超高臺階排土場散體塊度分布規律及其強度變化特性研究

趙東寅

(紫金礦業集團股份有限公司)

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超高臺階排土場散體塊度分布規律及其強度變化特性研究

趙東寅

(紫金礦業集團股份有限公司)

超高臺階排土場散體物料具有典型的空間分級特征，其堆體的強度特性及穩定性主要受堆積物料塊度空間分布特性的控制。因此，考察超高階排土場堆積散體塊度分布規律，研究其堆體物理力學性質，分析其發生失穩破壞的模式，是確定排土場穩定性的基礎。紫金山北口排土場總高520 m，屬典型的超高臺階排土場，在現場測定并分析其散體物料塊度分布規律的基礎上，制定了堆積散體物理力學性質測試實驗粒度的級配方案，探究了排土場堆積體強度特征與散體物料塊度組成的直接關系，揭示其內部演化規律，為該排土場制定合理的排土規劃設計提供指導。

超高臺階排土場 散體物料 塊度分布 強度特性

隨著礦山資源的快速開發，我國排土場、矸石山等占地面積逐年加大，而目前可支撐的復墾率僅6%左右，導致近年來國內排土場面積呈現出快速增長的趨勢。面對如此嚴峻的形勢，發展高臺階排土工藝、建設超高臺階排土場成為解決這一難題的重要途徑。但是，作為一種特殊的工程地質體，超高臺階排土場潛在著一系列地質災害，嚴重威脅著工程建設及運營期間的生命財產安全。

紫金山銅礦北口排土場位于紫金山露天采礦場北面的1#溝、2#溝及大巖里溝區域，距西南側江山崠大壩約1 km，為一級排土場，主要排放基建和生產期間剝離廢石及江山崠排土場二次搬運廢石等。北口排土場東西長1 737 m，南北寬1 673 m，排土臺階設計最低標高430 m，最大標高950 m，排土總高度520 m，目前實際形成的最低排土臺階520 m，最高排土臺階910 m，屬典型的超高臺階排土場。

北口排土場采用壓坡式多臺階順排，先期剝離的表土堆置在上部臺階，堅硬巖石堆置在下部臺階。雖然在臺階最終形成后各臺階的相對高度不大，但是在排土場最終形態未形成前，堆置過程中下層臺階的暴露邊坡高度很大，不可避免地形成單段高臺階，如果排土場堆積散體塊度分布不合理，物理力學性質不穩定，則會出現不均勻沉降、臺階面開裂、坡面凸出等致災隱患。在外部作業環境及受力條件變化時，極有可能出現坡面滑移，存在發生局部滑坡、坍塌、泥石流等災害的可能，對作業人員、設備及附近尾礦壩構成安全威脅。因此，需要深入研究該排土場堆積散體的塊度分布規律，掌握其力學穩定性特征，為調整后續建設規劃提供重要參考。

1 排土場堆積散體粒徑測定

與一般的土質邊坡不同，排土場的堆積散體隨著高度的變化具有顯著的粒度分級現象。利用大型三軸直剪儀實驗可較系統地研究排土場不同高度散體物料塊度組成與強度參數之間的關系，揭示排土場內部散體物料的物理力學性質變化規律，一方面為排土場散體物料力學特性研究提供一定的參考和依據，另一方也為紫金北口排土場的合理規劃設計提供指導。北口排土場形態如圖1所示。

圖1 北口排土場

1.1 采樣方案

所測試樣均采自北口排土場坡面，采樣方案為：首先用卷尺量測試驗點總高度(受生產條件限制，總高度取80 m)，將總高度(自坡底向坡頂)按每10 m進行等分，每一等分點作為取樣的代表點，在每個代表點處取約200 kg物料作為試驗原樣并做好高度記錄。采樣方案如圖2所示。

