某露天礦排土場高臺階排土工藝優化治理

文發青 董紅彥 馮俊穎 楊維葳 屈曉朋 王麗萍

(中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066004)

我國大型露天礦自膠帶運輸—排土機排土工藝廣泛應用以來，為礦山追求高效益生產，降低汽車運距，節約生產成本起到了積極的作用[1-2]。

東北某鐵礦排土場采用膠帶運輸—排土機排土系統進行單臺階排土，現臺階高度達到280 m，設計終了狀態時的臺階高度將達到320 m。排土機排土系統建成投產后，該排土場排土機排土部位由于是單臺階、高段高排土作業，自2002年起先后發生過2次局部中、小規模滑坡事故和多次水石流事故，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。

隨著對排土場安全監管的日益加強，該礦于2014年委托某研究機構開展了穩定性及排土規劃設計可行性論證研究，研究結論為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”，提出“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，才能從本質上解決排土場的高臺階排土安全問題”等建議。

本課題就在滿足安全穩定要求的前提下，研究論證最大限度地利用現有工藝及設備，優化排土場排土工藝及排土場堆置參數。

1 排土場現狀

該排土場自南向北由黃柏峪河北側河谷(永安村北)、馮家東溝和南芬大東溝3個排土區域組成，地形較陡，山谷較深。原設計在排土場安排了2種排土工藝，其中馮家東溝和大東溝采用膠帶運輸—排土機排土工藝，采用單臺階排土，排土平臺標高為600 m，排土場堆置高度達到200～320 m；在南側的黃柏峪河北側河谷(永安村北)則采用自卸汽車直排排土工藝，設計了450 m、500 m、550 m 3個臺階，各臺階終了時設置安全平臺，寬度為25～30 m。排土場設計容量為2.05億m3，服務年限20 a(2009—2029年)。

大東溝區域排土機排土投產后，自2002年起先后發生過1次局部小規模滑坡和3次水石流事故，排土機轉移至馮家東溝區域后，在排土場坡面上采用汽車直排方式覆蓋塊度相對較大的巖石后封閉停產至今。目前馮家東溝區域正采用排土機單臺階排土，現狀臺階高度達到280 m，排土機高段高單臺階排土作業時，該區域先后發生過2次水石流和1次中等規模滑坡事故。

黃柏峪河北側河谷(永安村北)區域為采用自卸汽車直排工藝的區域，現狀排土場坡腳大多己達設計邊界，且坡腳隔黃柏峪河緊鄰地方道路；排土場的西側端部盡管未達到設計邊界區域尚有部分剩余收容能力，但該部位存在早期民營選礦廠無序排放的薄層尾礦，由于多年來不再使用，受其影響排土場坡腳不宜進行向前推進并跨越該處薄層尾礦，因此已無收容能力。

2 排土工藝現狀

排土場包括3個排土區域，自南向北分別是黃柏峪河北側(永安村)、馮家東溝、大東溝。其中馮家東溝、大東溝區域采用礦用自卸汽車—破碎—膠帶機運輸—排土機排土工藝排棄露天采礦場上盤剝離的巖石，黃柏峪河北側(永安村)采用自卸汽車直排排土工藝排棄露天采礦場上盤剝離的巖石。

2.1 膠帶機運輸—排土機排土工藝

排土場現狀膠帶機運輸—排土機排土工藝系統如圖1所示。

排土場現膠帶機運輸—排土機排土工藝系統由382 m巖石破碎站、486驅動轉載站、斜井膠帶機、排土場內膠帶機(含固定式膠帶機、移置式膠帶機)以及排土機組成。露天采場內剝離的巖石由礦用自卸汽車運至382 m巖石破碎站破碎后經斜井膠帶機運至排土場600 m排土平臺上的固定和移置式膠帶機轉給排土機進行排棄。由于382 m巖石破碎站位于擴幫后的四期開采境界內，位于上盤開采境界外北端310 m標高處的310 m固定破碎站目前已經建設完成，正進行試運轉。

