排土场土石混合体强度重构时空分布规律及时效稳定性评价

罗伟

（云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699）

排土场土石混合体强度重构时空分布规律及时效稳定性评价

罗伟

（云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699）

通过实验进行土石混合体物时效强度的测试，并根据力学参数时空分布建立模型进行稳定性评价，揭示了排土场动态发展过程中的时效稳定性变化规律。

土石混合体；重构；时空分布；稳定性评价

1 土石混合体强度重构时空分布规律

排土场随着高度增加，在垂直方向上排土场的土石混合体中的每一点都受到上覆应力，在该应力作用下，将直接导致排土场的密度发生变化，但这种变化是和时间有一定的函数关系的[1]。

土石混合体重构程度主要受到上覆压力的影响，在上覆压力的作用下，土石混合体中的孔隙和裂隙中的部分空气被压出，但是当土石混合体的规模巨大时，由于孔隙和裂隙中的空气难以被上覆压力一次性快速压出，剩余部分空气只能在孔隙和裂隙中被压缩，气体压强增大，从而抵抗上覆压力；当土石混合体在极限载荷作用下发生破坏时，破坏剪切面上的孔隙中的压缩空气会减弱剪切面上的正应力，从而使其更容易发生破坏；随着时间的延长，由于土石混合体中的气体与大气的压强差，土石混合体中的空气会在上覆压力加强的作用下逐渐排出，从而导致土石混合体密度变大，重构增强，最终混合体重构强度变大。通过上述土石混合体重构强度分析，得到土石混合体的重构程度一方面受到上覆压力的作用，并且这一作用最直接导致土石混合体密度变大，强度提高；另一方面，在土石混合体的规模巨大的情况下，由于土石密封阻滞作用，土石混合体中的空气难以排出，会造成土石混合体重构停滞，并且土石混合体中的压缩空气会加剧其破坏，构成排土场不稳定的一种因素，但是随着时间的进行和上覆压力逐增作用，土石混合体中的空气会逐渐排出，重构逐渐加强[2]。

排土场的高度随时间的变化率与开采作业的强度和排土作业的强度有关，由于排土场的土石混合体被上覆压力压实的过程中具有蠕变时效特性[3-5]，如果排土场的高度增加过快，土石混合体不能被立即压实，这种不能被立即压实的特性是受到多种因素导致的，主要包括土石物料本身的蠕变特性、土石混合体中的空气难以被压出特性，排土场工程机械作业持续震动特性等[6-7]，这将使得土石混合体重构不充分，不能达到重构强度上限，难以承受上覆重力，导致排土场出现不稳定。但是土石混合体“不能被立即压实”特性本身是含有时间特征的，当排土速率减小时，高度增长率减小，土石混合体的“不能被立即压实”特性减弱[8-9]，因此，这种特性可定义为土石混合体重构强度的时效特性。

2 不同重构压力下抗剪强度变化规律

抗剪强度是评价边坡稳定性的核心参数，而黏聚力C和内摩擦角φ是抗剪强度的2个主要参数[10]。黏聚力是岩土体颗粒之间的胶结方式和连接强度所提供的聚合力，内摩擦角则反映了岩土体颗粒之间的咬合、摩擦特性[11]，二者的综合作用体现了岩土体抵抗剪切应力的能力。

通过实验对土石混合体抗剪强度进行测定，探索不同重构压力下土石混合体重构抗剪强度的变化规律。

2.1 试样制备

对于土石混合体抗剪强度的测定，实验采用便携式压力实验仪进行不同重构压力、时间条件下的试样制备，实验设备及0.125 MPa下制备的土石混合体岩样如图1。整套设备包括液压系统、重构容腔、压力表等主要部件，将松散岩体装入重构容腔中，并进行适当搅拌，保证土石混合体在重构容腔中分布均匀，不会出现偏载的情况。

图1 实验设备及0.125 MPa下制备的土石混合体岩样

2.2 黏聚力C和内摩擦角φ的测定

对0.125 MPa压力下的土石混合体重构岩样进行直剪实验，从重构岩样中制取4个剪切岩样，分别进行50、100、150、200 kPa 4个垂向荷载下的直剪实验，根据实验数据，绘制剪切实验数据，直剪实验数据曲线如图2。

综合4个不同垂向荷载条件下的直剪数据最大值，进行回归分析，得到该组岩样的黏聚力为6.76 kPa，内摩擦角为36.83°，土石混合体重构岩样（0.125 MPa）直剪结果如图3所示。

