杏山鐵礦北排土場(chǎng)減載優(yōu)化設(shè)計(jì)*

宋志飛 辛?xí)云?孫世國(guó) 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(chǎng)減載優(yōu)化設(shè)計(jì)*

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

排土場(chǎng) 數(shù)值模擬 極限平衡 穩(wěn)定性

為了確保排土場(chǎng)與工業(yè)廣場(chǎng)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(chǎng)進(jìn)行了一期減載，排土場(chǎng)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(chǎng)，需要保證排土場(chǎng)的絕對(duì)安全，因此需在保證排土場(chǎng)安全條件下確定最佳的減載方案。

1 杏山鐵礦北排土場(chǎng)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(chǎng)與新建地面工業(yè)廣場(chǎng)最近距離為28 m左右，排土場(chǎng)排放標(biāo)高130.0～264.6 m，自然山坡坡度11°～20°。高度134.6 m，分為3個(gè)堆置平臺(tái)，安全平臺(tái)寬度20 m，邊坡堆積物自然安息角在38°左右。

由于排土場(chǎng)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(chǎng)上部平臺(tái)寬度比較大，從坡腳至排土場(chǎng)最高點(diǎn)連線坡角為13°左右，整體坡角比較緩，所以控制排土場(chǎng)前緣邊坡的穩(wěn)定性，就可以保障排土場(chǎng)的安全。典型排土場(chǎng)工程地質(zhì)分布剖面圖見圖1。

圖1 排土場(chǎng)B－B剖面（標(biāo)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(shí)驗(yàn)，得出各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 常規(guī)條件下排土場(chǎng)各巖層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 飽和條件下排土場(chǎng)各巖層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 基于滑移場(chǎng)理論的減載優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(chǎng)的穩(wěn)定性。采用4種常用的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，然后取穩(wěn)定系數(shù)最小的數(shù)值作為邊坡評(píng)價(jià)是否穩(wěn)定的依據(jù)，應(yīng)用臨界滑移場(chǎng)理論和方法分別對(duì)不同角度條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和危險(xiǎn)滑面的搜尋，最終得出：當(dāng)坡角為19.2°時(shí)，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(jì)后排土場(chǎng)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(jì)后B－B剖面（標(biāo)高單位：m）

2.2.1 臨界滑動(dòng)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(xiǎn)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(jì)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(chǎng)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(zhǔn)則進(jìn)行判別，對(duì)B－B剖面原始排土場(chǎng)邊坡和最終減載邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以便研究減載前后排土場(chǎng)不同區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和剪切變形等力學(xué)屬性的演變特點(diǎn)，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(diǎn)，從而為正確分析和判別排土場(chǎng)的安全提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

3.1 原始排土場(chǎng)三維數(shù)值模擬分析

原始排土場(chǎng)邊坡數(shù)值模擬模型尺寸為長(zhǎng)579 m、寬100 m、高161 m。數(shù)值模型劃分為32 300個(gè)單元、37 180個(gè)節(jié)點(diǎn)。原始排土場(chǎng)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(chǎng)邊坡最大剪應(yīng)變分布色譜圖

圖6 原始排土場(chǎng)邊坡X方向應(yīng)力分布色譜圖

圖7 原始排土場(chǎng)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(chǎng)邊坡中上部。最大剪應(yīng)變主要分布在排土場(chǎng)陡坡下緣，由此說明原排土場(chǎng)局部存在應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象。

3.2 排土場(chǎng)優(yōu)化減載后三維數(shù)值模擬分析

優(yōu)化減載后排土場(chǎng)整體坡角為19.2°，模型共劃分為27 530個(gè)單元，31 933個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(chǎng)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(diǎn)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(chǎng)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(tái)階下的基底分界面附近且數(shù)值比較小，與原始排土場(chǎng)相比降低了54.8%。因此，排土場(chǎng)前緣第一臺(tái)階的穩(wěn)定性明顯提升。同時(shí)，各個(gè)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(gè)排土場(chǎng)的安全與穩(wěn)定。

通過排土場(chǎng)最終減載與原始排土場(chǎng)的應(yīng)力及應(yīng)變值對(duì)比看出，排土場(chǎng)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(duì)排土場(chǎng)后緣部分的各個(gè)應(yīng)力及應(yīng)變影響很小，因?yàn)樽罱K減載位置位于排土場(chǎng)的前緣，所以對(duì)排土場(chǎng)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(chǎng)的應(yīng)力及應(yīng)變大小，減小破壞概率，確保排土場(chǎng)的安全與穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）原始排土場(chǎng)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(duì)較大，是未來邊坡安全的隱患，因此需進(jìn)行優(yōu)化減載。

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

（3）減載最終使原始排土場(chǎng)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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［7］姜德義，朱合華，杜云貴.邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡防治［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

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(guó)家自然基金項(xiàng)目（編號(hào)41202214，41172250），北京市科技新星計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)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(hào)。