齊大山排土場邊坡參數優化及穩定性分析

王 瑞 王永增 陸占國

(鞍鋼集團礦業公司齊大山鐵礦)

目前，我國露天礦排土作業的薄弱環節是高臺階排土場穩定機理研究不夠，因此不能結合排土工藝采取相應的穩定治理措施。露天礦排土工藝和設備比較單一，與國外先進技術相比，我國露天礦排土場單位面積堆置容量低、排土效率低、占地面積多、排土場復墾率低［1-4］。排土場地基的表土層承載力、極限堆放高度等相關因素是國內外研究機構研究的方向［5-6］。雖然我國曾組織過高臺階排土工藝重點科技攻關，支持開展了重大工程科研工作，使露天礦的排土技術取得了長足的發展，在一些領域已具有世界先進水平，有力地促進了露天鐵礦生產，但反過來為排土工程提出了新的要求。我國的大部分露天礦進入深凹開采，露天礦年生產礦石已超過億噸，而開采條件越來越惡劣。隨著土地資源的緊張，土地價格上漲，環保要求的提高，對露天礦的排土工作提出了更高的要求，所以加強露天礦排土工作的優化研究，對達到減少費用、增加穩定、保護環境的目的具有現實意義。

本研究以齊大山鐵礦的工程地質資料為基礎，并結合排土場勘察設計等相關資料和說明，對齊大山鐵礦現有的排土場的堆置參數進行優化，并對排土場進行穩定性分析，以更合理地利用排土空間，增加排土容量，減少占用土地，節約礦山經營成本。

1 排土場參數的優化方法

以往由于對排土場的研究深度不夠，排土場的設計往往偏于保守，很多排土場的潛力沒有充分發揮，排土效率較低。另一方面在過去排土場建設中忽略了排土場基底的工程水文地質調查和排棄物料的力學性質研究，對軟弱地基、地下水等不良地質條件缺乏認識，一些排土場存在著安全隱患。近些年來，隨著排土技術研究的不斷深入，對排土場穩定性機理的認識也由淺入深不斷發展，許多切實可行的滑坡防護措施在礦山得到應用，為礦山采用高臺階排土提供了技術保證，加之隨著大中型礦山進入中后期開采，普遍存在排土場容量不足的問題，需要通過排土參數的合理優化，對老排土場進行增高擴容。排土臺階高度(包括單臺階高度和排土場總高度)、臺階坡面角和安全平臺寬度是排土場主要的參數，都與排棄巖土的種類和穩定性條件及排土工藝方式有著密切關系。在排土工藝方式和排棄巖土種類一定的情況下，則穩定性條件決定了臺階高度，臺階坡面角以及安全平臺寬度的取值。因此排土參數的優化可以看作是以安全系數為評判標準，對排土臺階高度、臺階坡面角及安全平臺寬度的優化過程［7］。

2 極限平衡法原理

極限平衡法是當前邊坡穩定性分析的常用方法，具有計算模型簡單、計算參數量化準確、計算結果直接實用的特點。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學機理與適用條件均有所不同。隨著計算機的出現和發展，又出現了一些求解步驟更為嚴格的方法，如Morgenstern－Price法、Spencer法等。本次穩定計算采用Morgenstern－Price法來確定邊坡的安全系數。

該方法的特點是考慮了全部平衡條件與邊界條件，這樣做的目的是為了消除計算方法上的誤差，并對Janbu推導出來的近似解法提供更加精確的解答。對方程式的求解采用的是數值解法(即微增量法)，滑面的形狀為任意的，安全系數采用力平衡法［8-10］。

3 排土場邊坡參數優化

運用極限平衡法，以安全系數為標準，在保證穩定的前提下選取內排土場的參數方案，最后通過比較容積的大小，確定最終的方案。巖土體的物理力學參數見表1。

表1 排土場邊坡穩定性計算參數

3.1 單臺階角度的確定

本次計算選用GeoSlope軟件進行齊大山鐵礦排土場邊坡穩定性分析，分別計算當邊坡臺階高度為30 m，邊坡角度為30°、32°、34°、36°、38°和40°時的單臺階穩定性。邊坡角度34°時穩定性計算示意圖見圖1，得到各邊坡角度下的安全系數見圖2所示。

