某高邊坡排土場排土工藝優化對比

李小艾 屈曉朋

(中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司)

某鐵礦2#排土場現采用膠帶機—排土機排土系統單臺階排土，排土機站立標高為600 m，坡底標高約320 m，臺階高280 m；終了狀態時的設計臺階高度將達到320 m。排土機排巖系統建成投產后，由于2#排土場的排土機排土部位是單臺階、高段高排土作業，自2002年先后發生過2次局部中、小規?；率鹿屎投啻嗡?排土場坡面稀性泥石流)事故，對礦山排土作業安全、下游村莊和設施造成了一定程度的影響。

2014年某科研機構對礦山開展排土場的穩定性及排土規劃設計可行性論證研究得出，排土場單臺階整體邊坡在自然工況時屬于病級排土場，降雨工況時屬于危險級排土場，應結合礦山開拓系統，調整排巖工藝，降低排土髙度，減少水的影響，從本質上解決排土場的高臺階排土安全問題。

為了保障礦山排土作業及排土場下游居民和相關設施安全，滿足安全生產監督管理部門日益健全、嚴格的監管要求，礦山開展了排土工藝優化及綜合治理工作。

1 排土場臺階高度的確定

根據排土場堆置總高度、排土總容積，參照《冶金礦山排土場設計規范》(GB 51119—2015)[1]，該排土場等級為一級。在綜合考慮自然、地震、降雨及其組合作用以及發生頻率等條件后確定工況條件：自然工況為不考慮降雨和地震影響；降雨工況為自然工況+降雨，只考慮降雨影響，不考慮地震影響；地震工況為自然工況+地震，只考慮地震影響，不考慮降雨影響。臺階高度確定、驗算時的安全穩定性標準為自然工況1.10,降雨工況1.05,地震工況1.02。

根據臺階邊坡角、堆置體的物理力學參數的推薦值和排土場邊坡的圓弧破壞模式，使用Slide軟件對不同高度的臺階邊坡采用Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price法等極限平衡分析方法計算最危險滑動面的安全系數，直至臺階邊坡在各種工況條件下的最危險滑動面的安全系數大于允許安全系數；同時對降雨、地震工況條件下通過排土機站立位置(坡頂眉線以內30 m處)的滑動面的安全系數進行分析與計算后，確定排土機排土工藝的臺階高度控制在不大于170 m時，汽車直排工藝的臺階高度控制在不大于160 m時，臺階安全系數均能夠滿足設定的臺階安全穩定性標準要求。

根據排土場現狀到終了狀態總堆置高度(280～320 m)、采用汽車直排或排土機排土方式的臺階最大高度，排土場由現狀單臺階排土調整為2個臺階的多臺階排土。為充分發揮排土機排土優勢，上部臺階高度確定為170 m。

2 排土場工藝優化

下部臺階的形成有溜槽溜放與汽車倒排、汽車直排、排土機下行轉場排土、排土機與電鏟倒排結合等工藝方式，其中,排土機下行轉場排土不適應目前排土場用地空間、地形地貌特點以及排土場邊坡等現狀條件；采用電鏟倒排方式需要多次倒排，投資和運行費用都十分巨大，目前礦山生產難以承受。因此,由單臺階排土調整為2個臺階組成的多臺階排土場時,下部臺階的排土工藝有溜槽溜放—汽車倒排、自卸汽車直排可供選擇。

2.1 溜槽溜放—汽車倒排工藝方案

溜槽是利用巖石的勢能將其自高處搬運至低處的一種運輸設施，是克服高差最有效、最經濟的運輸方式之一[2]。

2.1.1 溜槽位置的確定

利用排土場2個排土機排土部位之間的鞍部地形條件，布置南、北2條溜槽，位置見圖1。

2.1.2 溜槽主要技術參數

根據山脊及南北區域地形條件確定溜槽上部受料口標高為590 m;南溜槽底部標高為398 m，斜傾角為45°；北溜槽底部標高為400 m，斜傾角上部為55°，下部為45°;溜槽底寬2.5 m,最小深度為2.0 m;溜槽側壁坡腳為1∶0.5。

2.1.3 溜槽下部料堆及轉載能力

根據能量守恒原理[3]計算溜槽下部巖石滑動距離達到23.52 m。溜槽下部倒裝設備采用4 m3液壓挖掘機，其最大挖掘高度為10 m。根據有關規程、規范中料堆高度不得大于挖掘設備最大挖掘高度1.5倍的要求，料堆高度為15 m。每個溜槽下部料堆的容積可達2萬t，滿足現狀膠帶排土運輸系統1班的巖石堆存需求。

圖1 溜槽平面位置

考慮到轉載的巖石塊度最大為350 mm，液壓挖掘機的能力為165萬t/a，根據每個溜槽下部倒裝場地的大小均可布置2臺挖掘機進行倒裝作業。經核算，溜槽下部的料堆5班可完成倒裝、運輸作業。

根據排土進度計劃，南側區域下部臺階在剩余服務年限完成，經計算，南側區域下部臺階需要的倒排能力為485萬t/a。為此，在南、北區域倒裝場地間開鑿一條聯絡隧道，以達到向對方區域運輸巖石的通行需求。隧道通過能力驗算結果表明，單車道隧道的能力滿足需要。

