鲁 宁，韩 猛，于 玲，陈亚飞，马诗文

（1．煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2．煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

剥离工作是露天煤矿正常生产不可或缺的关键环节。一般大型露天矿的剥离土方量要比采出的煤炭量大出数倍[1]。剥离土方的排弃需要占用大量的运输车辆及人力；同时，外排土场还会占用大面积的耕地造成环境污染。相比之下，内排土场相对于外排具有节省运距和劳动成本，减少耕地占用等优势。因此，无论从经济效益角度还是从安全生产角度，对露天矿内排土场稳定性给予准确的评价显得尤为重要。

1 工程概况

研究区煤田出露地层由下往上主要有：中生界白垩系下统龙江组（K11）的陆相中酸性火山-沉积岩组合，白垩系下统梅勒图组（K1m）的中基性火山岩夹中酸性火山碎屑岩及火山碎屑沉积岩（主要岩性为气孔状、杏仁状、致密块状玄武岩、安山玄武岩及少量碎屑岩），白垩系下统大磨拐河组（K1d）的含煤碎屑岩层，白垩系下统伊敏河组（K1ym）的含煤地层及第四系海拉尔组（Qh）的松散沉积物。

研究区主要可采煤层为9#煤层：9#煤层发育在矿区西部，其赋存形态呈盆地状，是本区的主采煤层，可采面积约7.68 km2，占含煤面积97．91%，埋藏深度最小22．0 m，最大270．0 m，平均138．93 m。煤层可采厚度最小5．10 m，最大50．94 m，平均31．94 m。煤层结构复杂，含有1～9 层夹矸，夹矸厚度在0．35～8．48 m 之间，平均2．94 m，夹矸岩性多为碳质泥岩。煤层的变化趋势总体上看是中部及东北部较厚，向西及西南部煤层厚度逐渐变薄，该煤层属局部可采的基本稳定煤层。煤层顶板岩性为泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩，煤层底板岩性为泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩。

煤层整体开采方向为自东向西逐渐降高开采，由于边坡稳定性较差，因此在东部内排土场最低端留有一定厚度的支挡煤壁作为防止内排下滑的一种手段。现状内排示意图如图1。

图1 现状内排示意图

2 内排土场稳定性分析

2.1 内排土场破坏模式

研究矿区内排土场属于顺倾岩层，基底顺倾的排土场边坡的破坏模式共有3 类： 第1 类就是沿排土场内部发生的滑移破坏[2]，这类破坏一般多发在处于梅雨季节的排土场，由于降雨的下渗造成排土场排弃物力学指标下降，正常条件下较稳定的边坡在雨水下渗和破体内地下水渗流的作用下发展成为欠稳定边坡，最终发生滑坡变形；第2 类是沿着排土场基底的滑移破坏[3]，该类变形破坏的前提条件是排土场下部具有不透水的软弱岩层，一般为软弱泥岩层,在正常干燥条件下，泥岩的强度较大，此时排土场的稳定性较高, 当降雨进入排土场内部后对排土场基底部不断浸泡，泥岩在雨水的浸泡下强度不断降低，形成软弱滑动带发生滑移；第3 类是沿着排土场基底内部的滑移破坏[4]，由于排土场基底岩层并不均匀，可能在基底以下一定深度存在软弱夹层,在排弃高度不断增加的情况下，排土场存在着沿着基底内部的软弱夹层滑移，并在基底最薄弱区沿一定的剪切角剪出的破坏形式。

2.2 内排土场稳定性

预留煤柱虽然可以起到安全的作用，但是在煤柱回首时会造成一定量的压煤损失，考虑到这一点，对于排土场设计应首先考虑在不预留支挡煤壁的条件下内排土场的稳定情况，设计的内排示意图如图2,设计内排计算结果如图3～图5。

图2 设计的内排示意图

图3 沿排土场内部滑移

图4 沿排土场基底滑移

图5 沿排土场基底内滑动

当沿着排土场内部滑动时，边坡稳定性系数Fs=1.304(图3)；当沿着排土场基底滑动时，边坡稳定性系数Fs=0.893（图4）；当沿着排土场基底内部弱层滑动时，边坡稳定性系数Fs=0.974（图5）。根据计算结果可知沿排土场内部滑移的稳定性系数满足永久内排土场1.30 的安全储备要求，说明该内排土场设计边坡角较为合理。沿排土场基底和基底内弱层的稳定性系数达不到极限平衡状态1.00 的要求，说明由于排土场底部基岩岩性较差，使得排土场在未采取任何加固手段或措施的前提下直接排弃，不能满足安全储备要求。