按照相同的实验方法和研究思路，依次对0.25、0.375、0.5、0.7、0.9、1 MPa这6个压力级别下的土石混合体的重构岩样进行了直剪实验

汇总所有的重构压力下的土石混合体的抗剪强度参数见表1。

图2 直剪实验数据曲线

图3 土石混合体重构岩样（0.125 MPa）直剪结果

表1 土石混合体重构岩样的抗剪强度参数

根据表1中土石混合体的抗剪强度参数进行回归分析，揭示重构压力对于土石混合体抗剪强度参数的影响规律，回归分析结果如图4。

从图4可以看出，土石混合体的黏聚力C与重构压力呈现良好的函数关系，黏聚力C与重构压力呈二次函数关系递增；而内摩擦角与重构压力并没表现出明显的函数关系。

3 排土场土石混合体边坡时效稳定性评价

图4 抗剪强度参数与重构压力的耦合关系曲线

对于土石混合体边坡稳定性的评价，需要结合排土场的排弃方案，并根据排土场台阶的层位和堆载时间进行分区赋参数，然后通过数值模拟，得到土石混合体排土场的边坡稳定系数。这种分层或者分区赋参数的方法可以提高土石混合体边坡岩层力学参数的准确性，避免因单一参数赋值所造成的基础数据误差。本文基于2种主要的排土方案分别进行排土场动态稳定性评价，以揭示排土场动态发展过程中的时效稳定性变化规律。

3.1 多台阶平行推进排土方案

分区开采的近水平大型露天煤矿，外排土场和内排土场的排土场方案多数采用原地起坡，达到设计的高度之后，多个排土台阶平行向前推进，直至最终的排土境界。多台阶平行推进排土方案如图5。在排土场动态推进过程中，由于排土顺序和排土层位的差异，造成不同区域的土石混合体的力学参数也有所不同，重构实验所揭示的规律，对不同层位的参数的进行分区赋参数，然后对排土场动态稳定性进行模拟，得到土石混合体排土场边坡稳定性变化规律。

根据图5，排土场从Ⅰ层至N层，土石混合体所受的重构压力随着层数增加呈线性递增，相应的力学参数也不断变化，当排土场台阶达到设定高度时，按照图5中的1～n的排土顺序逐步排土，并对每个阶段的排土场稳定性分析结果进行分析，得到不同排土阶段的稳定性分析结果，如图6所示。

图5 多台阶平行推进排土方案

图6 不同排土阶段时排土场的稳定性分析结果

不同高度的排土场在从1～n的排土过程中，排土场边坡稳定系数变化曲线如图7。

图7 排土作业过程中边坡稳定系数

从图7可知，随着排土场高度H的不断增大，稳定系数Fs呈加速降低趋势。当完成1区的排土作业时，整体边坡角降低，边坡稳定系数大幅提升；依次进行2～n区域的排土作业时，边坡稳定系数呈线性降低。分析结果显示，危险区域总是集中在排土台阶表层，这部分物料的重构强度最低，容易发生滑塌。

3.2 逐层排土方案

对于特殊地形区域的外排土场，由于排土场地的限制，不具备原地起坡、多层平行推进的条件，这种情况下，排土场自下而上采用逐层排弃，下一层排土任务完成之后，然后进行上一层排土作业，整个排土场顺序如图8所示。

图8 排土场逐层排土方案

对逐层排土方案进行分区赋值，然后进行土石混合体边坡稳定性分析，不同排土场阶段的稳定性分析结果如图9所示。

图9 逐层排土过程中的稳定性分析结果

从图9可以看出随着排弃层数的增加，排土场边坡稳定性逐渐增加，当达到最大排土场层数时，边坡稳定系数出现了突降。而且最危险滑面集中在最上部松散排土台阶。

综合2种排土方案在动态排土过程中的时效稳定系数可以看出，在动态排弃过程中，边坡稳定系数均是先增长后减小，危险滑面主要集中在排土场边坡表层，因此，在排土场动态排弃过程中，应该注意表层边坡的变形、沉降甚至滑移问题。

4 结 语

基于不同重构压力下土石混合体重构抗剪强度变化规律，分析探索得出了排土场的作业程序和不同层位土石混合体力学强度的分布规律，分别对多层平行推进排土和逐层排土这2种方案的边坡稳定性进行了评价，得到了动态排土过程中的稳定性变化规律，为排土场作业方案和结构优化提供了依据。

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【责任编辑：陈 毓】

Soil-rock m ixture reconstruction spatial and temporal distribution law and stability evaluation

LUOWei
(Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661699,China)

The mine carries out the test of soil-rock mixture strength by experiment,establishes the model to carry out stability evaluation according tomechanical parameters,and reveals the effectiveness stability variation law in the dynamic development of the dump.

soil-rock mixture;reconstruction;spatial and temporal distribution;stability evaluation

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0036－04

2017-06-20

罗 伟（1982—），男，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现为云南省小龙潭矿务局采矿工程师。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.009

罗伟.排土场土石混合体强度重构时空分布规律及时效稳定性评价［J］.露天采矿技术，2017，32（9）：36-39.