圖1 膠帶機運輸—排土機排土工藝系統

2.2 汽車直排工藝

排土場內汽車直排排土部位位于排土場南側的黃柏峪河北側河谷(永安村北)，原初步設計設計了450 m、500 m、550 m 3個臺階，各臺階終了時設置安全平臺，寬度為25～30 m。目前該部位由于設置運輸平臺形成430～510 m、560 m和660 m 3個主排土平臺，其中430～510 m平臺的坡腳大多己經到界且下方隔黃柏峪河緊鄰地方便道，在其西南側坡腳部位用地被民營尾礦庫占用，排土場不能繼續向前推進，已無排土空間；560 m排土平臺受下部430～510 m平臺上的運輸道路的影響也無排土空間；660 m排土平臺尚存少量收容能力。

3 不同排土工藝的臺階高度確定

臺階高度的確定是多臺階排土主要堆置要素設計的重要環節，應力求做到安全性與經濟性的有機統一，即在確保臺階邊坡安全穩定的前提下，盡量加大臺階高度，減少臺階數量，減小基建工程量與運輸距離，提高排土效率，降低排土成本，從而提高礦山生產的經濟效益。

參照《GB51119—2015 冶金礦山排土場設計規范》及相關文獻，當破壞模式為圓弧破壞時，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或強度折減法的相關要求，使用Slide軟件對不同高度的臺階邊坡進行搜索確定其最危險的滑動面，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[3-7]。

經過計算，采用排土機排土工藝的臺階高度控制在不大于170 m時，采用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允許安全系數要求。

4 單臺階排土工藝優化

排土場大東溝與馮家東溝區域采用排土機排土形成的單臺階排土場堆置高度達到近280 m，原初步設計確定的排土場終了狀態時總堆置高度將達到320 m。

根據某研究機構研究結果：排土場大東溝區域和馮家東溝區域現狀，在自然工況條件下“單臺階整體屬于病級排土場”、降雨工況狀態下 “單臺階整體屬于危險級排土場”。原初步設計確定的“單臺階膠帶排巖排土方式” 推進至終了狀態后排土場邊坡“本體內部滑坡風險增加”，在自然工況條件下“穩定性安全系數最低為1.00，穩定性不能滿足既有設計和規范要求”，屬于病級排土場；在降雨和地震工況條件下穩定性安全系數小于1.00，屬于危險級排土場。因此均需要調整排土場設計參數，通過最外部覆蓋式壓坡腳臺階的設計，降低整體邊坡角，從本質上解決高臺階排土帶來的安全問題。

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，排土場大東溝區域和馮家東溝區域由單臺階排土可調整為2個以上臺階的多臺階排土。

4.1 臺階個數與臺階高度的確定及下部臺階形成方式

下部臺階的形成有重力溜放與汽車倒排、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。

調整為多臺階排土場的下部臺階的臺階高度、形成方式應綜合排土成本、臺階高度均衡以及工藝實現的可行性等因素，如采用重力溜放與汽車倒排工藝則應充分發揮重力溜放，利用巖石的勢能將其自高處搬運至低處這種克服高差最有效、最經濟的優勢，在地形條件允許的情況下盡力提高溜放設施高度，降低下部臺階標高，減少下部臺階巖石量，以便減少汽車倒排巖石的運輸費用；如采用汽車直排工藝則應盡量減少下部臺階的直排巖石量，以便減少汽車運輸費用；如果采用排土機工藝時則應綜合上下臺階高度的均衡、上下臺階的排土線長度及其移設次數對排土效率的影響等因素；如采用電鏟倒排則需要考慮每個倒排臺階的高度、倒排臺階的作業平臺寬度、電鏟效率以及每個臺階可以布置電鏟的數量等因素，為減少倒排臺階數量在下部臺階高度滿足其自身及整體邊坡穩定的前提下盡量增大下部臺階的臺階高度。

