越南纳阳露天矿排土场参数优化设计分析

近年来，矿业对越南的经济发展和保证能源安宁有着重要的贡献，其中，露天开采是一个基本的开采方法及在矿业中占有大比例。随着时间，矿坑越来越深，开采条件越来越困难，特别是越南位于热带季风区域，雨量多，地下水丰富，导致边坡安全的问题发生。越南露天矿采用卡车运输岩石，卡车从低到高进行排土，那时排弃台阶高度和排弃成本有密切的关系。另外，有些对该矿边坡稳定性不利的因素如：雨量大，表面和地下水丰富；外排土场靠近采场边坡；边坡是含有软弱夹层，含有含水层的顺层边坡。通过地质工程，边坡的技术参数及对边坡稳定性的影响因数的研究
1 绪论

1 Introduction

1.1 选题背景与研究意义（Background of Topic Selection andResearch Significance）

1.1.1 选题背景

越南是正在发展的国家，开矿在越南的工业还占大比例。越南气候分成两个不同的季节，雨季雨量集中较大，最大为 3076 mm/yr，所以雨水和渗透对开采、边坡安全有很大的影响。越南露天矿主要使用卡车运输岩石，卡车上坡排弃。根据近几年来的实际统计数据指出运输和排弃成本占全矿的开采成本的 60~67 %，其中在排土场上的运输和排弃成本占 40~45 %。所以为了减少开采成本，降低运输和排弃成本是必要。当卡车上坡时，卡车运输成本和能耗跟排弃台阶高度（提升高度）有很大的关系，合理排土参数帮助降低运输和排土成本。另外，合理台阶高度使岩石颗粒分布越均匀，增加岩土重构性，降低空隙率，降低渗透的影响，增加边坡稳定性。越南露天矿主要分布在广宁省，那里有被公认的世界自然遗产下龙湾，因此，他们矿受到环境标准的严格控制，特别是排弃环节因为排土场占地面积常常很大。此外，分散在各省的许多其他大型露天矿山的地形条件相对平坦，导致大量排土场占地面积，影响到该地区的环境和景观。因此，研究解决方案以减少排土场的占地面积很重要也很必要。越南露天矿的地层特征是岩石有沉积来源，分成薄到中等岩层。地层中常常存在自然的软弱夹层如段节，成造，煤层。开采和爆破强度大，地下水丰富，水头高。根据前者的研究结果，水对边坡稳定性的影响严重，主要的影响形式有以下几种：降低边坡内岩石的强度，产生水对边坡的静水压力和动水压力作用。当边坡受到这些因数的影响导致失稳危机增加。因此，为了限制失稳的风险，研究这些因数对边坡稳定的影响是必要，特别是在雨季的时候。根据研究结果，用基础控制方法限制雨水和地下水的影响是十分必要的。

1.2 国内外研究现状（Research at Vietnam and abroad）

1.2.1 越南研究现状

作者综合了在越南[1-3]和中国[4-7]中应用的理论，露天采矿技术。边坡稳定性计算方法研究，岩土物理特性研究，对边坡稳定性的影响因数研究[8-28]。作者[29-33]分析和评估了渗透对边坡稳定性的影响，岩石的颗粒大小在排土场的分布。近年来在越南露天煤矿上，边坡安全和环境保护愈来愈受重视。倒今，在越南已经有一些研究项目如下：2015 年，越南矿井科技学院[34]对越南煤矿外排土场进行考察，评估。基于边坡稳定性的理论，地层的岩石物理力学性质进行计算，选出排弃物的物理力学参数，服务于排土场边坡稳定性分析。在饱和和非饱和条件下为保证排土场边坡稳定选出排土场排弃参数。这些计算却只按理论和经验而缺少实际和现场分析所以缺少了正确性。2008 年，德国的 RAME 组织[35]在肥山（NuiBeo）煤矿正北（ChinhBac）外排土场进行排弃实例，比较边缘式排土方法和场地式排弃方法的优点和缺点。结果显得，在一定的条件下，确保生态环境和排土场的安全，采用场地式排弃方法比边缘式排土方法更有利。同时进行比较两种排弃方法的运输距离和排弃成本，进行岩石块度分布考察但考察只在台阶高度为 5m 进行所以可靠性不高。

1.2.2 排土场边坡稳定性研究

杨秀[36]通过安家岭露天煤矿实际条件，综合运用分析理论，岩石物理力学试验，采用极限平衡法与数值模拟进行分析该内排土场稳定性。采用 FLAC3D 软件来分析边坡失稳过程中的应力，滑面位移分布特征，建立了内排土场边坡稳定性的控制方案。国新[37]采用极限平衡法来分析魏家峁露天矿东 1 号排土场，分析第四纪基底的稳定，同时使用数值模型分析了排土场位移，应力分布特征，给出 1号排土场的潜在失稳机制。罗仁美[38]对印子峪排土场进行研究指出：细颗粒岩土分布在台阶上部，而粗颗粒分布在台阶下部。同时，他认为岩石颗粒大小适量一起排放对排土场稳定有利。杨丽萍[39]对准格尔黑岱沟露天煤矿内排土场边坡稳定性进行分析，使用室验和现场试验，测定岩石物理力学，综合对排土场影响的因素，分析排土场稳定性，建立了边坡排弃物的物理力学性质指标模型。张建华[40]对德兴铜矿排土场进行研究，研究高台阶排土场稳定性和滑坡模式，通过在现场调查了排土场裂缝分布规律，渗流特征，排土场边坡安息角，进行排土场散体材料块度分布试验和排土场岩石物理力学试验。进行分析排土场稳定性，分析降雨对排土场稳定性的影响规律，同时进行比较和校正排土场参数。

