将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底坐落－牵移式滑坡机理_万忠明.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 露天开采是通过逐层剥离土岩层使埋藏于下部 的矿床出露的一种方式，将矿床上部土岩石剥离物 就近排入采场周围空地形成外排土场，随着采场内 矿石的逐步采出， 形成闲置空间时外排转入内排[1]。 当露天矿完全实现内排时，外排土场的作用基本结 束，由露天开采形成的外排土场作为最终堆砌场所 长期存在， 使原地表地形发生改变[2-3]。外排土场的 容纳空间及尺寸与露天矿生产能力、 矿床地质地形、 外排土场位置等有关，外排土场一旦形成后将作为 最终产物长期存在，保证外排土场的稳定对周边构 筑物安全及环境安全具有重要意义[4-5]。 露天开采的顺序是从上至下，而排土场的形成 是由下至上，其堆砌的物料特性与地层的赋存特征 相反，排土场软弱基底层失稳变形是造成外排土场 基金项目 新疆维吾尔自治区科技厅自然科学基金面上资助项目 （2018D01A42） 将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底 坐落－牵移式滑坡机理 万忠明， 朱涛， 甘怀军， 代飞龙 （新疆天池能源有限责任公司， 新疆 昌吉 831100） 摘要以新疆天池能源有限责任公司将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底为研究对象， 通过对研究区岩土进行常规力学实验及流变试验， 确定了该露天矿排土场基底及排弃物料物理 力学指标。结合理论分析， 确定排土场边坡滑坡模式为坐落－牵移式并对滑坡机理进行分析。建 立排土场稳定性分析数值模拟模型， 模拟排土场边坡变形破坏形式， 计算分析了排土场边坡稳 定性， 结果表明， 排土高度为 120 m 时， 潜在的滑移面贯穿排土场内部及软弱基底层， 边坡稳定 系数略低于安全储备系数。 关键词 露天矿边坡； 排土场； 滑坡机理； 数值模拟； 流变试验 中图分类号 TD824．7文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020 ） 04－0077-04 Mechanism of Located-shifted Landslide in Weak Basement of Jiangjun Gobi No.2 Open-pit Coal Mine WAN Zhongming, ZHU Tao, GAN Huaijun, DAI Feilong （Xinjiang Tianchi Energy Co., Ltd., Changji 831100, China） Abstract This paper takes the weak basement of the outside dump of Jiangjun Gobi No.2 Open-pit Coal Mine of Xinjiang Tianchi Energy Company as the research object. Through the routine mechanical experiment and rheological test of the geotechnical soil in the study area, the physical and mechanical inds of the basement and the abandoned material of the open pit mine are determined. Combined with theoretical analysis, it is determined that the slope landslide mode of the dump is located-shifted and the landslide mechanism is analyzed. The numerical simulation model of the stability analysis of the dump is established, and the deation and failure modes of the dump slope are