4.2 排土機下行轉場排土

根據馮家東溝區域用地空間、地形地貌特點以及排土場邊坡現狀，下部臺階如果采用排土機排土工藝，下行膠帶機自現3號轉運站向西南方向需在馮家東溝區域北側的現排土場邊坡上修筑下行膠帶機路堤。該初始路堤位于北側，而在既有征地范圍內填筑初始路堤的外部道路仍需要自南側進入，道路填方量巨大，基建時間長，另外還占據大部分排土空間，影響600 m臺階的排土機排土；同時下部臺階容量較小、排土機移設頻繁、服務時間短，因此不適合采用排土機排土工藝。

通過對大東溝區域現用地空間、地形地貌特點以及整體邊坡的臺階組成進行分析，盡管其下部臺階可以采用排土機排土工藝，但同馮家東溝區域一樣也存在著修筑下行膠帶機路堤、排土場初始路堤以及排土機轉場聯絡道路等工程的填方量巨大、基建時間長等嚴重不足，因此也不適合采用排土機排土工藝。

4.3 電鏟倒排

單臺階排土場采用電鏟倒排配合排土機排土調整為多臺階排土場，如果直接在下部臺階的設計標高位置進行倒排勢必會因對排土場邊坡 “掏底”而影響排土場邊坡穩定、引起邊坡滑坡事故，同時電鏟作業的人員與設備安全也得不到有效保證。

同時，電鏟站立平臺距上部排土機排土平臺的高差也遠大于電鏟挖掘高度，違反《GB16423—2006 金屬非金屬礦山安全規程》第5.2.1.1條有關不需爆破的松軟巖土臺階高度“不大于機械的最大挖掘高度”、機械鏟裝需要爆破的堅硬穩固礦巖的臺階高度“不大于機械的最大挖掘高度的1.5倍”以及第5.2.1.2條“挖掘機或裝載機鏟裝時，爆堆高度應不大于機械最大挖掘高度的1.5倍”，《GB50830—2013 冶金礦山采礦設計規范》第7.2.1條“1 需穿爆的礦(巖)，臺階高度不應超過挖掘機最大挖掘高度的1.5倍。 2 不需穿爆的礦(巖)，臺階高度不應超過挖掘機最大挖掘高度”的規定[8-11]。

因此，電鏟倒排必需從排土機排土平臺以下以符合規程、規范要求的臺階高度逐級倒排直至達到確定的下部臺階的設計標高。采用排土機排土電鏟倒排形成下部臺階，為減少上部臺階的電鏟倒排量，下部臺階的臺階高度可采用排土機排土工藝的最大允許高度。根據大東溝、馮家東溝2個區域的現狀，大東溝區域下部臺階的標高最低可達450 m，臺階高度為170 m，上部600 m臺階排土機和電鏟倒排臺階的臺階高度最大可達150 m；馮家東溝下部臺階的標高為490 m，臺階高度最大為170 m，上部排土機和電鏟倒排臺階的臺階高度為110 m。

4.3.1 電鏟倒排臺階高度及臺階數量

電鏟倒排臺階高度及其倒排平臺寬度詳見圖2。

圖2 電鏟倒排臺階高度、倒排平臺寬度

從圖2可以看出，電鏟倒排排土機排土形成的邊坡堆置體時，由于邊坡角較緩，其臺階高度除受電鏟的最大挖掘高度控制外，更受電鏟最大挖掘半徑控制。為增加倒排臺階的臺階高度和倒排平臺的寬度、減少倒排電鏟的數量，設計選用WP-6長臂型電鏟。

根據WP-6長臂型電鏟的主要參數結合圖2，電鏟倒排臺階的臺階高度為15 m。這樣，大東溝區域形成下部450 m臺階，則需要設置10個倒排臺階，需要倒排10次方可最終形成下部臺階；馮家東溝區域排土機在600 m平臺排土，下部采用電鏟倒排方式形成490 m臺階，則需要設置8個倒排臺階，需要倒排8次方可最終形成下部臺階。

