多臺階覆蓋式排土場邊坡結構參數的確定

毛權生 樂 陶

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

排土場邊坡屬于礦山剝離的散體物料堆積而成的邊坡，邊坡體為礦山剝離的巖土塊、水分和孔隙三元介質體。其邊坡的形式由排土工藝確定，按排土堆置順序，排土場分為單臺階式、多臺階覆蓋式、多臺階壓坡腳式3種形式。多臺階覆蓋式排土場是按一定臺階高度的水平分層由下而上逐層堆置，也可幾個臺階同時進行覆蓋式排土，但要保持下一臺階超前一段安全距離。

排土場滑坡破壞模式主要有排土場內部滑坡、沿排土場地基軟弱層滑坡、沿地基接觸面滑坡3種類型。排土場內部滑坡一般為園弧形滑面，其他類型的滑坡為沿接觸面或軟弱結構面的不規則形狀。

1 白馬鐵礦Ⅳ排土場邊坡基本現狀

白馬鐵礦Ⅳ排土場是利用山谷有利地形堆置而成，地形起伏不平。地基地層［1］主要有第四系殘坡積含碎石粉質黏土(Qel+dl4)、第四系沖洪積碎塊石土(Qal+pl4)，下伏基巖為二迭系正長巖(ξo15)，其中正長巖(ξo15)根據其風化程度劃分為全風化、強風化、中等風化。根據設計［2］，白馬鐵礦Ⅳ排土場堆排方式采用汽車—推土機排土工藝，多臺階自下而上覆蓋式排放，屬多臺階覆蓋式排土場，邊坡有明顯的塊度分級現象。場地形較陡，高差大，排土場前期排棄物料為采場剝離的第四系和強風化層散體。多臺階覆蓋式排土場臺階邊坡角為散體物料的自然安息角，為了保證排土場穩定，首先在單臺階情況下確定單臺階允許高度，再根據單臺階允許高度對整體邊坡進行穩定性分析來確定平臺寬度。本次排土場單臺階允許高度和平臺寬度的確定步驟:

(1)對不同高度的排土場單臺階穩定性進行計算，求得單臺階穩定性安全系數。

(2)對單臺階穩定性安全系數和高度進行回歸，求得安全系數為允許安全系數時所對應的單臺階高度為排土場邊坡單臺階允許高度。

(3)根據單臺階允許高度，選擇不同的平臺寬度，對排土場整體邊坡穩定性進行計算，求得不同平臺寬度所對應的穩定性安全系數。

(4)對整體邊坡安全系數和平臺寬度進行回歸，求得安全系數為允許安全系數時所對應的平臺寬度為排土場邊坡平臺寬度。

2 排土場邊坡單臺階高度確定

排土場單臺階高度的確定方法是:首先分別對單臺階高度為30、40、50、60 m的排土場邊坡進行穩定性計算，運用余推力法計算出上述不同高度時的安全系數(見表1，計算中沒有考慮地下水的影響)。然后對不同臺階高度所對應的安全系數進行回歸(見圖1～圖2)，求得安全系數為允許安全系數時對應的臺階高度(根據要求允許安全系數取1.15［3］)為排土場邊坡單臺階允許高度。

表1 排土場單臺階不同高度時的安全系數

圖1 單臺階高度和安全系數回歸(不考慮地震)

圖2 單臺階高度和安全系數回歸(考慮地震)

從不同臺階高度和穩定性安全系數回歸可以確定安全系數為允許安全系數時的允許臺階高度，計算結果見表2。

由表2可以看出，在不考慮地震的情況下，單臺階允許高度可達到44.79 m，考慮地震時，單臺階允許高度可達到37.42 m。

表2 不同工況下的允許臺階高度

在44.79 m與37.42 m之間選取40 m作為單臺階高度，在不考慮地震的情況下安全系數為1.164，大于允許安全系數;考慮地震的情況下安全系數為1.117，略小于允許安全系數。也就是說，在發生7級地震(振動影響系數取0.025)的特殊工況下臺階邊坡可能發生破壞。那么，只要通過調整平臺寬度，保證整體邊坡在有地震的情況下的安全系數大于允許安全系數，就可以滿足排土場整體穩定的要求，綜合考慮，白馬鐵礦Ⅳ排土場邊坡單臺階允許高度確定為40 m。

3 排土場平臺寬度的確定

白馬鐵礦Ⅳ排土場是多臺階排土場，排土場的穩定性不僅和單臺階的高度有關，還和平臺的寬度有著直接的聯系;選擇合理的平臺寬度既可以滿足排土場整體穩定的需要，同時也能為礦山取得好的經濟效益創造有利條件。本次排土場平臺寬度的確定是根據前面所確定的單臺階高度和單臺階邊坡角，對Ⅳ排土場所選定的A、B剖面，在考慮地震和地下水的情況下，運用余推力法對不同平臺寬度的邊坡進行穩定性計算［4］，通過各剖面平臺寬度和安全系數的回歸最終確定最小的平臺寬度。在剖面進行優化計算時，剖面坡頂坐標不變，平臺寬度分別選擇30、40、50 m，穩定性計算結果見表3，回歸結果見圖3～圖6。

表3 各剖面不同平臺寬度計算結果

從各剖面不同平臺寬度和所對應的穩定性安全系數回歸可以確定安全系數為允許安全系數時的最小平臺寬度，計算結果見表4。

圖3 A剖面平臺寬度和安全系數回歸(不考慮地震)

圖4 A剖面平臺寬度和安全系數回歸(考慮地震)

圖5 B剖面平臺寬度和安全系數回歸(不考慮地震)

圖6 B剖面平臺寬度和安全系數回歸(考慮地震)

表4 各剖面達到穩定時的最小平臺寬度

從表4中可以看出:A剖面在不考慮地震的情況下最小平臺寬度為29.284 m，A剖面在考慮地震的情況下最小平臺寬度為47.494 m;B剖面在不考慮地震的情況下最小平臺寬度為28.400 m，B剖面在考慮地震的情況下最小平臺寬度為46.749 m。綜合上面各剖面的計算結果，臺階高度取40 m、平臺寬度取50 m比較合適，根據此排土場邊坡參數，對A、B剖面進行了穩定性分析，計算出整體破壞示意圖見圖7～圖8。

圖7 A剖面穩定性計算結果

圖8 B剖面穩定性計算結果

4 結語

白馬鐵礦Ⅳ排土場屬于多臺階覆蓋式排土場，排土場邊坡臺階邊坡角為散體物料的自然安息角。為確保排土場邊坡的穩定，運用了極限平衡分析法中的余推力法計算不同臺階高度和不同平臺寬度時臺階邊坡和整體邊坡的穩定性，采用了最小二乘法來確定安全系數為允許安全系數時所對應的臺階高度為40 m，平臺寬度為50 m，確定了排土場邊坡的結構參數。

［1］ 四川省蜀通巖土工程公司.攀鋼(集團)公司白馬鐵礦Ⅳ廢石場巖土工程勘察報告［R］.攀枝花:攀鋼(集團)公司，2007.

［2］ 中冶長天國際工程有限責任公司.白馬鐵礦設計說明書［R］.攀枝花:攀鋼(集團)公司，2005.

［3］ 國家安全生產監督管理局.AQ2005—2005 金屬非金屬礦山排土場安全生產規則［S］.北京:煤炭工業出版社，2005.

［4］ 中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司.露天礦排土場高臺階排土安全穩定性與堆浸排土參數優化研究［R］.馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，2002.

［5］ 冶金工業部馬鞍山礦山研究院.高臺階排土場穩定性及監測技術的研究［R］.馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，1990.