白云鄂博西礦排土場優化方案設計與論證

杜文秀　程建忠

(內蒙古包鋼鋼聯有限公司巴潤礦業分公司)

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白云鄂博西礦排土場優化方案設計與論證

杜文秀程建忠

(內蒙古包鋼鋼聯有限公司巴潤礦業分公司)

排土場在自然堆放過程中，物料性質、單臺階高度、堆積平臺預留寬度及整體邊坡角是影響排土場穩定性的關鍵因素。針對白云鄂博西礦排土場的實際情況及基于排土工藝的要求，進行了排土場優化設計并進行了穩定性分析。結果表明：基于特定巖性，單臺階高度為20m，可保證排土場的整體穩定性，同時可節約運距，達到降本增效的目的。

排土場穩定性分析降本增效

白云鄂博西礦位于內蒙古自治區西北部，地處陰山山脈以北的烏蘭察布草原，是一座世界罕見的多金屬共生礦床，為包頭鋼鐵公司的主要原料基地。白云鄂博西礦在開采范圍內形成了一個大型露天采場，地表長4 700m，寬約1 250m。采場礦石、巖石全部使用汽車直接運往選廠破碎站和排土場。為確保該礦排土場的整體穩定性，本研究對排土場的影響因素進行分析，并對該礦排土場進行優化設計。

1　排土場現狀

白云鄂博西礦排土場原設計排土容積5 700萬m3，設計各排土臺階標高分別為1 640，1 660，1 680，1 670m，最終堆置標高1 700m，最大堆置高度50～90m。北廢巖排土場現已形成3個排土臺階，上部排土臺階頂面高程1 690m，中部排土臺階頂面高程1 670～1 673m，下部排土臺階頂面高程1 640～1 649m。其中，上部臺階僅完成初始路堤填筑，即將開始排土作業；中部臺階及下部臺階南部仍有部分排土空間。北廢巖排土場西側通過汽車排土自筑現已形成長約880m、寬約48m的固定道路連接各排土臺階，道路平均縱坡坡度5.6%。現場踏勘發現，北廢巖排土場頂面平整，邊坡穩定，無明顯沉陷、裂隙、溜坍、滑坡等現象。

2　排土場優化設計

2.1排土場設計參數與設計容量

計算排土場所需容積需考慮沉降率、邊坡自然安息角、綜合邊坡角等主要因素，本研究北廢巖排土場加高設計采用原設計中的堆置參數：沉降系數15%，自然安息角32°，邊坡角25.46°，容積富余系數5%，松散系數1.6。

根據原設計中排土場邊坡參數，排土場加高至1 680m水平后，北廢巖排土場共形成2個排土臺階，即1 660，1 680m水平臺階，臺階高度均為20m，排土臺階間安全平臺寬20m。加高至1 680m水平后的排土場邊坡如圖1所示。根據排土場堆置要素及現狀，經計算，北廢巖排土場加高至1 680m水平后的可用排土容積為560萬m3。

圖1　排土場邊坡示意

2.2排土工藝與調整方案

2.2.1排土工藝

北廢巖排土場延續原設計中的自卸汽車運輸方案，廢石由自卸汽車運至排土工作平臺卸載后，根據需要采用推土機將遺留于工作平臺的殘余剝離物推向階段邊幫。工作平臺隨排土的進行而不斷擴展，直至達到設計排土邊界。排土方式可采用邊緣排土與場地排土相結合的方式，除雨季采用場地排土外，其余季節采用邊緣排土。自卸汽車在確保安全的前提下，應盡可能靠近階段邊緣。

2.2.2北廢巖排土場調整

目前，北廢巖排土場已升至1 690m水平，本研究設計不建議在該臺階繼續向北排土。北廢巖排土場中部臺階現狀標高1 670～1 673m，尚未達到設計標高1 680m，存在一定的剩余容積，近期排土作業重點利用該部分空間進行。

2.3排土場道路

為配合排土場加高，需對北廢巖排土場現有的道路進行優化調整，在北廢巖排土場西側新設置Ⅱ-2#道路，該道路起自北廢巖排土場現狀道路西側，向北延伸至排土場1 680m臺階。

2.4排土場穩定性分析及對策2.4.1排土場工程地質情況

排土場場區巖性以粉質黏土為主，夾有黏土、黏土質中—粗砂層、碎石層，向底部粗粒層次增多，直至板巖強風化帶。北廢巖排土場所接納的排棄物主要為板巖及云母閃石巖等。排土場堆置體的物理力學性質受巖石性質、塊度組成、容重、濕度、垂直荷載等因素的影響。排土場物料經壓實或膠結后，具有一定的黏結力，主要取決于細顆粒含量的大小，細顆粒巖土充填至巖塊之間的孔隙中經壓實后便改變了原有松散體的性質，顆粒間便產生了較小的內聚力。內摩擦角與巖土性質及塊度組成有關，根據排土場巖石塊度的分布規律，不同層位的塊度組成不同，細顆粒多分布于排土場上部和中部，粗顆粒分布于排土場中部、下部，粗顆粒含量高，組成骨架的剛性提高，顆粒間的摩擦力占主導地位，摩擦力增大；反之，細顆粒含量增大，摩擦力便減小，但黏結力增大。在排土場下部堆集的大塊巖石幾乎不含細粒和其他黏性材料，故黏結力為0，但內摩擦角較大，接近或等于排土場的安息角。

