張 準(zhǔn),張傳偉,田 涯,王 然
(1.永平縣羊街煤炭有限公司,云南 大理 671000;2.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650000;3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
露天礦山因其生產(chǎn)規(guī)模大、安全性好及資源回收率高等特點(diǎn)在我國煤炭開采中被廣泛采用,得到了快速發(fā)展[1],煤炭資源露天開采的比例已經(jīng)增長至20%[2]。在露天礦山的生產(chǎn)過程中,排土是整個(gè)露天采礦工藝的重要環(huán)節(jié),具有內(nèi)排條件的礦山一般都會(huì)盡量多的選擇內(nèi)排方式進(jìn)行剝離物的排棄。為了縮短運(yùn)距和減小外排土場征地費(fèi)用,眾多礦山在內(nèi)排土的使用中考慮了增高擴(kuò)容,以提高內(nèi)排土場的容量,最大程度的獲得經(jīng)濟(jì)效益[3]。
目前眾多學(xué)者對(duì)內(nèi)排土場基底承載力及增高擴(kuò)容方面進(jìn)行了較多研究。趙貴彬等[4]針對(duì)扎尼河露天煤礦內(nèi)排土場,采用預(yù)留底煤的方式對(duì)內(nèi)排土場增高擴(kuò)容進(jìn)行穩(wěn)定性控制,完成了內(nèi)排土場的增高擴(kuò)容;周永利[5]通過在內(nèi)排土場布置鉆孔,獲取巖土體物理力學(xué)參數(shù),并選取排土場典型剖面分別進(jìn)行了現(xiàn)狀分析及擴(kuò)容后穩(wěn)定性分析,確定了內(nèi)排土場擴(kuò)容后的臺(tái)階參數(shù);曹殿華等[6]分析了魏家峁露天煤礦排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素,列出多組增高擴(kuò)容方案,通過邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行擴(kuò)容后排土場穩(wěn)定性分析,確立了最終擴(kuò)容方案。
為此,以某順傾斜基底露天礦內(nèi)排土場為例進(jìn)行研究,針對(duì)基底承載力分析內(nèi)排土場極限排棄高度,設(shè)計(jì)內(nèi)排土場增高擴(kuò)容方案,并運(yùn)用極限平衡法評(píng)價(jià)內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性。
本礦煤層為近水平賦存,傾角小于8°,采用沿煤層走向方向推進(jìn),滿足內(nèi)排條件,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)完全內(nèi)排。剝離物排棄采用自卸卡車-推土機(jī)排土方式,這種方式機(jī)動(dòng)靈活,對(duì)設(shè)備要求的作業(yè)空間小,可以最大程度上利用有限的內(nèi)排空間,內(nèi)排土場臺(tái)階邊坡角度為33°,為礦山剝離物料自然安息角,單個(gè)排土臺(tái)階高度為30 m。
排土場邊失穩(wěn)形式與端幫邊坡不同,因?yàn)榕磐翀鍪鞘芑仔螒B(tài)、地形情況和剝離物料粒徑等情況影響,且排土場由爆破采裝和運(yùn)輸后形成的松散物料組成,為大型的松散堆集體。排土場邊坡的破壞模式按滑動(dòng)面不同可分為排土物料滑動(dòng)型、沿基底滑動(dòng)型和沿基底軟弱層滑動(dòng)型3 種[7]。排土場物料滑動(dòng)型又分為圓弧形滑動(dòng)和坐落滑移型。
排土場沿基底滑動(dòng)型滑坡主要是由于排土場基底傾角過大導(dǎo)致,排土物料沿基底擠出,在排土場邊坡體內(nèi)形成張拉應(yīng)力,形成張裂縫,邊坡變形隨著排土物料的增加,當(dāng)結(jié)束排土?xí)r變形停止。沿基底軟弱層滑動(dòng)型滑坡主要發(fā)生在排土場基底含有軟弱層上,滑體前緣處出現(xiàn)隆起,隨著隆起高度的增加,在邊坡頂部出現(xiàn)裂縫,一旦超過整體邊坡阻抗時(shí),將發(fā)生整體滑坡。
根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和相似礦山經(jīng)驗(yàn),確定排棄物料的黏聚力為23.22 kPa,內(nèi)摩擦角為26.4°,物料密度為2.0 t/m3?;讖?qiáng)度為黏聚力為69.19 kPa,內(nèi)摩擦角為29.3°,物料密度為1.31t/m3。內(nèi)排土場邊坡滑坡模式為圓弧滑坡。
內(nèi)排土場增高擴(kuò)容對(duì)礦山縮短運(yùn)距提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義,但內(nèi)排土場擴(kuò)容首先要保證邊坡穩(wěn)定,需要進(jìn)行排土場基底承載力的計(jì)算,排土場邊坡失穩(wěn)的本質(zhì)是基底承載力不足以承載上覆排土物料,邊坡發(fā)生失穩(wěn)。關(guān)于排土場基底極限承載力的研究,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,形成了礦山設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算方法和太沙基極限承載力理論等[8]。為此采用薩卡洛夫斯基的松散介質(zhì)靜力學(xué)理論,排土場基底極限承載力計(jì)算公式為:
式中:p0為基底極限承載力,kPa;c 為黏聚力,kPa;漬為內(nèi)摩擦角,(°)。
由內(nèi)排土場基底黏聚力和內(nèi)摩擦角可得內(nèi)排土場的極限堆積高度為196.5 m,目前礦山內(nèi)排土場單臺(tái)階高度為30 m,共有5 個(gè)排土臺(tái)階組成,總排棄高度為150 m,未達(dá)到內(nèi)排土場極限堆積高度,可以進(jìn)行內(nèi)排土場增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)。
2.2.1 排土場增高擴(kuò)容方案數(shù)值模擬
在大量的邊坡工程分析和研究中,極限平衡分析方法是目前普遍使用的一種定量分析方法。本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用Morgenstern-Price 法進(jìn)行求解。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)排土場基底極限承載力的計(jì)算結(jié)果,對(duì)內(nèi)排土場現(xiàn)狀進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算,內(nèi)排土場現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析如圖1。
圖1 內(nèi)排土場現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析
在未進(jìn)行內(nèi)排土場擴(kuò)容前,內(nèi)排土場整體邊坡穩(wěn)定性為1.883,處于穩(wěn)定狀態(tài),可以進(jìn)行內(nèi)排土場加高擴(kuò)容方案設(shè)計(jì)。排土場現(xiàn)狀邊坡為150 m,經(jīng)過上述計(jì)算,內(nèi)排土場的極限堆積高度為196.5 m。考慮礦山工程地質(zhì)條件和臺(tái)階布置,本次內(nèi)排土場擴(kuò)容高度為30 m,內(nèi)排土場最終排棄高度為180 m。由于該礦山破碎排棄后的剝離物物料自然安息角為33°,故保證內(nèi)排土場單臺(tái)階坡面角度不變,增高擴(kuò)容后的內(nèi)排土場單臺(tái)階坡面角仍為33°。對(duì)單臺(tái)階高度為30 m 的內(nèi)排土場穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,穩(wěn)定性為1.317,處于穩(wěn)定狀態(tài)。本次擴(kuò)容設(shè)計(jì)有2 種方案:①方案1:排土臺(tái)階高度為30 m,增加1 個(gè)排土臺(tái)階,共6 個(gè)排土臺(tái)階,總體排棄高度為180 m;②方案2:排土臺(tái)階高度為45 m,共4 個(gè)排土臺(tái)階,總體排棄高度為180 m。
排土場臺(tái)階高度規(guī)定見表1。
表1 排土場臺(tái)階高度規(guī)定
根據(jù)露天煤礦排土場技術(shù)規(guī)范要求,排土場臺(tái)階高度應(yīng)該根據(jù)排土物料的物理力學(xué)性質(zhì)、運(yùn)輸方式及排棄方式有關(guān),排土臺(tái)階高度應(yīng)該符合表1 的規(guī)定。
通過對(duì)礦田境界內(nèi)采集的力學(xué)試樣進(jìn)行測試,礦田內(nèi)65.6%的剝離物強(qiáng)度大于15 MPa,僅有1%不到的剝離物強(qiáng)度小于6 MPa,所以本礦剝離物為硬巖。在排土作業(yè)時(shí),該礦采用推土機(jī)進(jìn)行排棄,所以結(jié)合剝離物物料種類及排棄方式,本礦山的臺(tái)階高度最大可以為50 m,方案2 排土臺(tái)階高度為45 m 滿足排土場技術(shù)規(guī)范要求。
方案1 排土場邊坡穩(wěn)定性如圖2,方案2 排土場邊坡穩(wěn)定性如圖3。
圖2 方案1 排土場邊坡穩(wěn)定性
圖3 方案2 排土場邊坡穩(wěn)定性
根據(jù)排土場邊坡技術(shù)規(guī)范規(guī)定,內(nèi)排土場邊坡服務(wù)年限小于10 年的,邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2,服務(wù)年限大于等于10 年的,邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3。通過對(duì)2 種方案進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,均滿足邊坡穩(wěn)定性要求。方案2 較方案1 增加內(nèi)排土場容量840 萬m3,故本次內(nèi)排土場擴(kuò)容選擇方案2,排土臺(tái)階高度為45 m,總體排棄高度為180 m。
2.2.2 擴(kuò)容后內(nèi)排土場邊坡失穩(wěn)特點(diǎn)
