杏山鐵礦北排土場減載優(yōu)化設(shè)計*

宋志飛 辛曉平 孫世國 徐秀鳴

（北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院）

杏山鐵礦北排土場減載優(yōu)化設(shè)計*

宋志飛 辛曉平 孫世國 徐秀鳴

（北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院）

杏山礦北排土場下部有重要的工業(yè)廣場，為了保證排土場的絕對安全，杏山礦北排土場需要進行減載，并確定最佳的減載方案。應(yīng)用滑移場理論、數(shù)值模擬方法、極限平衡分析等方法進行了系統(tǒng)的研究和評價，并得到了相關(guān)的優(yōu)化減載方案。最后得出了排土場在常規(guī)條件和飽和條件2種工況時的穩(wěn)定性結(jié)論。結(jié)果表明，減載后排土場穩(wěn)定性顯著提高。

排土場 數(shù)值模擬 極限平衡 穩(wěn)定性

為了確保排土場與工業(yè)廣場重要建筑物之間的安全距離大于2倍的堆高，杏山鐵礦北排土場進行了一期減載，排土場高度降低了30～50 m不等，從而有效地降低了排棄物自重荷載的作用；從減載過程中已揭露出來的廢石土固結(jié)情況來看，已排放了15 a的排棄物處于較好的固結(jié)狀態(tài)，整體成巖與普通碎裂巖體類似，堆排的廢石土已處于穩(wěn)定狀態(tài)；但考慮到其下部有重要的工業(yè)廣場，需要保證排土場的絕對安全，因此需在保證排土場安全條件下確定最佳的減載方案。

1 杏山鐵礦北排土場概況

首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦由露天轉(zhuǎn)為地下開采過程中，由于北排土場與新建地面工業(yè)廣場最近距離為28 m左右，排土場排放標高130.0～264.6 m，自然山坡坡度11°～20°。高度134.6 m，分為3個堆置平臺，安全平臺寬度20 m，邊坡堆積物自然安息角在38°左右。

由于排土場已排放幾十年、排棄物已基本固結(jié)穩(wěn)定。另外，考慮到目前排土場上部平臺寬度比較大，從坡腳至排土場最高點連線坡角為13°左右，整體坡角比較緩，所以控制排土場前緣邊坡的穩(wěn)定性，就可以保障排土場的安全。典型排土場工程地質(zhì)分布剖面圖見圖1。

圖1 排土場B－B剖面（標高單位：m）

2 減載方案的確定與穩(wěn)定性分析［1-4］

2.1 參數(shù)選擇

通過室內(nèi)實驗，得出各巖層的物理力學(xué)指標如表1、表2所示。

表1 常規(guī)條件下排土場各巖層物理力學(xué)指標

表2 飽和條件下排土場各巖層物理力學(xué)指標

2.2 基于滑移場理論的減載優(yōu)化設(shè)計

最佳方案的確定方法：在減載方案的優(yōu)化中，將考慮2種工況條件，即常規(guī)條件下和飽和條件下排土場的穩(wěn)定性。采用4種常用的邊坡穩(wěn)定性評價方法，然后取穩(wěn)定系數(shù)最小的數(shù)值作為邊坡評價是否穩(wěn)定的依據(jù)，應(yīng)用臨界滑移場理論和方法分別對不同角度條件下排土場邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進行了優(yōu)化設(shè)計和危險滑面的搜尋，最終得出：當坡角為19.2°時，滿足4種工況條件下的邊坡穩(wěn)定性的要求。

優(yōu)化設(shè)計后排土場B－B剖面工程地質(zhì)條件如圖2所示。

圖2 減載優(yōu)化設(shè)計后B－B剖面（標高單位：m）

2.2.1 臨界滑動面搜尋

B－B剖面減載后常規(guī)條件下和飽和條件下的危險滑面搜尋如圖3、圖4所示。

圖3 B－B剖面正常條件下臨界滑面搜尋圖

圖4 B－B剖面飽和條件下臨界滑面搜尋圖

2.2.2 極限平衡方法分析

用極限平衡法分析計算得出減載后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，如表3所示。

由表3可以看出，2種條件下都能保證安全系數(shù)在1.15以上，說明減載后邊坡處于安全狀態(tài)。

表3 減載后邊坡穩(wěn)定系數(shù)

