孝義鋁礦邊坡殘留礦體開采內排土場分析與管理

秦 帥，姚 松，辛利民

(1.中色非洲礦業有限公司， 贊比亞 基特韋 22592； 2.中國鋁業股份有限公司山西分公司， 山西 河津市 043300)

孝義鋁礦邊坡殘留礦體開采內排土場分析與管理

秦 帥1，姚 松1，辛利民2

(1.中色非洲礦業有限公司， 贊比亞 基特韋 22592； 2.中國鋁業股份有限公司山西分公司， 山西 河津市 043300)

針對孝義鋁礦邊坡殘礦回收過程中的技術難題，從內排土場的影響因素著手，首先通過分析內排土場的破壞方式，計算內排土場坡角線與工作幫的安全距離；其次分析計算排土場容積與廢渣松散體之間的關系，最后確定內排土場的結構參數并提出了排土場的管理技術措施。

殘礦；內排土場；多臺階排土法；安全距離

孝義鋁礦是中鋁山西分公司下屬供礦基地，經過多年開采，礦區備采礦量嚴重不足，因此決定對邊坡殘礦進行回采。經多方分析論證，為保證高效回采，采用內排土場的作業方式。

內排土場是提高礦山土地利用率的一種有效方式，可以降低外排土成本，減少占用周期，循環利用土地，改良礦山區域環境，對于占地面積大，耗地速度快的沉積型薄礦體鋁土礦山具有重要意義。對孝義鋁礦而言，由于內排土與采礦作業在受限的空間同時進行，給生產組織帶來很大難度，如何保證采礦周期的安全是礦山面臨的主要問題[1-5]。

1 內排土場形式和破壞方式

1.1 內排土方式

孝義鋁礦主要采用覆蓋式排土方式進行排土(見圖1)。覆蓋式排土有利于排土場的穩定，在合理的排土結構參數下，排土場不易發生泥石流，穩定狀態較好。

圖1 西河底礦區內排土場

1.2滑坡方式

孝義鋁礦鋁土礦主要呈層狀、似層狀分布，上部覆蓋層主要為山西式綿黃土，灰巖含量較小，其內排土場可能失穩變形方式主要有[6-7]：

(1) 沿基底接觸面滑動。由于排棄的黃土顆粒細，與基底接觸面間的內摩擦角小，相互作用力小，加上部分區域的礦體呈傾斜狀分布，采場的高程落差大，在內排土過程中，排土場的底部和采場工作面產生勢能差，邊坡體處于亞穩定狀態。在雨水、地表水等浸潤作用下，容易誘發滑坡。

(2) 沿底部接觸面或弱夾層滑動。為了防止滑坡發生，礦山在排土前，用推土機清理第四系表土，在底部墊鋪一層大塊灰巖，增加了廢渣排棄物與基底接觸面的內摩擦角，在重力的作用下，在接觸面的上部存在抗剪強度較低的大顆粒巖層接觸面，容易產生新的滑動面。

孝義鋁礦區礦體底板為奧陶系灰巖，巖石強度較高，整體性好，軟弱夾層少，不易發生順基底內軟弱夾層面滑動和基底圓弧滑動。因此，內排土場的主要變形方式為順基底接觸面滑動，易在上部形成滑移裂縫[8-9](見圖2)。

2 內排土場坡角線與工作幫安全距離

為了確保排土和采礦作業同時安全進行，排土場坡腳線與采礦最低工作面之間須保持足夠的空間距離。如圖3所示，采空區A、B、C、D已經形成，須滿足以下關系：

L≥l1+l2+l3

(1)

式中：l1—— 邊坡底邊界到內排土場底線之間的距

離，m；

l2——安全距離，m，大小等于排土段高；

l3——采礦最小作業面寬度，m。

圖2 內排土場滑移面裂縫

圖3 內排土場安全距離要求

西河底礦區非工作幫邊坡角為48°，內排土場邊坡自然安息角為31°～34°，安全距離通常取排土段高(設計為12 m)，因此，安全距離為12 m，采場平臺寬度為30～40 m。經過計算，內排土場坡底線與工作幫邊坡最小距離須大于42～50 m。

3 排土場容積與廢渣松散體的關系

礦山在開采過程中，隨著剝離的不斷推進，底部的鋁土礦層底板奧陶系灰巖不斷被揭露，隨著鋁土礦不斷被開采，工作面不斷推進，新的采空區不斷形成，采空區面積不斷擴大[10-12]。為了節省外排土的壓力，減少土地占用量，在保證安全的前提下，在非工作幫一側實行內排土作業。