2.1.4 膠帶運輸系統的改造

如圖1所示，在溜槽上部沿山脊向東新建6#固定膠帶機至現狀3#轉運站，同時抬高現狀3#轉運站，并在其下部、現有4#移置式膠帶機與新建6#固定膠帶機的上方新建5#可逆膠帶機平臺。采場內剝離的巖石利用現狀破碎-膠帶系統運輸至600 m平臺后，經改造的3#轉運站與新建5#可逆膠帶機分時輸送至下部的現有4#移置式膠帶機或新建6#固定膠帶機，現有4#移置式膠帶機通過卸料小車將巖石轉運到排土機排棄；新建6#膠帶機將巖石輸送到溜槽上部的分料點，分別由南、北溜槽溜放至各自下部轉載平臺，液壓挖掘機裝自卸汽車后，運輸至排土場下部臺階排棄。改造后的膠帶運輸系統見圖2。

2.1.5 排土作業制度變化

溜槽系統投入運行后，膠帶排巖系統的作業制度調整到2 d一個循環，其中溜槽系統生產2班；每個循環內各溜槽均有1班向下部倒裝場地溜放巖石，其余5班下部倒裝場地的液壓挖掘機與自卸汽車進行倒裝、運輸與直排作業。

圖2 改造后的膠帶運輸系統平面布置

上部膠帶排巖系統在2 d一個周期的循環內非溜槽作業時間均采用現狀4#移置式膠帶機和排土機在上部臺階進行排土作業。

2.2 汽車直排工藝方案

現狀南側區域排土場邊坡坡底至征地界限外約70 m的范圍被滑坡體覆蓋，征地界限處的滑坡體標高約320 m。

汽車直排工藝方案調整目前礦山實施的在4#膠帶機頭部南側邊坡坡底，自3#路580 m回頭處向西沿排土場坡底修筑反壓平臺的路由，調整現狀道路的縱坡后,在現有征地界限內繼續西北方向的低處延伸至2個區域間山脊處500 m標高，最終形成南側區域600 m臺階以下的580～500 m臺階。

南側區域580～500 m臺階在中部高度將達到190 m，超出設定的允許安全系數下的汽車直排工藝的臺階高度(不大于160 m)，為此，設計在其下部增設355 m臺階，由于該臺階無法采用排巖作業修筑，需要利用滑坡體廢石或開挖北側山體進行修筑。

南側區域下部580～500 m臺階形成后，越過南、北區域間的山脊上500 m標高的埡口，延伸至北側區域并沿其外側采取下坡筑壩式汽車直排作業至其西北部450 m標高處，在外側形成一個標高500～450 m攔擋壩，最終成為終了狀態時600 m臺階排土邊坡以下臺階。

與礦山現在執行的設計相比，汽車直排作業的汽車運距變長，需要相應增加部分巖石運輸自卸汽車。汽車直排工藝方案的排土場平面布置見圖3。

2.3 方案比較2.3.1 可比投資比較

溜槽溜放—汽車倒排工藝方案中的可比投資除現有膠帶運輸系統改造、溜槽及其底部倒裝場地、聯絡道路和倒裝、運輸設備外，還包括連通南、北區域倒裝場地的聯絡隧道。

汽車直排工藝方案中的可比投資主要包括底部355 m平臺修筑、巖石運輸道路路面及增加的礦用自卸汽車。

圖3 汽車直排工藝方案平面布置

經計算，溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的可比投資為8 217.02萬元，汽車直排工藝方案的可比投資達到46 585.41萬元，2個方案的可比投資對比見表1。

2.3.2 運營費用比較

根據排土進度計劃，溜槽溜放—汽車倒排工藝方案中，2個區域下部430 m臺階的巖石總量為1 722萬t，在南部區域剩余的3 a服務年限內完成；而汽車直排工藝方案中，南側區域580～500 m臺階和北側區域500～450 m臺階的巖石總量達到8 017萬t，由于前2 a缺少來自露天采場內的直排巖石,南側區域形成580～500 m臺階的巖石量不得不采用排土機排棄的巖石經倒裝自卸汽車后完成。

根據礦山的運營指標計算出溜槽溜放—汽車倒排工藝方案運營費用為4 060.51萬元，汽車直排工藝方案的運營費用達到51 762.28萬元，2個方案的運營費用對比見表2。

表1 可比投資對比

表2 運營費用對比

2.3.3 可比總費用比較

2個方案的可比投資與運營費用之和的可比總費用見表3?？梢钥闯?，汽車直排工藝方案的可比總費用為溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的8.01倍，其可比投資為溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的5.67倍，運營費用更是溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的12.75倍。

表3 可比總費用對比 萬元

溜槽溜放—汽車倒排工藝方案從可比投資、運營費用和可比總費用等方面均具有明顯的優勢，因此，該高邊坡排土場排土工藝優化采用溜槽溜放—汽車倒排工藝方案。

3 結 論

(1)排土工藝優化是高邊坡排土場運營期內邊坡綜合治理工作的重要組成部分，高邊坡排土場由單臺階排土調整為多臺階排土時，下部臺階的排土工藝對投資、運營費用具有決定作用。

(2)運營期高邊坡排土場由膠帶機—排土機排土工藝優化采用溜槽溜放—汽車倒排工藝，在降低投資、節省運營費用方面優勢明顯，是一種行之有效的可靠工藝，可供類似排土場邊坡優化與治理借鑒，具有較高的推廣價值。

[1] 中國冶金建設協會.冶金礦山排土場設計規范GB 51119—2015[S].北京：中國計劃出版社.2015.

[2] 米子軍，白俊.峨口鐵礦東區放礦溜槽的設計及生產實踐[J].太鋼科技，1998(4)：34-36.

[3] 李中楠，胡福祥，郝學冉.露天采場溜槽底部安全設施設計原理探討[J].金屬礦山，2008(3)：150-152.