為了明確該礦山排土場邊坡的破壞范圍與形式,本次數(shù)值計(jì)算還采用國際通用的巖土工程分析軟件FLAC3D對(duì)該礦山的排土場邊坡進(jìn)行建模分析,通過分析排土場邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變及剪應(yīng)變變化情況,可以確定邊坡的變形特點(diǎn)和失穩(wěn)機(jī)制,為邊坡穩(wěn)定性防控提供重要依據(jù)[9]。此外本次數(shù)值計(jì)算還將采用軟件自帶的強(qiáng)度折減法對(duì)排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,與極限平衡法不同,強(qiáng)度折減法的基本原理如式(2)和式(3)。在計(jì)算過程中將邊坡巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角同時(shí)除1 個(gè)折減系數(shù)Ft,將折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)代入方程中進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)邊坡巖體處于臨界破壞狀態(tài)時(shí),對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)Ft,就為邊坡的最小安全穩(wěn)定系數(shù)Fs,即為強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)[10]。其余巖土體參數(shù),如彈性模型、密度和泊松比在計(jì)算中為恒定值,不隨巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的改變而改變。
式中:c 為黏聚力,kPa;φ 為內(nèi)摩擦角,(°);Ft為折減系數(shù);c′為折減后的黏聚力,kPa;φ′為內(nèi)摩擦角,(°)。
首先對(duì)未進(jìn)行排土場增高擴(kuò)容前的現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,未進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)排土場單邊坡高度為30 m,總高度為150 m。采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算,排土場邊坡的自重應(yīng)力、水平應(yīng)力、臨空面位移及最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植既鐖D4。
圖4 排土場現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果
排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性為1.613,處于穩(wěn)定狀態(tài)。自重應(yīng)力沿層狀分布于邊坡內(nèi)部,自重應(yīng)力分布主要受邊坡巖體的自重影響,隨著埋藏的增大自重應(yīng)力隨之增大,自重應(yīng)力峰值為4.31 MPa,沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。水平應(yīng)力由于礦山的剝采工程而產(chǎn)生,隨著臨空面位置巖體的缺失,巖土體向采空區(qū)進(jìn)行應(yīng)力釋放[11],巖體因自重應(yīng)力及泊松效應(yīng)而產(chǎn)生水平應(yīng)力,水平應(yīng)力隨著埋藏深度的增加而增加,僅在坡腳處水平應(yīng)力出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過對(duì)臨空面位移和邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行分析,可以確定該排土場邊坡并無整體滑坡的風(fēng)險(xiǎn),邊坡最大位移及最大剪應(yīng)變集中區(qū)域都位于最上部及最下部單臺(tái)階排土平盤,邊坡處于臨界破壞狀態(tài)時(shí),向臨空面方向的最大位移為5.96 m。
單臺(tái)階高度不變與加高單臺(tái)階高度的2 種擴(kuò)容方案下,分別進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,2 種方案下排土場邊坡的自重應(yīng)力、水平應(yīng)力、臨空面位移及最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植既鐖D5 和圖6。
圖5 方案1 排土場邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果
圖6 方案2 排土場邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果
