馬 力，張建國，肖雙雙，張 杰，楊 傲

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.遼寧工程技術大學 煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000；3.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.格里菲斯大學 工程和信息技術學院，澳大利亞 昆士蘭黃金海岸 4222)

0 引 言

露天礦生產(chǎn)過程中剝離大量無用土巖，需選擇合適場所用作排土場堆置排棄物，占用大量的土地資源。從占地費用及運距角度考慮，露天礦剝離物實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)排是減少開采土地占用和節(jié)約生產(chǎn)成本的重要途徑，在條件適宜時優(yōu)先實現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)排土[1]。然而，對傾斜礦床的露天礦而言，通常采用沿礦層傾向推進，礦層開采深度由淺部向深部發(fā)展，由于開采初期礦層底板傾角較大，無法實現(xiàn)內(nèi)排[2-3]；另一方面，當傾斜礦層露天礦開采到底部境界時，底部空間呈水平狀，并使開采工程位置推出一定距離后方具備內(nèi)排空間。因此，傾斜露天礦在能實現(xiàn)內(nèi)排土前期需額外增置或啟用外排土場。外排土場場址大多選擇在靠近采場的空閑場地，且排土場內(nèi)物料松散、膠結(jié)程度差，排土場邊坡穩(wěn)定性是影響露天礦生產(chǎn)的重大安全問題[4-6]。尤其是受到大氣降雨及地表水的影響下，極易造成松散體邊坡失穩(wěn)[7-8]。

五林油頁巖露天礦年生產(chǎn)油頁巖0.6 Mt/a，主要開采6，7，8號礦層，礦層傾角7°～15°.五林河流經(jīng)礦區(qū)中部，地下水來源以大氣降水為主。礦層埋藏較淺且?guī)r石由砂泥巖和第四系構(gòu)成，巖層物理力學性質(zhì)較弱，巖石膠結(jié)物主要為泥質(zhì)膠結(jié)，特別是軟弱巖層，膠結(jié)程度較低[9-11]。該礦物料含水率在2%左右受地下水和巖層性質(zhì)影響，邊坡穩(wěn)定性問題是露天礦生產(chǎn)中最重要的安全問題[12-14]。弱膠結(jié)軟巖是在中國西部礦山白堊系、侏羅系地層中廣泛存在的一類特殊軟巖[15]，這類軟巖具有獨特的物理力學性質(zhì)：強度低、膠結(jié)差、易風化、遇水泥化、低凍脹性[16-18]。因此，由弱膠結(jié)松散物料強度更低，排土場邊坡穩(wěn)定性極難控制，分析含水條件下弱膠結(jié)物料構(gòu)成的排土場的穩(wěn)定性影響因素及優(yōu)化研究排土場參數(shù)具有重要意義。

表1 外排土場物料物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials in external-dump

該礦外排土場基底巖石為第四系，巖性強度較低，再加上松散物料的膠結(jié)程度較差，尤其是在水的作用影響下，極易引起排土場變形失穩(wěn)，物料物理力學參數(shù)見表1.由于基底較軟，滑弧可穿過基底，其滑動模式是圓弧滑坡。研究掌握影響含水弱膠質(zhì)排土場邊坡穩(wěn)定性的關鍵因素，并依據(jù)其確定最佳排土參數(shù)，對保證排土場安全具有重要意義。

1 排土場穩(wěn)定性影響因素分析

1.1 邊坡穩(wěn)定性計算方法

Bishop法是計算邊坡穩(wěn)定性的一種有效的計算方法[19-20]，以極限平衡法為基礎，則穩(wěn)定系數(shù)表示為

(1)

圖1 Bishop法條塊受力分析Fig.1 Block stress analysis of Bishop

Bishop法的基本思想是：取條塊豎直方向的合力為零，則有

Wi+(Ti-Ti+1)-Sisinαi-Nicosαi-Uilicosαi=0

(2)

將Si=(Cli+Nitanφ)/Fs代入式(2)并整理得

(3)

將Ni的表達式代入Fs的定義式得

Fs=

(4)

(5)

式中 Wi為滑體重力；Ui為底部滑面上水的平均壓強；Ei和Ei+1為垂直界面上的水平反力；Ti和Ti+1垂直界面上的剪切反力；Ni為底滑面上的垂直反力。

從邊坡穩(wěn)定性分析的計算公式可以看出，滑體重力和臺階坡面角是影響穩(wěn)定性的重要外部因素，而含水率的變化直接影響滑體的重度

γ=γd(1+ω)

(6)

式中 γ為邊坡土體重度，t/m3；γd為土的干重度，t/m3；ω為含水率，%.

1.2 排土場邊坡構(gòu)成特征

露天礦排土場邊坡的形成有2種典型方式：①先形成下部排土臺階，再依次向上逐水平形成排土臺階；②當下部排土臺階發(fā)展具有最小平盤寬度后，上部排土臺階與其同時發(fā)展。排土場的形成方式要根據(jù)排棄物料強度及排土場基底性質(zhì)確定，從式(7)可以看出，臺階高度和平盤寬度直接影響邊坡角度的大小。

圖2 排土場邊坡結(jié)構(gòu)Fig.2 Slope structure of external-dump

(7)