simulated. The stability of the dump slope is calculated and analyzed. When the drainage height is 120 m, the potential slip surface penetrates the interior of the dump and the weak basement, and the slope stability coefficient is slightly lower than the safety reserve coefficient. Key words open pit mine slope; dump; landslide mechanism; numerical simulation; rheological test DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.016 万忠明， 朱涛， 甘怀军， 等．将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底坐落－牵移式滑坡机 理 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 77-80. WAN Zhongming, ZHU Tao, GAN Huaijun, et al. Mechanism of Located-shifted Landslide in Weak Base－ ment of Jiangjun Gobi No.2 Open-pit Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 77-80.移动扫码阅读 77 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 失稳的重要因素[6-7]。根据现场对新疆天池能源有限 责任公司将军戈壁二号露天煤矿外排土场地基结构 探勘可知，其持力层自上而下分别为第四系黄土、 粉质黏土层、粉砂质泥岩层及底部砾岩层。在排弃 物重力压缩、水的软化及长期的冻融循环作用过程 中，第四系黄土、粉质黏土层及粉砂质泥岩层的物 料力学指标持续劣化，逐渐演变成排土场基底最危 险、 最不利的软弱地层。而对于排土场而言， 物料松 散，形成过程并不是静态的，均匀加载的过程。因 此， 排土场物料自身的密实性与固结性， 物料的块度 是否均匀等都导致了排土场下的基底工程的复杂多 变性。因此， 排土场底部软弱地层的位置、 厚度及其 弱化程度是排土场边坡最主要的致滑因素[8]。 1排土场变形破坏模式 当露天矿采用高强度的快速排弃时，使得基底 黏土层内的孔隙压力还未能及时的消散，势必导致 土体内介质颗粒间的应力传递方式发生改变，从而 引起土体强度降低。尤其是在滑体重力的控制区， 由于受到不间断的排弃物料的荷载作用，容易造成 基底软弱带的承载能力不足，并发生剪切滑移式破 坏，而作用在中间部分的缓冲变形区域，由于抗剪 能力较低，受上部岩体的推移作用，抗滑力小于致 滑力，较大的重力势能转化为岩体的运动动能， 一 泻而下， 瞬间形成滑坡， 沿着台阶前缘隆起冲出， 释 放出去[9]。结合将军戈壁二号露天煤矿排土场基底 和排弃物料性质，加上对排土场内结构面的统计可 以预计，在排土场的形成过程及成形之后，容易发 生的变形破坏模式为松散物料型滑坡及软弱基底 型滑坡， 其滑坡模式为 “坐落-牵移式” 滑坡， 地基型 “坐落-牵移式” 滑坡模式简图如图 1。 松散黄土和碎石是露天矿排土场的排弃物料的 重要组成，由于受物料松散性影响，排土场具有较 大的压缩沉降量。受到排土场地形及冲沟影响， 排 土场沉降容易产生不均匀。加上将军戈壁二号露天 煤矿矿雨水多集中在夏季 78 月份， 属于大陆性干 旱气候， 在雨水的冲刷作用下， 容易出现冲沟， 排土 场松散物料沉降过程中在坡体产生沟壑，影响整体 稳定性。 “坐落-牵移式” 滑坡发育过程大体经历以下 6 个阶段， 具体如下 1） 整体压缩阶段。对于排土场而言， 不仅仅是 排弃的松散物料具有可压缩性，对于基底的第四系 黄土来说， 也是属于一种松软物质， 也可以发生压缩 沉降变形。 2） 裂隙生成阶段。由于滑体的下沉作用， 首先 在排土台阶上部分靠近坡顶的部位产生张拉裂缝， 并且逐渐贯穿到整个排土台阶内部。