1.2 測定方法的選擇

目前根據排土場散體粒徑的大小，可采用沉降分析法、篩分法及直接量測法[1]。本文采用篩分法與直接測量法對該排土場散體顆粒進行測試。

圖2 采樣方案示意

1.2.1 篩分法

結合紫金山北口排土場的現場實際狀況及實驗室測試需求，選用0.5,2,5,10,20,30,40,50,60及80 mm等10種篩徑級別的標準篩。篩分試驗結果示意見圖3。

圖3 篩分試驗結果示意

1.2.2 直接測定法

直接測定法作為篩分法的一種配套手段，是確定(>100 mm)巖塊粒度的一種有效方法。其基本原理是：首先量取巖塊3個互相垂直方向的最大線性尺寸a，b，c，計算粒徑d和體積V，

(1)

(2)

式中，λl為巖塊尺寸線性系數。

本文對超過80 mm的顆粒采用直接測量法確定其當量直徑。

1.3 堆積散體粒徑組成調查

紫金山排土場散體物料主要來自采場的爆破塊石，排土過程中受重力作用而產生自然分級。經現場采樣、試驗測定，排土場堆積散體物料的分級特性較為顯著，粒徑組成調查結果如表1。其中1-1剖面和2-2剖面的數據分別為按照采樣方案所設定的兩組平行調查結果。

2 堆積散體塊度分布規律

實踐中，常用不同粒度區間顆粒質量的累計曲線表征松散介質體的粒度組成。在質量累計分布曲線圖中，橫坐標為粒徑，縱坐標是該粒徑尺度以下的巖土含量占總質量的百分比。一般從質量累計曲線的凸凹趨勢即可判斷出該散體介質中的顆粒組成規律。

表1 排土場散體顆粒篩分結果

根據堆積散體粒徑組成調查結果，分別繪制1-1、2-2剖面各采樣點處試樣的粒度分布累計曲線，結果如圖4所示。

圖4顯示：①高度較低的采樣點處(頂部以下40 m范圍內)塊度分布累計曲線呈上凸形，這表明排土場中該處的細顆粒較多；②高度較高的采樣點處(底部以上40 m范圍內)塊度分布累計曲線呈下凹型，表明排土場中該處的粗顆粒較多；③排土場中部和下部區域內個別采樣點處的粒度分布累計曲線局部出現“緩平”段，分析認為這是排土場堆積散體的中下部出現部分粒徑段缺失所致。總體而言，隨著測點自頂部向底部，曲線由凸變凹，與排土場堆積體的粒度分級特征相吻合。

圖4 堆積散體中各采樣點處塊度分布曲線

表2統計結果顯示：北口排土場散體物料的不均勻系數Cu均在5以上，其土樣分級類型屬于不均勻土；曲率系數Cc分布在1～3，表明其散體粗粒料土樣分級類型總體良好，局部出現粒徑缺失現象，與表1分析結果相吻合。

表2 排土場散體物料粒度組成

3 排土場堆積體強度變化特性分析

由于排土場散體巖土力學性質主要由其自身的巖土成分和塊度大小決定，粒徑級配(粗粒含量)是影響超高臺階排土場散體介質抗剪強度特性的主要因素[2-3]。

北口排土場散體物料為采場剝離廢石和地表第四紀土制備排土場散體物料堆積體模型試樣，采用應力控制式大型直剪剪切儀作為該剪切實驗的加載裝置，開展剪切強度特性試驗，探究排土場堆積體強度特征與散體物料塊度組成的直接關系。

3.1 模型試樣級配方案

為研究排土場堆積散體物料中粗顆粒含量對抗剪強度參數的影響，將粗顆粒的含量設計為0%、15%、30%、45%、60%、75%等6個等級。以“等量代替法”縮尺進行設計級配方案，如表3所示。

