礦山排土場穩定性影響因素顯著性分析

趙 峰

在礦山開采過程中，對于產生的固體排棄物在排土場進行集中排放，在排土過程中，平臺邊緣處形成的人工邊坡，經常會面臨變形或者是裂縫等問題，嚴重時可能會出現坍塌等現象，如果不及時采取有效的措施對變形破壞問題進行控制，最終將會顯著降低排土場整體穩定性，從而引發非常嚴重的邊坡滑坡地質災害問題。針對這種現象，為了保證排土場穩定性可以達到相應的標準要求，必須對排土場穩定性影響因素以及顯著特征等進行深入分析，從而制定出有效的防范措施以及生態修復措施。

1 工程案例分析

該排土場的位置在采區的東北方向，基底為自然沖溝，與采場之間的距離比較近，容量約600萬m3，滿足外排總量要求。從現場情況來看，在排土場的邊坡位置出現了底鼓問題，該問題并沒有對排土場整體穩定性產生太大的影響。通過現場調查之后，最終判定排土場底鼓問題產生的原因主要有以下幾個方面：第一，原始地貌被排土場大范圍覆蓋，導致地表徑流較原先發生了相應的變化，又因為排棄物料本身就具有非常明顯的松散性，這就在很大程度上提升了地下水的滲入總量，同時地表水凈流量不斷降低，當基底土被大量的水浸入之后，其力學性質會在加載過程中不斷發生改變；第二，當排棄強度超出相應的標準要求之后，就會導致超孔隙壓力不斷上升，這時滑坡主動體抗剪強度會受到非常大的影響，從而發生巨大的變化。

2 設計正交試驗方案

通過對排土場現場相關資料進行收集與整理，同時在現場開展了相應的調研工作，最終對該排土場穩定性影響因素進行明確，主要體現在了臺階數量、臺階高度、修復荷載、氣象水文、構建歷史以及臺階角度與寬度等幾個方面。另外，嚴格按照排土場排土設計規范中的相關內容與要求，對比較典型的案例進行了深入探究，同時對該排土場范圍內地質條件以及水文特點等進行全面勘察，從而獲取到了較為完整的資料。

通過資料分析之后，對影響因素取值進行明確。在以上工作全部完成之后，開展了對正交試驗方案的設計工作，具體如下表1所示。

表1 正交試驗方案

結合上表1中的相關內容進行分析，設計了3水平與7因素正交試驗，數值模擬試驗一共達到了18組。臺階的數量分別為4階、6階、8階，臺階的高度分別為15m、20m以及25m，關于修復荷載主要體現在了無面荷載、純表土面荷載以及混合土面荷載等幾個方面。基于該排土場水文條件角度上進行分析，分別是由不同含水率的巖土參數特征進行替代，最終構建形成了新建排土場、二次使用排土場以及停用排土場等幾個方面，臺階的高度分別為25、30以及35mm，臺階的角度分別為30°、34°以及38°。

3 排土場理想模型構建

在具體的設計環節中，主要是將排土場計算機的輔助作用充分發揮出來，在此基礎上完成對圖形文件的設計工作，從中提取具有代表性的變形區域研究范圍，從而對排土場等高線模型進行優化，將二維線型模型轉變為帶有高程特點的三維曲線。在對有限元軟件ANSYS以及邁達斯充分利用的基礎上，完成對模型的分層以及剖分等操作，在此基礎上對排土場三維體制模型進行有效構建。

通過對排土場穩定性特征進行充分調查與研究，然后使用FLAC3D數值模擬軟件，對排土場真三維地質模型確定相應的數字標準，同時完成相應的模擬操作，從而可以將排土場巖土體參數充分體現出來，在此基礎上對排土場真三維地質模型剪切應變增量圖進行準確繪制。

通過系統的分析與研究之后，在對排土場數值模型變化特征全面了解的基礎上，選擇真三維地質模型中比較危險的截面，或者是具有代表變形特征的截面，從而可以為后期排土場理想模型分析提供非常重要的參考依據，最終完成對排土場邊坡理想坡形網格的構建工作。在對網格巖土體物理力學參數進行明確時，主要是嚴格按照規范中的相關要求以及真三維地質模型時反映出的巖土物理力學參數進行分析，其中，關于規范要求主要體現在了冶金排土場、金屬礦山排土場以及生產安全經驗等內容。關于網格巖土體物理力學參數，其設置情況主要體現在了以下幾個方面：第一，排土場數值模擬模型巖土層物理力學參數取值，具體如下表2、表3。結合下表2中的內容進行分析，基于天然條件下，反映出了排土場數值模擬模型巖土層物理力學參數，下表3是在小雨條件下，反映出的排土場數值模擬模型巖土層物理力學參數。