（三）發揮老師的課堂主導作用，調動學生的積極主動性和創新能力，在課堂教學中應當以學生為主體。學生根據自己的意愿和理解獨立自主地進行地理實踐活動。培養學生的地理技能，除了實踐要符合學生的實際、能夠引起學生的興趣外，最主要的就是讓學生在實踐中動手獨立思考、參加實踐過程的設計與實施、管理、評價等全過程。通過實踐活動運用理論、深化知識、提高技能，使學生真正成為地理實踐課的主體，給學生以自由的空間，但是時間上不能放任自由，實踐課和正常的教學一樣也應該給以時間上的限制，讓學生有時間的觀念，在有效的時間內高質量的完成實踐內容，努力達到教學的目的。

圖4 內排土場容積計算

工作幫每推進一定距離，所剝離的巖土松散體積與采空區容納的廢渣體積見圖4。假設內排土場上部標高與工作幫一致，當工作幫沿礦體傾斜方向推進距離為B時，剝離物廢石體積Vb為：

Vb=LSbKp

(2)

(3)

內排土場可容納的體積(Vp)為：

Vp=LSp

(4)

Sp=HBsinγ(cotγ-cotΦp)

(5)

式(2)～式(5)中，L為采場走向平均長度，m；B為工作幫沿礦體傾斜方向推進距離，m；Φb為采場工作幫坡角；Φp為內排土場工作幫坡角；Sb為工作幫沿礦體傾斜方向推進距離為B時，橫剖面上的剝離面積，m2；Sp為工作幫沿礦體傾斜方向推進距離為B時，截面圖上的內排土面積，m2；Kp為內排土場廢渣松散系數；H為工作幫開采深度，m；n為開采深度為H時的剝采比，m3/t；r為礦石容重，t/m3；η為回采率；γ為礦體傾角，(°)。

工作幫沿礦體傾斜方向推進距離為B時，內排土場可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的百分比(P)為：

(6)

將上述各式代入式(6)，并設

則：

P=Kφ×100%

(7)

從式(7)可以看出，系數K主要與露天礦的剝采比有關，系數φ主要與礦體傾角有關。因此，采場內排土場可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的百分比(P)主要與剝采比和礦體的傾角有關。

西河礦區鋁土礦呈層狀似層狀、緩傾斜-急傾斜狀產出，鋁土礦容重為2.85 t/m3，回采率η=92%，內排土場剝離物松散系數Kp=1.15，工作幫沿礦體傾斜方向推進距離為B，開采深度為H時的生產剝采比在1～10 m3/t之間變化，則系數K與生產剝采比n間的關系見圖5。

若鋁土礦層傾角γ在0°～ 12°之間變化，則系數φ與礦體傾角γ之間的關系見圖6。

由圖5可知，當鋁土礦礦體一定，礦體的容重、回采率、內排土場剝離物松散系數皆為常數，系數K與剝采比n成反曲線關系，即隨著剝采比的增大，系數K逐漸變小，曲線的斜率變化較大；若剝采比小于3 m3/t時，系數K下降較快，而剝采比在3～8 m3/t之間時變化相對較緩。證明隨著剝采比的增大，工作幫沿礦體傾斜方向向前推進時，內排土場可容納的體積Vp占剝離物松散體積Vb的百分比P逐漸減小。

圖5 系數K與剝采比的關系

圖6 系數Φ與礦體傾角的關系

由圖6可知，當開采方法一定，采場工作幫坡角、內排土場排土工作幫坡角皆為常數，系數φ與鋁土礦傾角γ也成反曲線關系，即隨著鋁土礦傾角的增大，系數φ逐漸變小，曲線的斜率變化不大。說明隨著礦體傾角的逐漸增大，工作幫沿礦體傾斜方向推進B距離時，內排土場容積Vp占剝離廢渣松散體積Vb的百分比P逐漸減小。

4 內排土場結構參數

按照《有色金屬礦山排土場設計規范》(GB5021-2007)中規定，由于內排土場局部高出地面，發生失穩后影響面廣，損失較嚴重，因此確定礦界邊緣允許安全系數Fs=1.3；礦界內部中心區域確定允許安全系數Fs=1.15。

經過穩定性理論分析計算，結合現場實際情況，該區域內排土場參數取值如下：

排土場臺階高度為12 m，安全平臺寬度為16 m，臺階坡面角為31°～34°，內排土場的總邊坡角為19°～21°。內排土場與采場工作面間的最小安全距離為36 m，內排土場坡底線與工作幫邊坡最小距離不得小于42～50 m。采用覆蓋式排土法，底部墊大塊廢石，上部排土以黃土、碎石土分層碾壓，分層高度為2 m，以抵抗可能的垂向滑移面。

