高海拔地區金屬礦排土場穩定性分析及關鍵參數優化

張 凱 高毓山 劉奎明 陳成誠 陶志剛 蘇春陽

（1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室(北京)，北京100083；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京100083；3.本溪鋼鐵集團南芬露天鐵礦，遼寧本溪117000；4.西藏華泰龍礦業開發有限公司地質資源部，西藏 拉薩850200）

排土場邊坡由散體材料組成，粒徑分級不明顯，顆粒級配較差，坡體較為松散，且不穩定，一旦排土方式不當，極易引發安全事故［1-3］。如：安太堡露天煤礦南排土場滑坡、攀礦尖山第六排土場滑坡、太和鐵礦排土場滑坡、黑山露天煤礦北排土場滑坡等都造成了較大的人員傷亡和財產損失［4-6］。究其原因，是對排土場穩定性分析不足和排土工藝優化欠缺，并且關于諸如西藏甲瑪礦區這類高海拔地區的排土場邊坡的研究少之又少，因此，對于高海拔地區排土場邊坡穩定性分析和排土工藝關鍵參數優化就顯得尤為重要。

近年來，眾多學者針對排土場穩定性分析開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果［7-10］。張燕飛等［11］以云南某金屬礦山為背景，用Monte-carlo法對邊坡進行了穩定性分析，評價了該排土場邊坡的穩定性及風險性，但缺少了與現場破壞情況的對比，穩定性分析不足。王海等［12］針對霍林河南露天煤礦西四排土場沉降問題進行了分析，針對排土場沉降現狀制定了相關的治理措施，并通過極限平衡法對采取的措施進行了安全評價，但未對現場排土場的破壞情況進行詳細描述且未進行排土參數優化。長沙礦冶研究院的相關技術人員對南芬鐵礦和廠壩七架溝排土場進行了穩定性研究，但工程背景均不是高海拔地區，其研究成果難以應用于高海拔地區［13-14］。曹蘭柱等［15］以蒙東西二露天礦排土場邊坡為工程背景，基于剛體極限平衡與三維數值模擬方法，揭示了不同基底傾角條件下的排土場邊坡穩定性變化規律，分析了軟弱傾斜復合基底排土場的邊坡失穩機理。Sloan［16］研究認為排土場邊坡破壞主要是由軟弱土層控制，在夾層附近位置塑性應變較大，控制了排土場邊坡的破壞模式。白羽等［17］以元寶山露天煤礦內排土場為背景，利用剛體極限平衡法對不同排棄平盤寬度的內排土場穩定性進行了分析，確定了最優排棄平盤寬度為55 m，但平臺臺階高度也是排土場邊坡穩定性的重要控制因素，該項研究缺少了對其進行準確取值；胡旭東等［18］進行了排土場穩定性分析，提出了合理的排土方案，并編制了某排土場的排土規劃；王?。?9］針對安太堡露天煤礦南寺溝排土場的增高擴容問題，通過優化分析，使得南寺溝排土場的最小工作平盤寬度由65 m 縮小至60 m，但該參數較難在具有凍融損傷作用的高海拔地區應用。

現階段對于排土場穩定性分析和關鍵參數優化的研究方法較為多樣，但針對高海拔地區排土場穩定性的研究及關鍵參數優化的成果較少。本研究以西藏甲瑪礦區排土場為背景，基于有限差分方法和強度折減原理，對排土場進行穩定性分析，利用FLAC3D軟件對不同單臺階高度和多臺階平臺寬度工況下的角巖排土場邊坡進行穩定性分析，得出最優關鍵參數，減小排土場失穩風險并為類似排土場問題研究提供參考。

1 工程概況及區域地質條件分析

1.1 工程概況

甲瑪礦區位于西藏自治區拉薩市周邊，距離市區約68 km，角巖排土場位于角巖采場東北方向約600 m 處的山溝，為溝谷型排土場，屬于典型的多臺階覆蓋式排土場，如圖1所示。不同于低海拔的常溫地區，該礦區處于高海拔、高寒地區，排土場常年暴露于晝夜溫差大、四季溫差大的環境下，長期受到凍融循環作用，對排土場邊坡的穩定性不利。