表2 排土場數值模擬模型巖土層物理力學參數（天然工況條件）

表3 排土場數值模擬模型巖土層物理力學參數（小雨工況條件）

4 排土場穩定性影響因素顯著性分析

結合上文中所構建的正交試驗方案以及設計的排土場理想模型進行分析，在對FLAC3D法應用的基礎上，完成對18組試驗的數值模擬工作，最終計算出了各個試驗模型所能反映出的安全系數，為了方便工作人員對排土場穩定性影響因素顯著特征進行全面了解，需要結合最終的模擬結果，開展相應的方差分析工作。

通過對Mat數值模擬統計軟件的充分利用，在此基礎上對排土場數值模擬結果完成相應的方差分析工作，結合最終的方差分析結果來看，對參數值進行準確選擇，從而完成各影響因素顯著性特征的評價工作，結合最終的方差分析結果進行分析，其中對排土場穩定性影響非常明顯的因素主要有臺階數量、臺階高度、氣象水文與臺階角度等，比較明顯的影響因素體現為臺階寬度。

結合以上內容進行分析，臺階數量、臺階高度、氣象水文以及臺階角度等對排土場穩定性影響比較大。

5 排土場穩定性影響因素

5.1 選址

為了保證排土場滿足一定的穩定性，那么在前期選址時就需要對該問題引起高度重視，并將相應的論證以及對比等工作進行全面落實。在選址過程中，對于相關的工作人員而言，需要將重點放在地形、地基以及水文條件等多個方面，只有保證各方面條件滿足基本要求的情況下，才能開展專業的研究工作。

5.1.1 自然地理、基地巖層埋藏特點

通常情況下，在排土場施工現場包含了非常多的自然地理因素，比如，排土場的基底地形或者是地表水流，同時還涉及到了大氣排水等。結合排土場基底實際的傾斜狀況，也可以劃分為不同的類型，關于排土場基底面傾斜問題，如果傾斜的具體方位與排棄物傾斜的方位不一致時，在這種情況下，邊坡可以達到非常好的穩定效果。

5.1.2 水文地質因素

通常情況下，對于基底土巖而言，如果其中含有一定的水分時，那么在毛細管水不斷提升的基礎上，排棄物的下端位置也會因此受到一定的影響，主要是會被水資源進行侵蝕，在濕度不斷增加的基礎上，會導致強度不斷降低。在對排棄物進行排放的過程中，當高度達到一定的高度以后，那么在排棄物的下部位置會發生一定的變化，也就是會出現壓密狀態。主要是因為受到空氣與水的影響，在排棄物的內部，會逐漸出現孔隙水壓力，那么在下端的水資源會不斷下滲，那么在此基礎上，排土場的內部會逐漸出現含水帶。對于含水帶而言，如果是沒有對其進行壓密處理時，孔隙是在水的填充狀態下形成的，并且在該含水帶中容易形成相應的滑動面。如果是在排土場透水性比較好的情況下，當補給的水比較多時，可以在內部形成相應的滲流，從而引出孔隙水壓力。在土層或者是軟巖基底含有較高的水時，排棄物堆放到一定的高度之后，也會形成孔隙水壓力，這時就會對土巖的抗剪性能產生非常嚴重的影響。當基底內含水層與排棄物逐漸被分離時，在承壓孔隙水的壓力影響下，含水層的抗剪性能將會降低。針對這種情況，需要對排土場的含水情況進行充分考慮，在這其中不但涉及到了原剝落土巖的含水情況、排土場地形以及大氣降水情況，同時還包括排土場基底含水情況。