4.3.2 電鏟倒排的生產能力及電鏟數量

電鏟倒排的生產能力經計算，倒排電鏟的臺年效率為598.8萬t/a。

排土機的設計排土能力為2 000萬t/a，因此每個倒排臺階均需配備4臺電鏟方可滿足倒排需求。

大東溝區域設置的倒排臺階為10個，馮家東溝區域設置的倒排臺階為8個，因此需要配置的WP-6長臂型電鏟數量為40臺。

4.3.3 投資與經營費估算

倒排需要配置30臺WP-6長臂型電鏟，其詢價為1 500萬元/臺，需要新增投資6.0億元。

電鏟倒排費取0.45元/(t·次)，汽車運輸費用取1.5元/(t·km)。大東溝區域需要倒排10次、馮家東溝區域需要倒排8次方可最終形成多臺階排土場的下部臺階，因此其倒排費用分別達到4.5元/t和3.6元/t，折合汽車運距可達到3.0 km和2.4 km。

同時，2個區域剩余的排土場容量(大東溝區域8 902萬m3、18 694萬t；馮家東溝區域5 488萬m3、11 525萬t)均需經過多次倒排方可最終形成多臺階排土場的邊坡組合，其電鏟倒排費用合計達到8.83億元。

采用電鏟倒排方式將2個區域由單臺階排土調整為2個臺階組成的多臺階排土場的投資和運行費用都十分巨大，將是目前礦山生產難以承受的。

綜上所述，排土場大東溝區域和馮家東溝區域由單臺階排土調整為2個以上臺階的多臺階排土場時，下部臺階不宜采用電鏟倒排方式形成。

4.4 溜槽溜放—汽車倒排工藝

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工藝設施，是克服高差最有效、最經濟的運輸方式之一。

4.4.1 溜槽位置的選擇

經過對馮家東溝區域溜槽可布置范圍的分析，綜合考慮大東溝區域溜槽的布置后確定2個區域的溜槽位置，詳見圖3。

圖3 溜槽平面位置

4.4.2 溜槽下部料堆及倒裝能力

經初步核算馮家東溝排土場剩余容積為9 832萬t，根據原初步設計進度計劃排土場需要收納的巖石截止到2019年為9 990萬t，2020年為4 031萬t，因此馮家東溝區域尚可服務到2020年上半年。考慮溜槽系統的建設工期暫按其2016年底投產，因此馮家東溝區域尚有2.99 a的服務年限。

現膠帶排土系統設計能力為2 000萬 t/a，平均每班生產能力為2.02萬t。

溜槽下部倒裝設備采用4 m3液壓挖掘機，其最大挖掘高度達到10 m。根據有關規程、規范的要求，料堆高度不得大于挖掘設備最大挖掘高度的1.5倍，料堆高度設計采用15 m。每個溜槽下部料堆的容積可達2萬t，滿足現膠帶排土運輸系統1個班次的巖石堆存需求。

考慮到轉載的為破碎后塊度最大為350 mm的巖石，液壓挖掘機的能力采用165萬t/a，根據料堆及倒裝場地可布置2臺挖掘機進行倒裝作業。經核算溜槽下部堆存的料堆需要5班方可完成倒裝、運輸作業。

4.4.3 下部臺階需要的排土量

為減少初期排土量并考慮聯絡道路在少征地前提下所能到達的標高，排土場下部臺階采用分期修筑。

根據溜槽下部轉載場地標高及馮家東溝區域的空間現狀，其下部臺階采取分步填筑380 m和430 m，最終臺階標高為430 m。大東溝區域下部臺階標高取決與2個區域溜槽下部轉載場地的對外聯絡道路的不同而有較大的差異，但總體上來說由于大東溝區域下部臺階的排土量較大，根據溜槽系統的能力其不能在馮家東溝區域排土結束前完全形成，但由于上部膠帶系統的限制，排土機轉移到大東溝區域作業后將無法通過膠帶機系統將巖石輸送至溜槽上部，因此需要在排土機轉移到大東溝區域作業前形成部分臺階以達到攔擋效果，根據溜槽系統的初步方案，大東溝區域自溜槽下部轉載平臺400 m標高可形成最低至360 m的下部臺階，其余的下部臺階需要在大東溝區域上部臺階排土機作業終止后將膠帶系統移置到改造后的3號轉運站位置再度形成溜槽系統后填筑完成。