并且由于排土 的松散， 非均质性， 排土场内部也存在着不均匀的裂 隙。与此同时， 基底的软弱夹层受力明显增大。 3） 挤压阶段。在上部重力逐渐增大的同时， 台 阶内部的主控裂隙逐渐贯通，并且沿着该裂隙， 向 过渡段扩张，滑体的前缘收到挤压后，开始出现隆 起， 在地面部分寻找形变的突破口。 4） 滑移阶段。台阶坡底前面由于重力的滑移段 对软弱层挤压加剧了隆起现象， 使得基底处出现 “离 层”现象，最终在台阶坡底面隆起部分顶端出现裂 隙，其以上部岩石本体出现滑移。此时，滑坡带形 成， 并未受到严重破坏。 5） 剧滑阶段。由于台阶变形严重， 致滑力急剧 增大，抗滑力急剧减小，滑体在瞬间产生了大范围 的滑移， 位于滑坡范围内的物质受到严重破坏， 然后 后续物质作为补偿， 将已滑部位填满。 6） 固结阶段。在滑坡过程的后期， 由于坡底滑 体物料堆积，后续物料的抗滑力逐渐增大，滑体停 止向前滑移，整体结构逐渐压缩变得密实。滑坡运 动结束。 2实验室流变试验 将军戈壁二号露天煤矿排土场底部软弱地层， 不间断地受到排弃物料的荷载以及排弃物料运移动 作用，容易造成基底软弱带的承载能力不足。且随 着排弃物料逐渐增高， 自重应力增大， 弱层抗剪能力 不足引发剪切滑移式破坏[10]。 因此， 在常规物理力学 试验的基础， 重点测定了该种弱层的长期强度， 从应 力、 应变的时效性出发， 开展了相关的流变试验。 基底弱层的流变试验采用固结快剪[11]， 其正压 力剪切荷载等级梯度由式 （1） 确定 图 1地基型 “坐落-牵移式” 滑坡模式简图 Fig.1Schematic diagram of ground-type“sitting-and- shifting”landslide mode 78 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 τσ iK τi n （1） 式中τσ i为对应于不同的正应力 σi 的剪切等级 应力， kPa； τi为对应于 σi的固结快剪强度， kPa； K 为 常数， 与土岩体物理力学性质有关， 通常取 K0．5～ 0．85； n 为流变实验线性范围分级数， n4～5。 本次试验正应力设置为 4 个等级，分别为 50、 100、 150、 200 kPa， 每一级剪应力历时为 48 h。通过 试验获得的结果，绘制不同时间的剪应力与剪应变 的等时线簇， 剪应力应变曲线如图 2。 图 2应力应变曲线 Fig．2Stress and strain curves 根据黏土剪应力应变曲线可以看出，应力应变 曲线有 2 种不同斜率的线段组成。剪应力 τ 小于第 三屈服值 f3时，黏土将产生低速率的缓慢流动， 由 于所受剪应力强度 τ 较低， 并未影响黏土的结构， 应 变速率与剪应力之间基本体现为线性关系，黏土的 流动特性可以描述为 ττ0γ η， 其中 τ0为初始剪应 力， γ 为不同正应力等级条件下对应的流变率， η 为 流动性状的黏滞系数，黏滞系数与流动速率为反比 关系 η＝τ/γ。而当剪应力 τ 大于第三屈服值 f3时， 黏 土层进入塑性流动状态并发生破坏。 3排土场边坡稳定性 采用摩根斯坦-普瑞斯法对边坡的稳定性进行 检验。摩根斯坦-普瑞斯法考虑的条件比较充分， 能 将所有的平衡边界条件全部考虑进去，以此来降低 在计算过程中出现的误差。露天矿排土场边坡安全 储备系数取 1．2。 根据工程地质、水文地质条件及矿坑分布等情 况，在排土场分别选取了 K1-1、 K2-2 典型计算剖 面，其中 K1-1 剖面排弃总高度 80 m， K2-2 剖面排 弃总高度 120 m。 因排土场东部地质条件较稳定， 幅 员辽阔， 且无任何可导致经济损失的因素， 所以只针 对排土场西侧研究。对选取的 2 个典型剖面建立数 值计算模型进行排土场边坡稳定性分析， K1-1 边坡 剖面稳定性分析 （稳定性系数 Fs1 026 ） 如图 3， K2-2 边坡剖面稳定性分析 （稳定性系数 Fs1．15） 如图4。 图 3 和图 4 模拟计算结果表明排土场排土高度 为 80 m 的附加载荷作用下，其边坡稳定系数为 79 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 1.26， 满足安全储备系数要求， 边坡处于稳定状态。 