圖5 平均粒徑與排土場高度(h/H)的關系

圖6 中間粒徑D50與排土場高度(h/H)的關系

圖7 粗粒料(P>5 mm)與排土場高度(h/H)的關系

3.2 模型剪切加載實驗

參照文獻[2-3]進行模型剪切試驗，剪切應力-位移關系如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨粗粒含量逐漸減少，剪切應力-位移關系曲線逐漸變光滑，是因為隨著細顆粒含量增多，顆粒間孔隙得到相互填充，顆粒擠得較緊；粗粒含量較高曲線相對不光滑，是因為粗顆粒表現出明顯的骨架作用，相互架空形成較大的孔隙，隨著增壓的進行，粗顆粒的咬合作用逐漸明顯，導致出現波動。

表3 排土場散體物料堆積體模型試樣級配方案[2]

剪切應力-位移關系曲線總體呈指數變化。初始階段近似呈直線，由于散體物料較為松散，顆粒間發生擠壓、滑移，導致變形加大，屬彈性變形階段；隨著試驗繼續進行，曲線較為平緩，松散物料逐漸壓密實，顆粒重排列，達到新的平衡，宏觀表現為持續變形，屬初始屈服階段；隨試驗的進一步進行，細顆粒進一步破壞，使得物料中不同粒徑的顆粒相互咬合、摩擦，導致物料強度再次增加，直至達到完全破壞，屬破壞階段。

圖8 不同粒徑含量剪應力-位移關系曲線

由剪切應力-位移關系曲線圖，根據摩爾-庫倫準則：τ=σtanφ+c，用最小二乘法進行線性回歸,可得出散體試樣的抗剪強度參數，見表4。

表4 排土場散體物料抗剪強度參數

從表4可知，排土場散體物料黏聚力隨著粗顆粒含量增多，呈減小、增大、減小的特征，總體呈較小的趨勢；內摩擦角隨粗顆粒含量增多而增大。

4 結 論

(1)北口排土場散體材料的顆粒分布曲線顯示，排土場的堆積散體總體屬于不均勻土，物料粒徑變化范圍較大，局部少數地區出現粒徑缺失現象。

(2)北口排土場散體中間粒徑、平均粒徑以及粗料含量隨排土場高度逐漸減小，表明排土場散體粒徑分級較為顯著，即：排土場頂部集中分布小顆粒，底部集中分布粗顆粒，中部集中分布中等顆粒。

(3)隨著粗顆粒含量的增加，排土場散體物料內摩擦角逐漸變大；黏聚力顯現減小、增大、減小的特征，總體呈減小趨勢。

[1] 王光進.超高臺階排土場散體介質力學特性及邊坡穩定性研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[2] 張 春,吳 超.排土場散體物料強度對邊坡潛在滑動面的影響[J].金屬礦山,2015(1):133-137.

[3] 王光進,楊春和,孔祥云,等.超高臺階排土場散體塊度分布規律及抗剪強度參數的研究[J].巖土力學,2012,33(10):3087-3092.

Study on the Size Distribution Regularity of Bulky Material and Its Strength Variable Characteristics of Ultra-high-bench Dumping-site

Zhao Dongyin

(Zijin Mining Group Co., Ltd.)

Typical spatial grading is the most apparent characteristic of the particle size of the bulk material in the ultra-high-bench dumping-site,its strength characteristics and stability are mainly controlled by the spatial distribution characteristics of the bulky blocks.So,analyzing the distribution regularity of the bulky rock in the ultra-high-bench dumping-site, and its mechanical characteristics and buckling failure mode are the determining the dumping-site Stability.The height of Zijin north dumping-site is 520 m,it belongs to the typical dumping-site with high steps.Based on the field test of the bulky material distribution of the north Dumping-site,the particle size ingredient of bulky material has been drawn up for the mechanical characteristics test. The relationship between the dumping-site strength parameters and the bulky material ingredient is thoroughly analyzed and the mechanical characteristics of the Zijin north dumping-site is determined.The study results of the paper can provide the guidelines for the development of the reasonable project plans of the dumping-site.

Ultra-high-bench dumping-site,Bulky material,Blocks distribution,Strength characteristics

2016-07-10)

趙東寅(1966—)，男，安全生產部總經理，高級工程師，364200 福建省上杭縣。