經計算馮家東溝區域下部臺階的排土量為1 449萬t，大東溝區域下部360 m臺階的排土量為423萬t，初期需要經過溜槽系統完成的下部臺階排土總量為1 872萬t。

4.4.4 溜槽下部倒裝場地能力需求

在馮家東溝區域尚存的2.99 a的服務年限內需要溜槽系統的能力達到626萬t/a。受溜槽下部倒裝場地工作面的限制，每個溜槽下部的料堆及倒裝場地僅可布置2臺挖掘機進行倒裝作業，每個倒裝場地的能力為330萬t/a，需要在2個倒裝場地內各布置2臺挖掘機方可滿足生產需要，其中大東溝區域倒裝場地的1臺為馮家東溝430 m平臺服務，另1臺為大東溝400～360 m平臺服務。

為滿足下部臺階的形成需要，在馮家東溝區域和大東溝區域溜槽下部的倒裝場地間需要通過隧道連通以達到向對方區域運輸巖石的通行需求，對隧道通過能力進行驗算的結果表明單車道隧道的能力能夠滿足需要。

4.4.5 溜槽下部倒裝場地的對外聯絡道路

為滿足溜槽下部倒裝場地內作業人員與設備的對外聯絡，需要在倒裝場地與外部道路間新建聯絡道路。聯絡道路以馮家東溝區域現狀滑坡體外280 m標高處為起點修筑道路，以盡量在現有用地及滑坡體占地范圍內充分利用滑坡體為前提采取折返展線，最終到達倒裝場地。

4.4.6 聯絡隧道

為滿足馮家東溝區域下部臺階的排土能力需要以及大東溝區域倒裝場地的對外聯絡需求，需要在2個倒裝場地之間設置1條隧道，隧道長度430 m，大東溝區域端的設計標高為400 m，馮家東溝區域端的設計標高為394.30 m，隧道內平均縱坡為1.33%。

4.5 汽車直排工藝

現馮家東溝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為320 m。

本方案調整目前礦山實施的在馮家東溝區域南端、4號膠帶機頭部的南側邊坡坡底自3號路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，最終形成馮家東溝區域600 m臺階以下的580～500 m臺階。

經計算馮家東溝區域下部580～500 m臺階的排土量達到2 947萬m3(6 189萬t)，其中需要通過自卸汽車直排的為2 063萬m3(4 332萬t)。

通過對現馮家東溝地形及下部滑坡體的高程分析發現580～500 m臺階在中部的臺階高度將達到190 m，超出研究得出的汽車直排工藝臺階高度不大于160 m的要求，為此設計在其下部增設臺階，該臺階由于無法采用排巖作業修筑，需要利用滑坡體廢石或對開挖北側山體進行修筑，為減少其工程量，在滿足整體邊坡安全要求的前提下盡量降低其臺階標高，設計確定其標高為355 m，體積為18.2萬m3。

在馮家東溝區域下部580～500 m臺階形成后，越過與大東溝區域間的山脊上500 m標高的埡口后延伸至大東溝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的450 m標高處，最終在外側形成一個標高500～450 m的攔擋壩，成為終了狀態時600 m臺階下部的臺階。經計算500～450 m攔擋壩的容積為1 755萬m3(3 685萬t)。

與原初步設計相比，本方案汽車直排作業的運距變長，需要相應增加部分運輸自卸汽車。設計參照現礦山巖石運輸主導設備MT3700B電動輪自卸汽車的臺年效率(2014年為640萬t·km，出車率達到97.4%)，按照570萬t·km/a的指標計算需要增加的巖石運輸設備數量。增加的運距及需要增加的汽車數量詳見表1。