但当排土高度增加到 120 m 时， 外排土场附加载荷 增加，边坡的稳定系数下降到 1.15，略低于安全储 备系数要求， 可见， 随着物料不断堆积， 对基底挤压 作用力增大，弱层抗剪能力不足引发剪切滑移式破 坏， 严重影响排土边坡整体稳定性。 从模拟计算结果图中还可以看出，潜在的滑移 面均贯穿排土场内部及软弱基底层，最后从台阶坡 底处破底板剪出。第四系黄土及下部粉砂质泥岩层 在水的作用下，容易形成弱层，当不间断地受到排 弃物料的荷载以及排弃物料运移作用，引起基底软 弱带的承载能力下降。当受到的挤压力大于自身的 抗剪强度时，潜滑体前缘发生隆起剪出，同时由于 排土场物料属于松散堆载体，黏聚力较小，抗压强 度低，潜滑体前缘从坡底剪出后，会对潜滑体后面 部分产生张拉牵引力，整体表现为排土场重力挤压 作用下导致软弱基底剪切破坏引起的整体失稳， 符 合 “坐落-牵移式” 滑坡特征。 4结语 “坐落-牵移式” 滑坡主要发生在地基较软弱、 承载能力不足或有地下水的影响的露天矿外排土 场。当排土规模超过了限制， 导致重力急剧增大， 大 量的重力势能在瞬间转变为滑体动能，抗滑效能失 效， 静力平衡破坏， 最终导致产生滑坡。潜滑体主要 沿着排土场地基软弱夹层进行滑移，其发育过程经 历整体压缩阶段、 裂隙生成阶段、 挤压阶段、 滑移阶 段、 剧滑阶段以及固结阶段。 通过岩土体常规力学实验及流变试验，获取岩 土体物理力学性质，建立排土场稳定性分析数值模 拟模型，模拟排土场边坡变形破坏形式，计算分析 了排土场边坡稳定性， 结果表明， 排土高度由 80 m 增加到 120 m 时，安全稳定系数由 1.26 降低到 1.15， 略低于安全储备系数。 参考文献 ［1］ 邓明．露天矿开挖与堆载复合边坡地质与力学基础研 究 ［J］ ．露天采矿技术， 2018， 33 （2） 44－47． ［2］ 唐文亮， 彭洪阁， 马力， 等．露天矿内排土场滑坡成因 及治理措施研究 ［J］ ．煤炭技术， 2016， 35 （8） 166. ［3］ 常治国， 陈亚军， 马力， 等．并行露天矿追踪式开采端 帮留沟搭桥内排方案研究 ［J］ ．煤炭工程， 2018， 50 （1） 16－18． ［4］ 李伟， 张忠超．排土场边坡变形稳定性及失稳位移判 据研究 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （5） 277－280． ［5］ 曹兰柱， 张剑锋， 王东．软弱倾斜复合基底排土场边坡 失稳机理与控制 ［J］ ．金属矿山， 2019 （5） 43－47． ［6］ 曹兰柱， 李广贺， 王东， 等．露天矿顺倾软弱基底内排 土场边坡空间形态优化 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （2） 163－167． ［7］ 仲淑姮， 张军．露天矿排土场软弱基底极限承载力分 析 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （12） 145－148． ［8］ 马力， 张建国， 肖双双， 等．含水弱胶结外排土场边坡 稳定性研究 ［J］ ．西安科技大学学报， 2018， 38 （06） 931－936． ［9］ 宋子岭， 刘文坊， 范军富， 等．倾斜基底内排土场边坡 稳定性分析 ［J］ ．金属矿山， 2018 （2） 179－183． ［10］ 刘波， 王志留， 张鹏， 等．胜利露天矿内排土场现场原 位试验研究 ［J］ ．中国煤炭， 2018， 44 （6） 128－133． ［11］ 刘身伟， 王菁莪， 刘清秉．黄土坡滑坡原状滑带土的 蠕变与应力松弛性质 ［J］ ．水利与建筑工程学报， 2016， 14 （3） 137－142． 图 3K1-1 边坡剖面稳定性分析 （稳定性系数 Fs1026） Fig.3K1-1 slope profile stability analysis （stability coefficient Fs1.26） 图 4K2-2 边坡剖面稳定性分析 （稳定性系数 Fs1.15） Fig.4K2-2 slope profile stability analysis （stability coefficient Fs1.15） 作者简介 万忠明 （1985） ， 江苏徐州人， 工程师， 现任 新疆天池能源有限责任公司将军戈壁二号露天煤矿副总工 程师， 主要从事采矿技术管理工作。 （收稿日期 2019-08-09； 责任编辑 李力欣） 80 ChaoXing