西帮、北帮、东帮和南帮＋100 水平的平盘宽度为23 m，＋120 m 水平的平盘宽度为17.5 m；考虑到现场组织施工因素，＋100 m 水平的平盘宽度为25 m，＋120 m 水平的平盘宽度为20 m。

4 形态优化效益分析

根据排土场现状模型，分台阶计算剩余容量，新设计与原设计排土场各台阶剩余容量见表4。

表4 新设计与原设计排土场各台阶剩余容量

分析表4 可知：新设计参数的外排土场比原设计参数的外排土场在100～120 m 水平可多容纳2.79 Mm3的排弃物料；在120～140 m 水平可多容纳6.37 Mm3的排弃物料；总计多容纳9.16 Mm3的排弃物料。由此可见，新设计的排土场边坡在保证安全的基础上，实现了外排空间最大化。

5 结语

1）在充分考虑边坡断面形态效应的基础上，基于极限平衡理论，分析了外排土场边坡稳定性，为露天矿实现安全高效生产提供了强有力的技术支撑。

2）原设计的外排土场稳定性远远高于安全储备系数要求，新设计的外排土场形态为：＋100 m 水平的平盘宽度为25 m；＋120 m 水平的平盘宽度为20 m。

3）新设计参数的外排土场比原设计参数的外排土场可多容纳9.16 Mm3的排弃物料。