罗怀廷，纪玉石，闫 杰

（1.中国神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

哈尔乌素露天煤矿内排土场增高研究

罗怀廷1，纪玉石2，闫 杰2

（1.中国神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

哈尔乌素露天煤矿内排土场面临排弃增高问题。分析了内排土场存在的安全隐患，通过数值模拟内排土场边坡可能存在的破坏模式，研究了内排土场承载高度与稳定性关系，边坡角与稳定性关系。

内排土场；增高；边坡角；地基承载力

0 引 言

哈尔乌素露天煤矿位于准格尔煤田中部，煤层赋存近水平，煤炭资源储量16.72亿t。哈尔乌素露天煤矿采场推进方向自西向东，煤层底板倾向SE，倾角3°～5°，内排土场与黑岱沟排土场（外排土场）已经连接起来。哈尔乌素露天煤矿排土场设计稳定性：“内排土场基底较平缓，基底岩性为砂岩或砂质泥岩，强度较高。外排土场的地形坡度为5°～10°，基底为黄土，强度较低。排弃物的内摩擦角为23°，内聚力为30 kPa，密度为1.8 t/m3。经过计算分析，排土场排弃高度为100～120 m时，内排土场总边坡角度为20°时，稳定系数为1.25，可保持基本稳定；当外排土场边坡高度为100～120 m时，外排土场总边坡角为20°时，稳定系数为1.26，可保持基本稳定。”内排土场排弃高度为100～120 m，通过历年稳定性评价分析，内排土场排弃高度260 m左右时，稳定性仍大于1.2。

1 哈尔乌素露天煤矿内排土场现状

哈尔乌素露天煤矿内排土场增高安全隐患：

1）哈尔乌素露天煤矿北侧为黑岱沟露天煤矿，设计中，哈尔乌素露天煤矿北帮压煤由黑岱沟露天煤矿开采。由于哈尔乌素露天煤矿已实行内排作业，为减少开采哈尔乌素露天煤矿北帮压煤时二次剥离量，所以哈尔乌素露天煤矿内排时在北帮区域实行“半留沟排土方案”。半留沟排土方案，致使哈尔乌素露天煤矿内排土场重心向南部偏移，内排土场排弃标高增加问题。

2）哈尔乌素露天煤矿采场推进方向自西向东，煤层底板倾向SE，倾角3°～5°，致使内排土场位于顺倾基底上部，易形成沿煤层底板或基底弱层的滑动，不利于内排土场边坡稳定。

3）哈尔乌素露天煤矿处于黑岱沟河下部，上游水库水在地下渗流作用下，通过黑岱沟防洪堤坝的下部，入渗至黑岱沟排土场基底[2－5]。黑岱沟排土场与哈尔乌素露天煤矿内排土场已连接在一起，地下水入渗将影响内排土场安全。哈尔乌素露天煤矿开采中南端帮一直存在涌水点，同时雨水、生活污水均排至采场最下部。根据矿区以往内排工作，南端帮涌水未经处理，直接进行内排。端帮渗水与黑代沟河的地下水，将形成内排土场基底补充水，将会影响了排土场的稳定性。

哈尔乌素露天煤矿内排增加，排土场基底顺倾，基底汇水等因素耦合影响内排土场的稳定性，因此对内排土场增高作用下稳定性进行研究，在哈尔乌素露天煤矿内排土场区域布置4个剖面研究，增高区域对哈尔乌素露天煤矿与黑岱沟露天煤矿的影响。哈尔乌素露天煤矿增高区域稳定性控制剖面如图1。

图1 哈尔乌素露天煤矿增高区域稳定性控制剖面

2 边坡变形破坏模式分析

选取现状边坡NPZG3剖面，模型如图2所示，进行数值模拟研究，在位移云图如图3—图4显示，位移变现主要为沉降变形，最大位移发生于1260平盘临空一侧。图5为剪切应力云图，从图中可知，最大剪切应力发生于1260平盘与1058平盘坡脚出，但未出现塑形破坏区域，且剪应力也未贯通。在1 058～1 260 m水平，由于排弃台阶段高较高，最大位移发生于该处。内排土场整体表现为沉降变形。