2.3 内排土场方案优化

由于设计边坡不能满足安全储备要求，因此考虑采用合理手段对排土场进行优化从而提高排土场的稳定性使其满足安全储备的要求。在顺倾边坡开挖活动中，下部煤体对不仅整体边坡起到支撑作用，而且对媒体下部岩体还起到了一定的压脚配重作用。一旦下部煤体开挖，上部边坡在失去支撑力的作用后会产生向下的变形趋势，在这种趋势的作用下坡脚底部会产生相应的应力集中区，当上部媒体被挖走，这种应力集中超出上部覆盖岩体所能承受的强度极限，产生沿坡脚的剪出变形，发生滑坡。基于下部煤体对上部边坡的支撑作用，及对下部岩体的配重压脚作用，此次对内排土场的优化采用预留一定宽度和厚度的安全煤壁来提高内排土场的稳定性。内排优化示意图如图6，内排优化计算结果如图7～图10（预留15、20 m 安全煤壁结果图略）。

图6 内排优化示意图

图7 沿排土场基底滑动（预留10 m 安全煤壁）

图8 沿排土场基底内滑动（预留10 m 安全煤壁）

图9 沿排土场基底滑移（预留25 m 安全煤壁）

图10 沿排土场基底内滑动（预留25 m 安全煤壁）

通过计算可知，以现状煤层所在标高为准，当预留10 m 安全煤壁时，排土场沿基底滑动的稳定性系数为Fs=0.989（图7），沿排土场基底内部弱层滑动的稳定性系数为Fs=0.998（图8）；当预留15 m 安全煤壁时，排土场沿基底滑动的稳定性系数为Fs=0.997，沿排土场基底内部弱层滑动的稳定性系数为Fs=1.000；当预留20 m 安全煤壁时，排土场沿基底滑动的稳定性系数为Fs=1.061，沿排土场基底内部弱层滑动的稳定性系数为Fs=1.002；当预留25 m 安全煤壁时，排土场沿基底滑动的稳定性系数为Fs=1.085（图9），沿排土场基底内部弱层滑动的稳定性系数为Fs=1.054（图10）。各条件下稳定性系数表见表1。

表1 各条件下稳定性系数Fs 表

2.4 内排土场稳定性分析

根据变形图可以看出内排土场无论沿基底发生变形还是沿基岩内部弱层发生变形，其剪切口位置均位于预留安全煤壁以下，说明即使是10 m 宽的安全煤壁也起到了防治内排土场将煤壁剪断发生滑坡的可能[5]。但作为起压脚配重作用的煤壁[6]，只有当煤壁宽度达25 m 时，其内排土场稳定性方可达到1.054，满足临时边坡1.05 安全储备[7]要求。因此对内排土场的排弃方案，采用在内排土场底部预留25 m 安全煤壁作为支挡，其上部的排弃方式不变的方法来提高内排土场的稳定性系数。

3 意见与建议

1）由于预留安全煤壁选择的安全储备为1.05，即临时边坡的安全储备，因此宜在将煤壁回收后迅速回填并完成底部内排起到压脚的作用[8]。

2）应在排土场布置若干监测点实时监测排土场的整体变形情况[9]。

3）在排土过程中应做好防排水工作，雨水对排土场基底的浸泡会造成基底泥岩的软化影响内排土场的稳定性，因此应在排土之前事先设置好截水沟引流渠等防水构筑物[10]。

4 结 语

1）设计边坡沿排土内部滑动的稳定性系数大于1.30 的安全储备要求，内排土场边坡角设计较为合理不需要另做调整。

2）设计内排土场沿基底滑移和基岩内部弱层滑移的稳定性系数小于1.00 属于不稳定边坡，因此采用预留安全支挡煤壁手段来提高边坡稳定性。

3）通过计算可知当预留的支挡煤壁宽度达25 m时边坡整体的稳定性系数大于1.05 临时边坡的安全储备要求，因此选择在内排土场坡脚预留25 m的支挡煤壁作为优化方案来提高边坡整体稳定性。