5.2 開采工藝因素

開采工藝與最終排土場穩定性之間都有著非常密切的聯系。在實際的開采工作中，當采取不一樣的開采技術與流程時，在開采現場也會產生不同的排棄物分層，因為受到抗剪強度不均衡的影響，排土場穩定性也會體現出一定程度的差異。因此需要對整個開采過程開展嚴格的設計工作，保證開采方案一定的合理性，巖石透水性比較好的情況下，有利于更大程度上提升排土場穩定性。排棄物排放時，通常會按照排土臺階的具體情況，排棄物塊度以自然的形式進行分布，塊度比較大的會直接落在臺階的下邊，粘土中含水量比較大，通常會滑落到排土臺階的下部，因為砂土容易出現粉碎現象，所以經常會停留在排土場的邊坡或者是上部，當出現這一現象時，那么軟弱層的透水性也會因此降低，進而后期可能會出現滾動面的問題。在具體的排土過程中，當使用挖掘機開展工作，或者是卸載的實際高度比較大的情況下，那么塊度比較大的可能就會落在松散的小塊土巖中。按分布形式進行分析，排土臺階中塊度分布具有非常明顯的差異會對最終的固結效果產生影響，最終影響到排土場穩定性。

6 解決對策

6.1 疏干排水

通常情況下，在對排土場進行設計的過程中，需要對排土場區域內的水文地質條件以及降雨情況等進行全面了解，在此基礎選擇有效的措施來開展疏干排水等操作，從而保證基底與排棄物料強度不會因為浸水而受到影響。在具體的操作過程中，首先地下水為浸水水源時，需要采取疏干導流的方法來進行。并且完成對排水盲溝的設計與開挖工作，依據水文資質數據設計出合理地斷面，采用硬度比較高的大石塊進行填充，并采用土工布包裹盲溝，從而可以將地下水直接引排到排土場外。其次，當地表水為浸水水源時，在雨水逕流的情況下，會對坡腳與坡腳物料產生沖擊現象，而浸水之后其強度會呈現出下降的趨勢，從而導致滑坡現象的產生。根據當地水文氣象條件，如降雨量較大，在臺階坡腳設置排水構筑物實施雨水有組織排放，減少坡腳沖刷。同時在排土場的境界外圈設置截水溝，減少排土場外地表水對排土場沖刷。

6.2 清除基底弱層，底層排棄大塊巖

如果基底屬于腐植土、淤泥或者是其他弱層的情況下，那么在排土場建設過程開展中，一定要做好相應的清除工作，同時也需要避免雨后排土，避免強度快速下降的剝離表土與軟巖排棄在下層。在對排棄計劃平衡表進行制定的過程中，需要將硬度較強的大塊巖石排棄在底層，這種方式有助于在一定程度上提升排棄物與基底之間的摩擦力及透水性，從而提升排土場穩定性。

6.3 對排土臺階高度進行確定

在排土臺階高度超出一定的值的情況下，很有可能會導致失穩問題的產生，這會對人身安全以及設備安全帶來威脅。因此，在確定排土臺階高度進行時，不但要對排土線的技術經濟效果進行充分考慮，還要對穩定性與安全性進行深入分析，確定合理地臺階高度。

6.4 以排土場穩定為前提，完成排棄計劃的編制工作

如果是在剝落中土巖可以分開的情況下，需要在下部排棄巖石，上部進行排土。但是，因為在剝離前期大部分都屬于表土或者是其他地表風化物料，為了能提升排土場穩定性，應設置排土場下游堆石區或堆石棱體增強坡腳穩定性。

6.5 加強生產管理工作

在排土場堆置過程中，嚴格按照排土場失穩基本規律，在對巖土特點、排棄方式、設備類型以及降雨情況全面了解的基礎上，開展相應的生產管理工作，并保證管理方法滿足一定的科學性。對于排土場與各個排土臺階，需要對不穩定方向進行實時關注及檢測，根據實際情況對排土線路以及作業范圍等進行合理調整。在排土場堆置工作結束之后，需要對復墾工作引起高度重視。通過對排土場進行復墾，可以保證被占用或者是被破壞的土地資源再次利用，這不但能對排土場生態安全起到非常重要的保護作用，同時還能有效避免水土流失以及泥石流等問題的產生。

7 結語

排土場穩定性是礦山企業的重要的安全管理工作，應予以高度重視。設計單位以及礦山企業一定要結合礦山區域地質、工程地質、水文地質、氣象條件、采掘工藝等條件，對排土場穩定性影響因素顯著性分析研究工作，進行排土場的設計、施工及生產管理，保證排土場安全運行。