图2 边坡模型

图3 水平方向位移云图

图4 总位移云图

图5 剪切应力云图

3 内排土场增高控制措施

3.1 地基承载力

排土场基底承载力作为影响排土场整体稳定的内在因素，分析并研究其极限承载力将显得至关重要。排土场整体稳定应满足以下条件：

式中：ps为排土场上覆排弃物料主荷载，kPa；pu为地基极限承载力，kPa；fs为地基承载力储备系数（安全系数）。

其中由式（1）确定：

式中：γ为排土场物料重度，kN/m3；h为排土场的排弃物料排高，m；

排土场整体稳定的承载力计算方法，引用太沙基（Terzaghi）关于土体整体剪切破坏的极限承载力理论，进行排土场基底极限承载力的分析计算。计算公式：

相对于排土场而言，承载力计算公式（3）可简化为：

式中：pu为地基极限承载力，kPa；c为岩土体的内聚力，kPa；q为基础埋深产生的荷载；Nc、Nq与地基内摩擦角相关的量纲为1的系数。通过式（4）可以计算出地基承载力pu。

根据露天矿边坡安全储备要求，哈尔乌素内排土场内排土场边坡稳定性要求大于1.2。考虑地基安全系数选取fs＞1.3，最大排高h=280 m；若地基安全系数选取要大于1.2时，可以增高至h=310 m。因此，哈尔乌素露天煤矿内排土场可增高至280～310 m。

3.2 排土场不同排弃角度时内排土场稳定性

哈尔乌素露天煤矿内排土场设计最终边坡角为20°。目前，内排排土场整体边坡角18°，本次研究排土场增高至1 275 m水平，在排土场整体边坡角14°、16°、18°、20°、22°、24°时边坡稳定性。根据内排土场整体边坡角与内排土场稳定性关系，排土场边坡稳定性大于1.2时，排土场边坡应控制在20°以内，可满足安全要求。目前，内排土场边坡18°时，内排土场工作平盘处于设计最小值，因此内排土场排弃边坡角为18°。内排土场不同边坡角与边坡稳定性关系如图7。

图6 排土场排弃高度与地基安全系数关系

图7 内排土场不同边坡角与边坡稳定性关系

4 内排土场增高方案与经济效益

4.1 内排土场增高方案

哈尔乌素内排土场设计边坡稳定计算结果可知，因黑岱沟露天煤矿剥离开采过程中于哈尔乌素露天煤矿内排土场北部进行二次剥离，NPZG4剖面整体边坡角达到30°，其稳定系数不满足安全储备系数的要求。故根据本次内排土场增高区域研究，建议排土场基底安全储备系数选取1.3以上，排土高度增加至275 m，边坡角控制在18°，内排土场由1 245 m增高至1 275 m，分为2台阶增高，每台阶高15 m。增高具体方案为1245平盘及1260平盘宽度为60 m，1260台阶及 1275台阶单台阶边坡角为38°，增高后内排土场排弃至1275平盘，哈尔乌素露天煤矿内排土场可与黑岱沟外排土场1275平盘并拢，内排土场增高区域平面如图8。

4.2 增高方案稳定性分析

内排土场增高至1275平盘后，排土场区域稳定系数均大于1.2，满足安全储备系数要求。NPZG4剖面设计边坡1140—1200区间段边坡角稳定系数不满足安全储备系数要求，在进行增高的同时，建议对1140—1200区间段边坡角进行调整，将该区间段边坡角由原设计的30°调整为26°，调整后稳定系数可提高至1.218，满足安全储备系数要求；按照黑岱沟露天煤矿设计方案，露天矿开挖至最下部时，边坡稳定性为1.040，边坡处于临界平衡状态。

