罗 渊，刘兴德

(四川省煤炭设计研究院，成都 610000)

0 引 言

我国露天煤矿生产过程中，外排土场的选址及安全稳定性评价是矿山持续长久生产的关键环节之一[1]。青海大头羊煤矿二矿为一夹持在北西向逆推断层带内，呈条带状含煤区。为积极响应国家低产能矿井升级改造政策，公司决定对大头羊煤矿二矿进行改扩建，设计将矿区西侧F4断层上盘及野羊沟以西+3 750 m 水平以上区域进行露天开采。结合该露天矿开拓运输方式，考虑到露天矿采掘场周围地形陡峭，经多次实地踏勘，首采区往东约0.3 km处有一迂回弯曲的沟谷条带，沟谷地形上宽下窄，地形坡度9°～12°，可选做外排土场位置，能够实现岩石就近排弃，降低矿山运营费用。由于本矿地处祁连山地震带[2]，根据我国地震带分布显示，该地区地震发生频率高，强度大，峰值加速度可达0.1～0.15 m/s2，平均震害指数为0.11～0.30，一旦发生高烈度地震，将对外排土场的安全造成较大影响[3]，因此对大头羊煤矿二矿排土场改扩建过程中不同工况条件下的稳定性进行分析和预测，提出相应治理措施。

1 排土场滑移模式预测

该矿新选择外排土场排土时，沿沟谷地形转折分段排弃，分段设置拦石坝。经计算，外排土场总占地129 hm2，容量131.11 Mm3。达产时共排土两段，第一段占地面积8.67 hm2，达产时排弃总高度100 m，自上而下共计4个排土台阶，单台阶平盘宽度60 m，累计可排土(松方)9.36 Mm3，最终帮坡角18°。第二段向外扩容，累计占地面积11.25 hm2，增加2个排土台阶，形成最终排土总高度140 m，松方容量11.24 Mm3，最终帮坡角12°。

该矿采用单斗+卡车的间断式开采工艺，剥离物经坑内非工作帮运输平台转运至外排土场场内堆弃，经推土机转运压坡脚堆置。排土台阶由上而下逐个形成。先剥离的第四系表土层和内化层排弃在较高标高位置，当台阶形成后，在坡脚处堆置矿坑深部比较坚硬的岩石，逐渐盖住上一台阶的坡脚，同时在台阶破底线位置开始设置3%～5%的反坡并设置车档，起到挡滑土和滚石的作用。这种“上土上排”“下岩下排”的压坡脚式组合台阶排弃方式，不仅实现了稳固基底的作用[4]，同时大大缩短运距，具有较好的经济效益。

根据排土场地形地质特征，推测滑移模式主要可能在人工排弃物料层中或在人工排弃物料层与基底表层内形成[5]，滑动模式为圆弧或顺层折线式滑动。

2 排土场岩土物理力学性质的选取

排土场所接受的排弃物为成岩性差的松散岩体和软弱岩。基岩主要由上石炭统扎布萨卡苏组和克鲁克组(C2z-k)组成，岩性为灰绿色绢云母千枚岩，灰白色厚层状条带状结晶灰岩，局部为奥陶系中统大头洋组(O2dt)，岩性以砾屑灰岩为主，夹紫色砂岩、泥岩。对于排土场地表基底层，长期裸露受风化作用影响较大，力学强度较低。排弃物的黏聚力C、内摩擦角φ的取值主要由原岩属性折减，排弃物中不同性质岩石的分布及比例，物料块度、光滑度、松碎程度、孔隙度、含水率等多因素决定[6]。初始排弃的物料是松散的，黏聚力为零，内摩擦角为其自然安息角32°。但随着时间的推移和机械设备的碾压，排弃物中的黏土质岩土压实后有了黏结作用[7]，同时因岩块剥蚀、破碎等作用而使内摩擦角有所减小[6]。参照其他矿山经验并结合当地岩层情况，最终采用指标见表1。

表1 排土场边坡稳定性计算选取的物理力学指标表

3 排土场边坡稳定性计算

根据可行性研究确定的排土方案，外排土场排弃方式采用单斗卡车-推土机压坡脚式组合台阶排弃方式。其中，第一段外排土场分4个台阶，分别为4 370～4 335 m、4 360～4 300 m、4 350～4 265 m、4 340～4 230 m。第二段外排土场分6个台阶，分别为4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 310～4 260 m。

选取典型剖面，建立排土边坡稳定性计算模型，分别采用简化BISHOP法和Morgenstern-Price法对选取的边坡进行圆弧滑坡及顺层滑坡稳定性计算，第一段外排土场计算结果见图1～4。

图1 天然工况圆弧滑坡Fs=1.198

图2 地震工况圆弧滑坡Fs=0.952

图3 天然工况顺层滑坡Fs=1.210

图4 地震工况顺层滑坡Fs=0.961

同样，采用简化BISHOP法(圆弧滑坡)和Morgenstern-Price法(顺层滑坡)分析方法对第二段外排土场进行计算，结果如表2所示。

表2 可研确定的排土方案边坡稳定性计算结果表

由上表可知，按可行性研究确定的排土方案，第一段外排土场边坡为不稳定状态，第二段外排土场边坡为基本稳定状态，均不符合规范要求。为此，在原排土方案基础上，根据边坡稳定性分析情况，对排土台阶高度进行调整，其中，第一段外排土场4个台阶分别为4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(该台阶坡面角由30°改为27°)。第二段外排土场分6个台阶，分别为4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。经调整后，边坡稳定性计算结果见表3。由表3可知，调整后外排土场边坡稳定性系数均满足规范要求。

表3 调整后的排土方案边坡稳定性计算结果表

4 结论与建议

根据边坡稳定性分析计算，可行性研究确定的排土方案，第一段外排土场边坡为不稳定状态，第二段外排土场边坡为基本稳定状态，均不符合规范要求。为此，在可行性研究确定的排土方案基础上，根据边坡稳定性分析情况，对排土台阶高度进行调整，其中，第一段外排土场设4个台阶，分别为4 370～4 335 m、4 350～4 300 m、4 330～4 265 m、4 290～4 230 m(该台阶坡面角由30°改为27°)。第二段外排土场设6个台阶，分别为4 360～4 338 m、4 350～4 318 m、4 340～4 300 m、4 330～4 282 m、4 320～4 268 m、4 305～4 260 m。经调整后，外排土场边坡稳定性系数均满足规范要求。

该矿外排土场服务年限长，沟谷地形蜿蜒曲折，需正确处理外排土场场址地基，清除沟谷第四系软弱层，破台阶底板形成台阶状，形成粗糙基地接触面，增大摩擦力，提高稳定性。同时对外排土场沟谷内的地下水和滞留水，在堆排土之前挖渗沟疏干基底，倾填碎石块作垫层，采用盲沟、透水管或涵洞形式将水引出场外，减少外排土场的汇水，提高外排土场的稳定性。