此外，排土場堆置體的物理力學性質還與濕度和含水量有顯著的關系，當物料的濕度較小時，隨著濕度增加，黏結力和內摩擦角逐漸增大，濕度繼續增加則力學參數下降，直至飽和狀態時，強度喪失，致使對排土場穩定性產生不利影響。排土場堆置體不同深度上物料的內聚力和內摩擦角由于顆粒分布的不均勻性導致隨深度的變化而發生變化。排土場邊坡雖然在排棄物堆積的過程中由坡上至坡下有一定的分選，但總體來看水平層位上是均勻的。北廢巖排土場堆置體的物理力學性質參數見表1。

表1　堆置體的物理力學性質參數

2.4.2排土場穩定性分析

北廢巖排土場在現有排土場的頂面進行加高，加高高度符合原初步設計要求。但目前礦山所使用的最大車型為載重236t電傳動礦用自卸汽車，設備總重量大于原初步設計中采用的載重172t電動輪自卸汽車。因此需對排土場生產過程中的單臺階穩定性進行再次核定。236t電傳動礦用自卸汽車自重170.98t，額定載重236t，輪胎直徑3.5m，輪胎寬1.27m，在車輛進行卸載時，后輪輪胎與地面接觸長度約1.6m。根據相關規范要求需在排土臺階坡肩處設置底寬為4.6m的擋車堆。

北廢巖排土場滑坡破壞模式主要為圓弧型破壞，設計使用Slide軟件對排土場設計終了邊坡進行搜索確定其最危險的滑動面，并采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法計算最危險滑動面的安全系數[1-3]。由于排土場周邊環境簡單，邊坡中的主要安全隱患在于大型自卸車(236t)進行排土時，暫時性的集中荷載會對邊坡穩定性造成較大影響，從而對車輛的安全運行構成威脅。工況1，正常工況時的臺階安全系數限值為1.15；工況2，特殊工況(正常工況+地震/正常工況+爆破震動)時的臺階安全系數限值為1.05。根據上述條件及選用的安全系數，在431kN/m2荷載條件下(236t)按照不同單臺階高度對排土場進行了穩定性計算，結果見表2。

表2　板巖單臺階及云母閃石巖單臺階高度及安全系數

由表2可知：①以板巖為主的廢巖排土場使用大型自卸車(236t)進行排土時，正常工況時單臺階的最大安全高度為20m，特殊工況(正常工況+地震、正常工況+爆破振動)時單臺階的最大安全高度為30m；②以云母閃石巖為主的廢巖排土場使用大型自卸車(236t)進行排土時，正常工況及特殊工況下均無法滿足單臺階穩定性要求，可見云母閃石巖排土場不宜采用大型設備。

考慮到礦山部分排土工作采用小型設備作業，設計確定云母閃石巖采用載重40t的TL840型寬體自卸汽車等小型車輛進行直排作業。TL840型寬體礦用自卸汽車自重12t，額定載重40t，輪胎直徑1.22m，輪胎寬0.4m。TL840型寬體礦用自卸汽車為雙后軸，后軸軸距1.4m，在車輛進行卸載時，后輪輪胎與地面接觸長度約0.6m。根據規范要求需在排土臺階坡肩處設置底寬為2.0m的擋車堆。

根據上述條件，在250kN/m2荷載條件下(TL840)對云母閃石巖排土場進行了穩定性計算，結果見表3。

表3　云母閃石巖單臺階高度及安全系數

由表3可知：當以云母閃石巖為主的廢巖排土場使用小型自卸汽車(TL840)進行排土時，正常工況及特殊工況時單臺階的最大安全高度均為20m。

3　結　語

以白云鄂博西礦排土場為例，分析了影響該排土場封頂的關鍵因素，并對其進行了優化設計，即北廢巖排土場在生產過程中，板巖集中排棄區域可采用載重236t自卸汽車進行排土作業，云母閃石巖集中排棄區域應采用載重40t以下的小型自卸汽車進行排土作業。排土場穩定性分析表明，當排土高度為20m時，排土場臺階較穩定，可見本研究提出的排土場優化方案切實可行。

[1]周昌壽，杜競中，郭增濤，等.露天礦邊坡穩定[M].徐州：中國礦業大學出版社，1990.

[2]孫玉科，楊志法.中國露天礦邊坡穩定性研究[M].北京：中國科學技術出版社，2009.

[3]楊勝利，王云鵬.排土場穩定性影響因素分析[J].露天采礦技術，2009(3)：4-7.

2016-06-13)

杜文秀(1985—)，男，工程師，014080 內蒙古自治區包頭市。