表1 需要增加的運輸設備計算

該方案不需要大量新增用地，僅需在現滑坡體的末端部位為修筑355 m臺階的聯絡道路新增0.53 hm2的用地(不含馮家東溝滑坡體需新增的1.60 hm2用地)。

4.6 溜槽溜放—汽車倒排工藝與汽車直排工藝的方案比較

4.6.1 可比投資

溜槽溜放—汽車倒排工藝與汽車直排工藝2個方案的可比投資比較詳見表2。

表2 可比總費用比較

4.6.2 運營費用比較

汽車直排工藝由于馮家東溝區域下部580～510 m臺階、大東溝區域下部500～450 m臺階的標高較高，導致直排量大，經計算分別達到4 332萬t和 3 685萬t；而采用溜槽溜放—汽車倒排工藝時2個區域的下部臺階標高均為430 m，馮家東溝區域下部430 m臺階的直排量僅為1 449萬t；大東溝區域下部430 m臺階的初期標高僅為400～360 m，直排量為423萬t。

設計采用指標：倒裝費用1.3元/t；膠帶運費0.7元/(t·km)；汽車運費1.5元/(t·km)。

進行2方案的運營費用比較表從略。

4.6.3 方案確定

溜槽溜放—汽車倒排工藝與汽車直排工藝2個方案的可比投資與運營費用之和的可比總費用比較詳見表2。

經過對溜槽溜放—汽車倒排工藝與汽車直排工藝的可比投資與運營費用比較，汽車直排工藝方案的總費用為溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的8.01倍。溜槽溜放—汽車倒排工藝方案由于其具有下部臺階巖石直排量小、汽車運距較短等優點，其可比投資和運營費用均具有明顯的優勢，因此設計推薦采用溜槽溜放—汽車倒排工藝方案作為排土場排土工藝優化中下部臺階的排土工藝。

4.7 上部臺階的排土工藝

大東溝區域和馮家東溝區域的上部600 m臺階仍然采用排土機排土工藝。馮家東溝區域下部 430 m臺階與上部600 m臺階的坡腳之間存在不同高度的高差，該高差可有效地避免上部600 m臺階滾石等危害。在排土過程中上、下2個臺階間的排土作業基本互不影響，可以同時生產。

待馮家東溝區域600 m臺階的排土空間使用完畢后，排土機轉移到大東溝區域進行排土。上部600 m臺階將膠帶斜井出口西側的轉載站改造為可旋轉的轉載站，將排土場內的2條膠帶轉移至大東溝排土場并適當調整其各自的長度。其中原移置式膠帶仍然作為移置式膠帶，另一條膠帶為延伸膠帶。排土過程中根據征地界限的變化調整膠帶的長度，以充分利用現有的排土空間。

5 結 論

根據排土場現狀到終了狀態總堆置高度較高(280～320 m)，采用汽車直排或排土機排土方式的臺階最大高度限制條件，排土場大東溝區域和馮家東溝區域由單臺階排土可調整為2個以上臺階的多臺階排土。

通過對下部臺階的形成可采用的多種工藝(重力溜放與汽車倒排、汽車直排、排土機下行轉場排土、排土機與電鏟倒排結合)的比較，得出采用溜槽溜放—汽車倒排工藝方案作為排土場排土工藝優化中下部臺階的排土工藝最為合理的結論，上部600 m臺階仍然采用排土機排土工藝。

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China Non-Ferrous Metals Industry Association.GB50421—2007 Code for waste dump site design of Nonferrous Metal Mines[S].Beijing：China Standard Press,2007.

[11] 中國冶金建設協會.GB50830—2013 冶金礦山采礦設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2013.

China Metallurgical Construction Association.GB50830—2013 Code for design of Metal Mine[S].Beijing：China Planning Press，2013.