1.2 地層巖性

工程區地層巖性主要為白堊統林布宗組，其次為侏羅統多底溝組。角巖排土場場地基巖基本裸露，對場地穩定性有利。區內主要地層見表1。

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1.3 地質構造

礦區位于從北到南的一系列推覆構造系統中，地層之間存在一體化的接觸關系，褶皺構造較為發育，主要有紅塔背斜、牛馬塘背斜、夏工普向斜、軸面節理密集帶和層間破碎帶。

2 高海拔排土場穩定性分析

2.1 模型構建

角巖排土場平面圖如圖2所示，選取近似垂直于坡面的A-3 剖面進行分析，該剖面所反映出的地層組成和地質結構都與現實較為貼切，可以更好地了解整個排土場的變化，并且可以更準確地判定排土場的整體安全性。依據現場調查，各臺階高度為30 m，平臺寬度為30 m，臺階坡面角為45°。在建立計算模型時，排土場的滑坡體需要有一定的外延空間，才能更有效地模擬排土場坡面的臨空狀態，以便盡可能減少邊界條件對于計算結果的影響。本研究計算模型如圖3所示。

2.2 初始參數選取

本研究選用的初始巖土體參數是以各類巖石的實驗室力學參數為基礎，以實際工程經驗進行工程類比得到的。根據甲瑪銅礦所處地理位置的特殊性，運用邊坡凍融損傷巖體力學參數修正方法［20］，結合排土場實際情況，對巖體力學參數進行了凍融損傷修正，結果見表2。

2.3 角巖排土場邊坡穩定性分析

為了能夠對各個臺階的位移變化進行準確描述，分別在平臺5 075 m、5 045 m、5 015 m、4 985 m 4 個臺階的坡頂和坡腳處設置了位移監測點，如圖4所示。

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最終境界下的穩定性分析云圖如圖5 所示。由圖5可以看出只有部分區域為受壓狀態，臺階頂部零星出現受拉狀態，雖然沒有形成貫通的剪應變帶，但是從平臺5 045 m處剪應變已經有貫通的趨勢。并且有局部壓應力不均勻擴展會導致小范圍的應力集中，當所產生的應力超過排土場所能承受的應力時，巖體將會發生破壞。從剪應變圖中可以預測，在各個部位與區域的破壞點貫通后將會形成破壞面，直至擴展到自由面時將發生滑坡。

結合位移圖、應力圖和塑性區云圖，可以看到排土場邊坡坡面應力較大，且邊坡中上部相對于下部位移量較大，塑性區即將貫通，排土場邊坡即將發生失穩，破壞特征可能是坡頂發生位移擠壓到坡腳，發生剪切破壞，導致滑坡體沿著近似圓弧滑面向整體排土場的坡腳進行移動。

本研究在計算過程中所設置的各個監測點獲得的位移信息如圖6所示。

由圖6 可知：在計算排土場邊坡穩定時，其監測點位移的變化趨勢仍處于上升階段，在當前排土工藝下并沒有達到沉降穩定的程度，仍有滑坡趨勢。排土場現狀如圖7所示，頂部沿平臺方向出現了垂直裂縫，但裂縫均較小，還沒有發生坡體滑動，若處理不當，繼續對排土場頂部施加荷載，將會形成前一緣拉著后一緣、后一緣推著前一緣的張拉破壞。

3 角巖排土場關鍵參數優化

控制排土場穩定性的3 個重要參數為臺階高度h、平臺寬度b、臺階坡面角φ（圖8）。本研究選取前兩個控制因素進行優化設計。

本研究構建單臺階模型時，臺階坡面角取散體物料的自然安息角37°，坡高為h，排土場坡腳到右邊界的距離為1.5h，坡頂到左邊界的距離為2.5h，模型總高為2h，如圖9所示。依據此原則的模擬計算結果較為理想。

在保證排土場邊坡穩定性的條件下，為了能夠最大限度節約礦山成本，降低工程量，本研究對單臺階的高度進行不同排土高度下的模擬分析，根據不同高度下所得到的安全穩定性系數曲線，分析安全穩定性系數與臺階高度之間的關系，從而確定最優單臺階高度。依據最優單臺階高度對不同組合臺階的平臺寬度進行模擬，同樣根據不同組合臺階平臺寬度情況下所得到的安全穩定性系數，分析組合臺階平臺寬度與安全穩定性系數之間的關系，確定最適宜的組合臺階平臺寬度。