式中α為排土場最終邊坡角，(°)；h為臺階高度，m；β為臺階坡面角，(°)；b為平盤寬度，m；H為排土場總高度，m；n為臺階數(shù)目，個。

1.3 影響排土場邊坡穩(wěn)定性因素

1.3.1 臺階坡面角

各排土臺階是構(gòu)成排土場總高度的基本單元，保證排土場邊坡穩(wěn)定的首要任務是保持單個臺階的穩(wěn)定。分析在10 m臺階高度及干燥條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與臺階坡面角的關系，其結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨臺階坡面角的增大，穩(wěn)定系數(shù)呈負指數(shù)趨勢減小。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)與臺階坡面角的關系Fig.3 Relation of stability factor with bench slope angle

圖4 穩(wěn)定系數(shù)與含水率的關系Fig.4 Relation of stability factor with moisture content

1.3.2 含水率

水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的重要因素，尤其是對弱膠質(zhì)物料而言，本身巖性強度較低，物料極具吸水性，坡體物料含水率的變化直接影響排土場邊坡穩(wěn)定性。分析10 m臺階高度及臺階坡面角為25°時穩(wěn)定系數(shù)與含水率變化關系，其結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，穩(wěn)定系數(shù)與含水率呈直線關系下降。

1.3.3 平盤寬度

排土場邊坡角為最下部臺階的坡底線與最上部臺階坡頂線的連線與水平面的夾角，平盤寬度直接影響到邊坡角度的大小。平盤寬度增大使邊坡角度變小，進而使邊坡穩(wěn)定性有所提高(圖5)，但是卻使排土空間容量降低。

圖5 穩(wěn)定系數(shù)關系與平盤寬度Fig.5 Relation of stability factor with bench flat width

1.3.4 臺階高度

為保證排土場的穩(wěn)定，首要的是需保證單臺階的穩(wěn)定。圖6分析了臺階高度增大對臺階穩(wěn)定性的影響，隨臺階高度的增大，臺階穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；另外，在排土場總高度和排土平盤寬度不變的情況下，臺階高度的增大同時使排土場邊坡的穩(wěn)定性降低，如圖7所示。

圖6 單臺階穩(wěn)定系數(shù)與臺階高度關系Fig.6 Relation of stability factor with bench height of single bench

圖7 排土場穩(wěn)定系數(shù)與臺階高度關系Fig.7 Relation of dump stability factor with bench height

2 邊坡穩(wěn)定性的正交試驗模擬

為確定各因素對穩(wěn)定性的影響程度，需進行多因素敏感性分析。假定各影響因素具有3個水平，分別為+10%，0，-10%，敏感性因素各水平值見表1.

表1 敏感性因素水平表Table 1 Sensibility factors level

各因素之間不存在相關性，按照正交試驗原理選用表L9(34)，見表2.

表2 敏感性因素正交表Table 2 Orthogonal array of sensibility factors

從表2可以看出，由臺階坡面角25°，含水率20%，平盤寬度27 m和臺階高度9.9 m組成的方案5對應的穩(wěn)定系數(shù)最低。而通過極差分析，確定各因素的敏感性排序分別為：平盤寬度、臺階高度、臺階坡面角、含水率。

經(jīng)計算，在含水率20%條件下，五林礦排土場邊坡角度為21°時能達到的最低穩(wěn)定性1.2的要求。因此，五林礦排土場參數(shù)按照不超過21°的最終邊坡角進行優(yōu)化。由于平盤寬度對排土場穩(wěn)定性的影響程度最大，平盤寬度越大對穩(wěn)定性越有利。結(jié)合臺階高度和臺階坡面角對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響敏感性順序，并根據(jù)式(7)有：在邊坡角度一定的情況下，臺階高度越大則平盤寬度越大，臺階坡面角越大則可以增大平盤寬度及邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。

表3 多因素敏感性分析的極差統(tǒng)計Table 3 Range analysis statistics of multi-factors sensitivity analysis

圖8 五林礦排土場穩(wěn)定系數(shù)與邊坡角關系Fig.8 Relation of dump slop stability factor with slope angle of Wulin open-pit

在設備排棄能達到的排土臺階高度范圍內(nèi)對單臺階進行分析，分別獲得對應不同臺階高度且能滿足最低穩(wěn)定系數(shù)1.2的臺階坡面角，分析結(jié)果見表5，臺階高度18 m且臺階坡面角為23°確定為排土臺階最佳排棄參數(shù)。

表5 排土場單臺階分析結(jié)果Table 5 Stability factor analysis results for sigle bench of external-dump

依據(jù)公式(7)，確定平盤寬度為4.48 m，遠低于按照排土平盤半徑最低15 m要求。以排土臺階高度18 m，臺階坡面角23°，平盤寬度15 m作為排棄參數(shù)，此時排土場邊坡角降低為18°，穩(wěn)定性系數(shù)能夠達到1.477.

3 結(jié) 論

1)影響含水弱膠結(jié)邊坡穩(wěn)定性的主要因素分別為臺階坡面角、含水率、平盤寬度和臺階高度；隨著臺階坡面角、含水率和臺階高度的增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，而平盤寬度的增大對提高邊坡穩(wěn)定性有利；

2)通過構(gòu)建4因素3水平的正交模型，并模擬不同條件的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，通過極差分析，確定了各因素影響邊坡穩(wěn)定性的敏感排序為：平盤寬度、臺階高度、臺階坡面角、含水率；

3)以五林油頁巖露天礦為例，對該礦以第四系為基底的排土場進行了分析模擬，確定最佳排土參數(shù)為：臺階高度18 m，臺階坡面角23°，平盤寬度15 m.