3 排土場穩(wěn)定狀態(tài)的三維數(shù)值模擬分析［5-7］

三維彈塑性數(shù)值模擬軟件采用Midas／GTS。巖體安全狀態(tài)采用摩爾庫侖準則進行判別，對B－B剖面原始排土場邊坡和最終減載邊坡進行了數(shù)值模擬分析，以便研究減載前后排土場不同區(qū)域的應(yīng)力場、應(yīng)變場和剪切變形等力學(xué)屬性的演變特點，分析其是否存在塑性破壞區(qū)、以及應(yīng)力集中分布的特點，從而為正確分析和判別排土場的安全提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

3.1 原始排土場三維數(shù)值模擬分析

原始排土場邊坡數(shù)值模擬模型尺寸為長579 m、寬100 m、高161 m。數(shù)值模型劃分為32 300個單元、37 180個節(jié)點。原始排土場邊坡三維數(shù)值模擬結(jié)果如圖5至圖7所示。

圖5 原始排土場邊坡最大剪應(yīng)變分布色譜圖

圖6 原始排土場邊坡X方向應(yīng)力分布色譜圖

圖7 原始排土場邊坡Y方向應(yīng)力分布色譜圖

從三維數(shù)值模擬結(jié)果來看，水平向最大拉應(yīng)變主要集中在排土場邊坡中上部。最大剪應(yīng)變主要分布在排土場陡坡下緣，由此說明原排土場局部存在應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象。

3.2 排土場優(yōu)化減載后三維數(shù)值模擬分析

優(yōu)化減載后排土場整體坡角為19.2°，模型共劃分為27 530個單元，31 933個節(jié)點。模擬結(jié)果如圖8至圖10所示。

圖8 減載后邊坡最大剪應(yīng)分布色譜圖

圖9 減載后邊坡X方向應(yīng)力分布色譜圖

圖10 減載后邊坡Y方向應(yīng)力分布色譜圖

3.3 減載前后排土場穩(wěn)定性分析

從減載后邊坡應(yīng)力應(yīng)變色譜分布圖中可以看出，其應(yīng)力分布特點是基本沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。水平方向拉應(yīng)力最大值分布在排土場的中部下表面處，數(shù)值較小。最大剪應(yīng)變主要分布在第一臺階下的基底分界面附近且數(shù)值比較小，與原始排土場相比降低了54.8%。因此，排土場前緣第一臺階的穩(wěn)定性明顯提升。同時，各個應(yīng)力等值線分布比較均勻且近似平行線，說明邊坡內(nèi)部應(yīng)力集中減小，降低了破壞的概率，從而可以確保整個排土場的安全與穩(wěn)定。

通過排土場最終減載與原始排土場的應(yīng)力及應(yīng)變值對比看出，排土場后緣處X方向和Y方向應(yīng)力值以及最大剪應(yīng)變值變化均很小，說明最終減載對排土場后緣部分的各個應(yīng)力及應(yīng)變影響很小，因為最終減載位置位于排土場的前緣，所以對排土場后緣部分的影響比較小或基本沒有影響。

綜上分析可知，最終減載可以有效地減小排土場的應(yīng)力及應(yīng)變大小，減小破壞概率，確保排土場的安全與穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）原始排土場邊坡在邊坡后緣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，水平向拉應(yīng)變值相對較大，是未來邊坡安全的隱患，因此需進行優(yōu)化減載。

（2）為了保證排土場的安全，需保證常規(guī)條件和飽和條件均滿足排土場安全要求，最終確定排土場B－B剖面允許最大坡角為19.2°。

（3）減載最終使原始排土場邊坡應(yīng)力集中現(xiàn)象大幅度減緩，從而提高了邊坡穩(wěn)定性。

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Optim ized Design of Load Reduction for North Dum p of Xingshan Iron M ine

Song Zhifei Xin Xiaoping Sun Shiguo Xu Xiuming
（School of Civil Engineering，North China University of Technology）

In order to ensure the absolute safety of the bottom of northern Xingshan Iron Mine dump since below it there is an important industrial square nearby，it is necessary tomake load reduction and to determine the optimal load shedding scheme.The slip field theory，the numerical simulationmethod and the limitequilibrium analysismethod are applied to make the research and evaluation on the schemes，bywhich the optimal load shedding scheme is achieved.The stability conclusion under the normal condition and the saturation condition is obtained.The results show that the stability of dump increased significantly after load reduction.

Dump，Numerical simulation，Limit equilibrium，Stability

2013-06-22）

*國家自然基金項目（編號41202214，41172250），北京市科技新星計劃項目（編號Z121106002512008）。

宋志飛（1980—），男，博士，副教授，100144北京市石景山區(qū)晉元莊路5號。