3.1 單臺階高度確定

根據現場排土場要求，臺階高度不宜超過100 m，故選取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 共5 種不同高度的臺階進行模擬，歸納總結得出穩定性系數與臺階高度的變化規律。選取30 m、40 m、50 m 典型臺階高度的位移云圖和剪應變云圖（圖10）進行分析。

由圖10 可知：臺階高度為30 m 時，坡頂處出現最大位移，其余坡面位移量較小，邊坡處于穩定狀態，從其剪應變云圖來看，尚未形成貫通的剪切帶；臺階高度為40 m 時，位移最大處位于坡頂，位移量較小，模型計算穩定后并未出現破壞現象；臺階高度為50 m 時，位移最大值已經達到1 m，由剪應變云圖可以看出其剪應變主要集中在下坡腳處，并且已經形成了貫通的剪應變帶，模型已經出現了破壞現象。各臺階高度安全系數及其變化曲線見表3 及圖11。

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分析表3 及圖11 可知：隨著排土場臺階高度的增加，安全系數逐漸降低，在臺階高度為50 m 時，安全系數發生突降，可見當邊坡堆載高度為40 m 時，土場已達到安全平衡狀態，同時安全系數大于1.25，符合邊坡排土場的安全儲備，大于40 m 時臺階高度成為主導邊坡穩定性的因素，安全系數下降率變大，邊坡更加容易失穩，因此最優臺階高度選擇40 m。

3.2 組合臺階平臺寬度確定

本研究以單臺階高度40 m 為不變量，選取30 m、40 m、50 m、60 m 作為平臺寬度進行模擬，分析平臺寬度與穩定性系數的關系，推斷出安全又經濟的平臺寬度。選取30 m、40 m、50 m 作為典型臺階寬度，其位移云圖和剪應變云圖如圖12所示。

由圖12可知：平臺寬度為30 m時，在排土場上部有剪應變集中，并有向下擴散的趨勢，結合位移云圖來看發生最大位移處與最大剪應變處位置相近，說明排土場在此次工況下不會發生整體性破壞，可能會發生局部破壞；當平臺寬度為40 m 時，最大位移的位置上移，其剪應變主要集中在排土場最上的臺階處；當平臺寬度為50 m 時，隨著臺階寬度的增大，每個臺階所發生的位移并未相連。不同平臺寬度的安全系數見表4，安全系數變化曲線見圖13。

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由表4 及圖13 可知：臺階寬度為30 m 時，其安全系數為1.20，尚未符合排土場的安全儲備，在40 m 的工況條件下的安全系數是一個陡增的狀態并滿足排土場的安全儲備，50 m、60 m 兩種工況下，也滿足了排土場的安全儲備條件，但是對于安全系數的增幅較小，也減少了排土場自身所能堆載的廢料數量，在一定程度上增加了礦山生產成本。從整體趨勢來看，最優平臺寬度為40 m。

綜上分析：選取臺階高度為40 m，臺階寬度為40 m 時，不僅保證了排土場邊坡安全，還使排土場的利用率達到了最大化，節約了礦山生產成本。

4 結 論

（1）運用凍融損傷修正后的巖體力學參數對西藏甲瑪礦區角礫巖排土場進行了穩定性評價，結果表明：在當前排土工藝下并沒有達到穩定程度，有滑坡的趨勢，滑坡整體可能沿著近似圓弧滑面向整體排土場的坡腳移動。

（2）當排土場形成之后，滑坡體內部出現塑性破壞區，沿著排土場內部的軟弱土層延展到最近的坡面，并且軟弱層的前緣也具有擴展趨勢。隨著剪應變帶的擴大，邊坡內的塑性破壞區面積也有所增加，剪切塑性區將會大面積出現在斜坡前緣上，其塑性區基本貫通，導致滑坡產生。

（3）從單臺階高度和多臺階平臺寬度兩個角度，分不同工況對關鍵參數進行了優化設計，利用FLAC3D軟件對不同單臺階高度和多臺階平臺寬度工況下的角巖排土場邊坡進行了模擬，分析了其位移變化規律、應力應變變化以及塑性區范圍大小，根據所得結果云圖和安全系數的變化趨勢，確定最優的關鍵參數為單臺階高度40 m，組合臺階寬度40 m。