5 內排土過程管理

(1) 合理規劃設計。西河底礦區面積為5.595 km2，生產規模為165萬t/a，服務年限為25年，總棄渣量為10681萬m3，其中65%左右的棄渣進行內排土作業。如果沒有科學的排土設計規劃，將導致采場作業嚴重受限，大量的棄渣無法疊排，土地復墾工作無法進行。因此，孝義鋁礦通過合理進行排土場的總體規劃，在現場充分調研的基礎上，制定中長期排土規劃，降低排土成本，增加礦山經營效益。

(2) 優化排土工藝。孝義鋁礦地處黃土高原丘陵地帶，礦區高程起伏，排土場主要選擇在溝壑地帶，排土作業通常從底部開始，避免從高處直接往低處排土；清理內排場底部第四系表土層，消除軟弱接觸層，先將硬度大巖石堆置在底層，在穩固基礎的同時，增加排土場的透水性。同時，利用大塊巖石在排土場的底部形成一個反壓層，壓密邊坡底腳。

(3) 分層排土。在排土作業過程中實行分層排土作業：水平分層，即按塊度自然分級進行分層排放，黃土層和碎石層間隔排放；傾斜分層，傾斜分層一般傾角為自然邊坡角，由于棄渣的強度不同存在分層強度差異性。為了降低分層間的弱化作用，應采用選擇性排土法，即將棄渣劃分為若干分區分別排放，以降低滑坡發生的概率。

(4) 控制排土強度。排土強度的大小影響廢渣疊放高度及排土場內部壓力增加的速度，當應力增加的速度超過一定閥值時，底部廢渣與地表接觸面的內摩擦力超過自重產生的摩擦力時，應力平衡遭到破壞，容易產生滑移面，誘發整個排土場失穩，發生大規模坍塌滑坡。因此，在排土過程中，要控制排土強度。

同時，在內排土作業時，利用大型推土機、重載卡車的自重對廢渣進行反復碾壓，不斷增加層面間的摩擦力，減少層面可能產生的剪切力，也是調整排土強度的有效途徑。

(5) 排水、植物防護。另一個造成內排土場滑坡的主要原因是地表降水。為了降低滑坡發生的概率，應當根據當地的降雨量，設計專門的排水溝、攔水溝，減少對內排土場的累積侵蝕，可以提高內排土場的服務年限，降低維護成本。

孝義鋁礦位于黃土高原，地表植物根系發育良好，排土工程結束后，應充分利用當地苜蓿、沙棘、披堿草等植物的生物護坡作用，利用植株發達根系，快入侵入地表3～10 m以上的特點，強化陡坡固土，發揮根莖的小型“抗滑樁”阻滑作用，以減少邊坡維護成本。

(6) 擋土墻。為了確保采場工作面的安全，在內排土場設計過程中，應合理安全系數取值，增設擋土墻，優化內排土場臺階容許高度。增設擋土墻可以增加坡體抗剪切應力，是提高內排土場穩定性的有效途徑之一。

(7) 位移監測。保障礦山采場和內排土場的穩定，實時監測內排土場邊坡位移變形，隨時掌控邊坡位移變化情況以及可能存在的劇烈變形，發現可能存在的不穩定區域，把控內排土邊坡的破壞形式及變形移動方向，在生產周期內，提高內排土場的安全系數。

6 結 論

(1) 針對孝義鋁土礦生產特點，在系統分析單臺階全段高排土、壓坡腳式排土工藝、覆蓋式排土等排土方式優缺點的基礎上，確定了西河底礦區最優排土方式為覆蓋式內排土模式。

(2) 在系統分析順基底接觸面滑動、順基底內軟弱夾層滑動、基底圓弧滑動等可能破壞模式基礎上，針對西河底礦區排土特點，確定了礦山內排土場的主要滑坡模式為順基底接觸面的滑動，并指出了防控重點。

(3) 通過對西河底礦區內排土坡腳線與工作幫安全距離研究，給出了礦山內排土場和采場的最小安全距離；通過內排土場容積與廢渣體積之間關系的研究，給出礦山內排土場可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的關系式，以及可容納的體積(Vp)與礦體的容重、剝采比、礦體的傾角、回采率、廢渣松散系數之間的關系。

(4) 在礦界邊緣允許安全系數Fs=1.3、礦界內部中心區域允許安全系數Fs=1.15條件下，確定了西河底礦區內排土場的結構參數。

(5) 從合理規劃設計、優化排土工藝、控制分層排土作業、控制排土強度、排水及植物防護、擋土墻、現場安全監測等方面，提出了內排土過程的安全管理技術措施。

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2017-08-08)

秦 帥( 1987-)，男，山東東營人，碩士，工程師，主要從事采礦工程技術研究，Email: qinshuai_2008@163.com。