方案1 擴(kuò)容方案的排土場邊坡穩(wěn)定性為1.607,與為擴(kuò)容之前相比有了一定的下降,但整體還處于穩(wěn)定狀態(tài)。自重應(yīng)力分布仍為層狀分布,隨著埋藏的加大自重應(yīng)力變化規(guī)律與未擴(kuò)容時(shí)相同,均出現(xiàn)上升趨勢,但自重應(yīng)力峰值較未擴(kuò)容時(shí)增加了270 kPa。這主要是由于排土空間增加后,基底上方排土物料重力加大所導(dǎo)致。水平應(yīng)力分布趨勢與未擴(kuò)容時(shí)相同。與為擴(kuò)容時(shí)相同,邊坡最危險(xiǎn)滑面及面向臨空面最大位移均出現(xiàn)在最下部和最上部2 個(gè)排土臺(tái)階,由于擴(kuò)容導(dǎo)致的自重應(yīng)力加大,當(dāng)邊坡處于臨界破壞狀態(tài)時(shí),面向臨空面位移較未擴(kuò)容時(shí)增加了2.26 m。
方案2 擴(kuò)容方案的排土場邊坡穩(wěn)定性為1.523,與未擴(kuò)容和方案1 相比有了較大幅度下降,但仍保持穩(wěn)定狀態(tài),這主要是因?yàn)榉桨? 排土場邊坡單臺(tái)階高度增加至45 m,且方案2 的內(nèi)排土場容積較方案1 增加了840 萬m3,邊坡自重應(yīng)力也隨之增大,自重應(yīng)力峰值較方案1 增加了328 kPa。方案2 排土場邊坡潛在滑面仍出現(xiàn)在最下部及最上部排土臺(tái)階上,與未擴(kuò)容及方案1 相同,因?yàn)榕_(tái)階高度的加大,邊坡處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)面向臨空面位移較方案1增加了2.28 m。
通過綜合對(duì)比分析,該礦山內(nèi)排土場增高擴(kuò)容后邊坡自重應(yīng)力、水平應(yīng)力、臨空面位移及最大剪應(yīng)變?cè)隽康姆植家?guī)律及范圍沒有太大變化,但因內(nèi)排容量的增加,邊坡自重應(yīng)力增加,面向臨空面位移也隨之增加。在實(shí)施擴(kuò)容方案2 后,應(yīng)對(duì)最上部排土臺(tái)階進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,這一區(qū)域位移較大,邊坡頂部會(huì)有不均勻沉降等問題發(fā)生。采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,內(nèi)排土場邊坡均無整體滑坡的風(fēng)險(xiǎn),單邊坡穩(wěn)定性也為1.5 以上,處于穩(wěn)定狀態(tài)。
排土場邊坡的穩(wěn)定性受多方面情況影響,是礦區(qū)多種因素綜合作用的結(jié)果。因此,為了保證排土場邊坡的穩(wěn)定性,確保排土場擴(kuò)容方案的實(shí)施,應(yīng)當(dāng)采取綜合防治措施。
1)在進(jìn)行內(nèi)排作業(yè)前應(yīng)當(dāng)事先做好防排水工作,因?yàn)榈叵滤坝晁葧?huì)對(duì)排土場基底強(qiáng)度形成一定影響,基底長期浸泡在水中會(huì)大幅降低巖土體物理力學(xué)參數(shù)導(dǎo)致承載力下降。
2)避免內(nèi)排土場坡面形成侵蝕沖溝,保持臺(tái)階及臺(tái)階坡面平整,及時(shí)平整沖溝和坡面裂縫等,以免地表水進(jìn)入坡體降低邊坡穩(wěn)定性。
3)在內(nèi)排土場整體加高擴(kuò)容后,邊坡整體穩(wěn)定性變差,排土場基底上方荷載變大,內(nèi)排土場邊坡應(yīng)布置邊坡雷達(dá)及GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)排土場邊坡變形情況。
4)內(nèi)排土場加高擴(kuò)容時(shí),一旦邊坡雷達(dá)開始位移值突變超過預(yù)警值,應(yīng)立即停止擴(kuò)容排土作業(yè),必要時(shí)進(jìn)行削坡減載。
1)分析了內(nèi)排土場的基底承載能力,確定內(nèi)排土場極限承載高度為196.5 m。
2)對(duì)內(nèi)排土場現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),確立了內(nèi)排土場具有擴(kuò)容能力,設(shè)計(jì)了2 種單臺(tái)階高度的擴(kuò)容方案。
3)對(duì)排土場現(xiàn)狀邊坡和2 種擴(kuò)容后的邊坡進(jìn)行了破壞模式分析,根據(jù)排棄物料特性及排土工藝驗(yàn)證臺(tái)階高度,最終確立了擴(kuò)容方案為臺(tái)階高度為45 m,臺(tái)階坡面角為33°,總體排棄高度為180 m,內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性為1.533,滿足邊坡穩(wěn)定性要求。
4)在實(shí)施擴(kuò)容方案2 后,應(yīng)對(duì)最上部排土臺(tái)階進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,這一區(qū)域位移較大,邊坡頂部會(huì)有不均勻沉降等問題發(fā)生。采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,內(nèi)排土場邊坡均無整體滑坡的風(fēng)險(xiǎn),單邊坡穩(wěn)定性也為1.5 以上,處于穩(wěn)定狀態(tài)。并為保障擴(kuò)容工程的順利完成,提出了防排水、邊坡監(jiān)測等內(nèi)排土場加高擴(kuò)容后邊坡穩(wěn)定性防控措施。