图8 内排土场增高区域平面

4.3 经济效益分析

哈尔乌素露天煤矿内排土场增高方案中，通过对哈尔乌素内排土场增高研究，内排土场由1245平盘增高至1275平盘，按照该排弃方案，1245—1260排土平盘可增加0.19亿m3排弃物料，1245—1260排土平盘可增加0.23亿m3排弃物料，增高扩容区域共计可增加0.42亿m3的排弃空间。在产生巨大的间接经济效益的同时，避免了哈尔乌素露天煤矿剥离物料外排。若将该区域排弃物料排至外排土场，需要增加1.5 km，按每公里运费2元计算，该方案至少可以节约运输成本1.26亿元。

本项目通过对内排土场现有设计分析，排土场可增加的排土高度，及排土场增高控制措施，形成了一套排土场增高控制方法，为排土场建设提供了参考；同时，为高效利用现有排土场技术的推广起到了一定的推动作用，极具社会效益。

1）最大限度地利用了现有的土地资源，减少对生态环境的破坏；

2）避免了哈尔乌素露天煤矿因运距增加，而运营成本增加，降低生产运营费用；

3）研究成果对排土场的增高及扩容研究提供了参考，可推广与排弃空间不足矿山，同时为边坡稳定性分析及发展的推广起到了一定的推动作用。

5 结 论

1）通过内排土场地基承载力及内排土场增高措施的研究，确定了内排土场地基安全系数大于1.3时最大排弃高度为280 m，地基安全系数大于1.2时最大排弃高度为310 m；内排土场边坡角控制在18°，确定了内排基本参数。

2）哈尔乌素露天煤矿排土场基底安全储备系数选取1.3以上，排土高度增加至280 m，边坡角控制在18°，内排土场增高至1 275 m水平。增高哈尔乌素露天煤矿内排土场沿采矿方向稳定性大于1.2，满足安全储备系数要求。

3）北帮NPZG4剖面控制区域面临黑岱沟露天矿二次剥离，建议在增高的同时对1140—1200区间段边坡角进行调整，将该区间段边坡角由原设计的30°调整为26°，二次剥离过程中形成的临时工作帮稳定性大于1.0的要求。

4）哈尔乌素露天煤矿通过内排增高，目前可增加0.42亿m3的排弃空间，最大限度地利用了现有排土场地，减小了对生态环境的破坏。在保证安全的前提下，通过增高扩容避免了哈尔乌素露天煤矿剥离物料外排，预计可减少外运成本1.26亿元。

［1］北方矿山工程技术联合开发公司.哈尔乌素露天煤矿内排土场增高方案和边坡稳定性分析［R］.抚顺：北方矿山工程技术联合开发公司，2016.

［2］翟正江，王振伟，赵雪.黑岱沟排土场变形破坏机理研究［J］.露天采矿技术，2011（6）：37-39.

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【责任编辑：陈 毓】

图9 C6测区采空区地表投影

［2］康文献，张东阔，李海晓.瞬变电磁法在采空区勘察中的应用［J］.中州煤炭，2009（4）：26-27.

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【责任编辑：陈 毓】

Research on inner dump increase in Ha'erwusu Open-pit Mine

LUO Huaiting1,JI Yushi2,YAN Jie2
(1.Ha'erwusu Open-pit Mine,China Shenhua Group,Ordos 010300,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute Fushun113122,China)

The inner dump of Ha'erwusu Open－pit Mine faces the problem of increase.The article analyzes the safety hidden danger of the inner dump,researches the relationship between load height and stability of inner dump and the relationship between the slope angle and stability through the possible failure mode of the numerical simulation inner dump slope.

inner dump;increase;slope angle;foundation bearing capacity

TD824.7

B

1671－9816（2017）03－0019－04

2016－11－11

罗怀廷（1985—），男，江苏徐州人，2007年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现任哈尔乌素露天煤矿生产技术部副经理。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.006

罗怀廷，纪玉石，闫杰.哈尔乌素露天煤矿内排土场增高研究［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：19－22.