2 工程概况

2 Project Overview

2.1 工程背景（Na Duong Coal Mine Background）
纳阳是越南很大的露天煤矿之一，位于越南北部、凉山省、禄平县，煤炭年量为 120 万吨。该矿在为纳阳热电厂供应原煤有着重要作用，助于抵消该地区的电力短缺，为北方偏远地区建立一个高效的工业区。

2.2 工程地质特征分析（Geological Features Analysis）

2.2.1 自然条件特征

纳阳露天煤矿的剥离物主要排弃在 1 号外排土场。矿区的地形主要是山丘位于含煤层的山谷的周围。地形比较平坦，山丘的海拔高度为 300~330 m，山谷的最低海拔高度为 270~300 m。矿山周围的丘陵常常由狭窄的小山谷分隔开来，这些山谷被当地人清理成了水稻梯田和农作物区。在山峦，丘陵上原始森林不见了，而被重新种植桉树，松树和果园。该土地面积属于必须严格保护的区域。而且这片土地的补偿费用比林地高得多，所以造成了矿山在补偿和场地清理方面的困难。露天开采的占地面积往往比较大，这对生态环境和开采经济效益有着不利的影响。为减少露天开采的负面影响以及确保开采的经济效益，保护本地的农业土地需要有合适的方法。

3 外排土场排土参数与边坡稳定性研究......................................................................20

3.1 排土场排土参数优化...............................................................................................20

3.2 排弃物的力学性质研究...........................................................................................46

3.3 越南纳阳露天煤矿外排土场排土参数与边坡稳定性分析...................................52

3.4 降低排土场占地面积的方法研究...........................................................................64

3.5 本章小结...................................................................................................................67

4 渗透和震动耦合对边坡稳定性影响研究..................................................................69

4.1 渗透和震动作用下的岩体应力状态）...................................................................69

4.2 渗透对边坡稳定性的影响研究...............................................................................69

4.3 震动对边坡稳定性的影响.......................................................................................71

4.4 模型分析...................................................................................................................72

4.5 排土场靠近采场对采场边坡稳定性的影响分析 ..................................................84

4.6 本章小结...................................................................................................................89

5 含水层与软弱夹层对顺层边坡稳定性的影响研究..................................................91

5.1 边坡力学分析...........................................................................................................91

5.2 纳阳露天煤矿底帮边坡稳定性分析.......................................................................92

5.3 提高边坡稳定性措施.............................................................................................102

5.4 本章小结.................................................................................................................113

5 含水层与软弱夹层对顺层边坡稳定性的影响研究

5 Influence of Pore Water Pressure and WeakInterlayer on Bedding Slope Stability5.1 边坡力学分析（Slope Mechanical Analysis）

当地层内含有水时，水流会产生拖拽力，加强滑坡力，降低抗滑力，最终导致边坡的破坏。渗流压力方向取决于水流的方向，压力的大小取决于水头的高差。当顺层边坡含有软弱层，滑坡面很可能会发生在软弱层内，在水流的作用下滑体上的力分量分布可看图 5-1.

6 结论和建议

6 Conclusions and Proposals

6.1 结论（Conclusions）

近年来，矿业对越南的经济发展和保证能源安宁有着重要的贡献，其中，露天开采是一个基本的开采方法及在矿业中占有大比例。随着时间，矿坑越来越深，开采条件越来越困难，特别是越南位于热带季风区域，雨量多，地下水丰富，导致边坡安全的问题发生。越南露天矿采用卡车运输岩石，卡车从低到高进行排土，那时排弃台阶高度和排弃成本有密切的关系。另外，有些对该矿边坡稳定性不利的因素如：雨量大，表面和地下水丰富；外排土场靠近采场边坡；边坡是含有软弱夹层，含有含水层的顺层边坡。通过地质工程，边坡的技术参数及对边坡稳定性的影响因数的研究，得到了以下结论：

（1）当卡车从低到高排弃，排弃台阶高度与运输距离，卡车能耗和排弃成本有密切的关系。排弃台阶越低运输距离和卡车能耗越小，但卡车的工作时间和推土量会越大。所以在这个情况下，合理的台阶高度是满足排弃成本最低和台阶边坡稳定的条件。通过排土场模型和排弃实例研究指出低台阶更适合越南露天矿外排土场。根据不同稳定系数的条件下，揭示了外排土场合理的排弃参数，揭示了排土场最终边坡角和排弃物的物理力学性质，排土场高度的关系的确定公式。排土场占地面积决定于不同因素，其中，增加排土场高度、排土场最终边坡角和减少排土场岩土松散系数是三个可行性的降低排土场占地面积的方法。这三个在排弃过程中可以独立调整而不受开采条件的影响。

（2）在多水的条件下，排弃物的粘聚力、内摩擦角、排土场高度、最终边坡角对排土场稳定性有很大的影响。排弃物的黏聚力和内摩擦角与排土场边坡稳定性的增减规律是一致。粘聚力和内摩擦角减少时比增加时对边坡稳定的影响更大。岩石物理力学性质的参数（粘聚力，内摩擦角，容重）与排土场排弃台阶高度，排弃设备，排土场的含水量有很大的关系。排弃台阶高度越低，岩石颗粒分布越均匀，松散系数越小，排弃设备的压缩作用越大，孔隙率越小，导致排弃物力学重构性越高，水的影响越小，增加排土场边坡的稳定性。