石寶鐵礦排土場穩定性研究

周軍委

(洛陽富川礦業有限公司， 河南 洛陽市 471000)

1 礦區排土場基底承載能力驗算

排土場是礦山生產過程中，由剝離的表土、廢石等按照一定的堆置方式逐步形成的單臺階或多臺階的巨型人工松散堆積體，露天礦山的排土場是影響礦山安全生產的重要因素[1]。石寶鐵礦位于內蒙古包頭市達爾罕茂民安聯合旗石寶鄉境內，2017年，經技術改造擴幫后生產能力為 320萬t，現有東、中、西3個采場，排土場南北各有一處。石寶鐵礦開采境界內剝離的巖石總量為10 127.27萬t，預計排土量4788.44萬m3，同時考慮排土場清方倒排量680.22萬m3，共需排土場容積5468.66萬m3。根據計劃，南排土場排土容量為4200萬m3，北排土場排土容量為1350萬m3，合計總排土容量為5550萬m3，滿足生產需求。由于排土場的各項技術指標均通過工程類比法而得，排土場的邊坡穩定性尚未進行驗證，存在極大的安全隱患。

根據《石寶鐵礦地質勘察報告》，排土場底層共分4層，對各底層進行取樣試驗，得到各巖土物理力學性質見表1。

表1 基底巖土物理力學性質參數

排土場堆置體的物理力學性質受巖石性質、塊度組成、容重、濕度及垂直荷載等影響[2]。排土場堆置體不同深度物料的C、φ值由于顆粒分布的不均勻性而隨深度變化而變化[3]。排土場排棄物料主要為露天開采剝離的廢石，未開展排土場排棄物料的粒徑組成及模擬力學試驗等工作，通過類比法確定的物理力學參數見表2。

表2 排土場排棄場料物理力學參數

排土場地基承載力是一個動態變化的過程：隨著排土場堆置荷載逐漸增加，地基逐漸被壓實、擠密，達到極限狀態，地基承載力也隨之增大，直至產生塑性變形和移動而失去承載力[4]。目前尚無適合多臺階排土場整體穩定性的承載力計算方法。根據《有色金屬排土場設計規范》（GB 50421-2018）[5]的有關規定計算單臺階的堆載高度。

軟弱地基高度排土場應控制排土場底部臺階高度，對地基堆載預壓，提高地基承載田徑。第一臺階極限高度可按式（1）進行計算：

式中，H為排土場第一臺階極限堆置高度，m；C為地基土黏聚力，kPa；φ為地基土摩擦角，（°）；γ為剝離物容重，kN/m3。

分別按照濕陷性粉土、粉質黏土及花崗巖等基底地層作為持力層計算排土場堆置高度，計算結果詳見表3。

表3 單臺階堆置高度計算結果

2 排土場災害類型

排土場的穩定性主要受場地的地形、坡度、工程地質、水文地質、氣象和剝離物的物理力學性質以及排土方式、臺階高度等因素影響[6-7]，可能發生滑坡、沉降壓縮變形與泥石流等災害。

由于沉降壓縮變形速度慢、幅度不大、破壞性小，對生產沒有太大的影響，故不予考慮。排土場所處地區地勢平坦，且礦區降水量極少，不具備形成泥石流的“山坡地形陡峻和較大的溝床縱坡”與“充足的水源”等基本條件[8]，且排土場外側設置有截排水溝，攔截流向排土場的地表徑流，因此，排土場基本不存在發生泥石流的可能性。排土場場址地形平緩，沿基底接觸面滑坡的可能性較小，排土場邊坡破壞的模式以排土場內部滑坡及軟弱基底鼓起引起的排土場滑坡為主，滑坡的破壞模式主要為圓弧型破壞。

綜上所述，排土場基底地形平緩，部分區域還隨著排土場的推進，將出現有利于排土場穩定的逆向地形，排土場不存在沿堆置體與地基接觸面產生滑坡的可能。排土場邊坡破壞的模式以排土場內部滑坡及軟弱基底鼓起引起的滑坡為主。

3 穩定性分析計算

礦山南排土場清理倒排后向東南方向擴展，調整后南排土場為多階段覆蓋式平地排土場。南排土場北側分為3個排土臺階，標高分別為1682 m、1705 m、1728 m，臺階間平臺寬度為20 m；南排土場南側分為2個排土臺階，標高分別為1705 m、1728 m，臺階間平臺寬度為20 m。南排土場最大排土高度為68 m，最終排土標高為1728 m。

北排土場位于露天采場東北終了境界外 80 m處，靠近巖石北出入溝口。北排土場為單臺階覆蓋式平地排土場。北排土場采用一段排土，最大排土高度為45 m，最終排土標高為1705 m。

最終邊坡角：南排土場北坡為26.1°，南排土場南坡為29.8°；北排土場為34.5°，最大排土高度分別為45 m、68 m。排土場邊坡如圖1所示。

圖1 排土場邊坡示意（單位: m）

達爾罕茂民安聯合旗抗震設防烈度為6度，基本地震加速度值為 0.05g，不考慮地下水對工程的影響。本次研究主要對該排土場內部滑坡穩定性進行分析。分別計算在正常工況及特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動，a=0.05g）下排土場穩定性系數。參照同類工程采用的安全系數并結合排土場周邊環境特點，排土場安全系數限值確定如下。

3.1 南排土場北邊坡

工況①：正常工況時的整體安全系數限值為1.30。

工況②：特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動，a=0.05g）時，整體安全系數限值為1.20。

3.2 南排土場南邊坡及北排土場

工況①：正常工況時整體安全系數限值為1.15。

工況②：特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動，a=0.05g）時，整體安全系數限值為1.10。

采用 Slide軟件對排土場設計終了邊坡滑動面進行搜索，確定其最危險的滑動面。分別采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法進行計算，計算結果見表 4，排土場邊坡滑坡模型模擬結果如圖2～圖4所示。

表4 排土場穩定性計算結果

圖2 南排土場北邊坡滑坡模型

圖3 南排土場南邊坡滑坡模型

圖4 北排土場邊坡滑坡模型

4 結論

通過模擬計算表明，排土場在現有設計方案下的邊坡滿足對應的安全系數要求，處于穩定狀態。但是露天礦邊坡受諸多不確定性因素的影響，即便是穩定邊坡，也要在生產中加強監測，定期對邊坡進行穩定性分析，同時建立健全地質災害監測體系，根據邊坡巖體的工程性質、環境、地質條件等因素進行綜合控制。礦方必須嚴格按照排土場相關規范、標準和設計的要求組織生產活動，將邊坡角、臺階參數等要素控制在規定的范圍之內，進一步規范安全平臺的設置，保證邊坡處于穩定狀態，保障企業的安全生產。