由于排土場下游無人居住，沒有重要的設施，過高的安全系數既不經濟也沒有必要。在保證礦山安全生產的前提下，可采用較大邊坡臺階角度38°進行排土，在排土場破壞后容易產生嚴重后果區段增大邊坡穩定性安全儲備，采用邊坡臺階角度34°進行排土。

圖1 邊坡角度34°時穩定性計算

圖2 邊坡安全系數隨邊坡角度變化

3.2 單臺階高度的確定

對于排土場邊坡來說，在保證排土場邊坡穩定的條件下，加大排土場的高度無疑將大大增加排土場的排土能力，將創造巨大的經濟效益。在坡面角一定的情況下，排土場邊坡的穩定主要是由臺階高度，巖土的物理力學性質等因素決定的。下面分別計算當邊坡角為34°和38°，臺階高度為10、20、30、40和50 m時的單臺階穩定性，得到的安全系數如圖3所示。

圖3 邊坡安全系數隨臺階高度變化

由圖4可知:邊坡隨著臺階高度的增高，安全系數迅速減小;臺階邊坡角度越大，安全系數隨高度變化的速率越大。因此當采用38°邊坡角時，建議選用臺階高度30 m;采用34°邊坡角時，建議選用臺階高度40 m，保證整體邊坡安全。

3.3 安全平臺寬度的確定

由于齊大山鐵礦排棄物料的性質相對較差，不能采取單臺階全段高排土的方式，只能采取覆蓋式多臺階排土法。一般來說，安全平臺較大，排土場穩定性高，受容能力小;安全平臺較小，排土場穩定性差，受容能力大。合理的安全平臺寬度，既能保證下部臺階的安全生產，也能為上部臺階的穩定創造條件。對邊坡角34°，高40 m，邊坡角為38°，高30 m的單臺階分別設置20，30 m的安全平臺，建立模型，算出其安全系數，見表2。由于需要算出組合臺階的安全系數，臺階的總高度取接近于排土場規劃設計的最大高差180 m。

表2 排土場堆置方案

表2中4個方案在符合穩定性的要求和排土場的總高度一定的情況下，排土場的總體邊坡角越大，所能容納的廢石量越大，結合安全系數值建議排土場的參數方案為第二方案，即臺階坡面角34°，臺階高度40 m，平臺寬度30 m。

4 結論

在不考慮地下水、地震等外界影響因素作用的情況下進行齊大山鐵礦排土場邊坡參數優化，采用建立不同臺階坡面角、單臺階高度以及安全平臺寬度的排土場模型進行穩定性分析，計算采用Morgenstern－Price法在所有工況下具有良好的計算精度，未出現不收斂情況。通過適當減緩單臺階邊坡角，增加單臺階高度的方法，確定了排土場參數的最終取值為坡面角34°，安全平臺寬度30 m，臺階高40 m，增加了排土場的容積。

［1］ 李小春，任 偉，王少泉，等.論金屬礦山排土場設計規范中邊坡極限平衡計算方法的選取［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(2):4136-4142.

［2］ 《采礦手冊》編輯委員會.采礦手冊:第3卷［M］.北京:冶金工業出版社，1988.

［3］ 古德生，杜煒平.土場環境災害的控制技術［J］.中國環境科學，2001，21(1):93-96.

［4］ 徐永剛.影響排土場邊坡穩定因素的探討［J］.中國礦業，2000 (9):72-73.

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［6］ 黃 敏.永平銅礦西部排土場邊坡穩定性分析［D］.長沙:中南大學，2008.

［7］ 黃廣龍.露天礦排土參數優化的研究［J］.金屬礦山，1995(9): 23-27.

［8］ 黃夢宏，丁樺.邊坡穩定性分析極限平衡法的簡化條件［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(12):2530-2536.

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［10］ 張永樂，周玉新.永平銅礦西部排土場排土方案及其穩定性分析［J］.金屬礦山，2008(4):126-128.