銀山礦業百嶺灣排土場穩定性研究

涂欣強，劉 秋，楊朝云，周 鷺，陳 斌，李立華

（江西銅業集團銀山礦業有限責任公司，江西 德興 334200）

1 引言

礦山排土場是廢石堆存的重要場所，同時也是露天采礦場的重大危險源之一。若排土場的穩定性存在問題，不僅會嚴重制約礦山的安全生產，還會對礦山人員和設備構成嚴重威脅。因此，排土場的穩定性一直是國內外露天開采領域的研究熱點之一[1-3］。張萌等[4］采用數值計算以及理論分析對某露天礦山排土場穩定性影響因素進行研究，發現臺階寬度對該礦山排土場穩定性影響最為顯著；谷運峰[5］采用理論計算以及模擬方法對某露天礦山排土場在不同高度的邊坡進行穩定性研究，發現當該排土場高度達到100 m時，排土場邊坡安全系數大幅度降低，不建議繼續排土升段；王天龍[6］將極限平衡理論與數值模擬相結合對某露天礦山排土場的穩定性進行了研究，總結分析了在各類因素影響下排土場的穩定性狀態。綜上所述，目前露天礦山排土場穩定性研究方法主要有極限平衡理論和數值計算兩大類。在進行排土場穩定性研究時，結合實際生產地質條件選取較為適宜的研究方法，可以取得更可靠的研究成果。

隨著銀山礦業公司排土場規模的擴大，通過現場勘察以及儀器測量發現，排土平臺出現了許多明顯的錯臺裂縫，不僅對排土場的穩定性構成了較大威脅，同時嚴重制約了露天采礦場的安全高效生產。因此，亟須對百嶺灣排土場的穩定性進行理論分析，為露天采礦場的安全高效生產提供可靠的理論依據。

2 工程概況

2.1 計算工況

銀山礦業百嶺灣排土場于2005年設計并投入使用至今，前后使用接近 16a，一直采用的是汽車加推土機排土。截至 2021年7月，百嶺灣排土場最大堆積平臺標高達270 m，最低標高約105 m，總堆置高度約165 m。根據《中國地震等級區劃圖（2015）》，銀山礦百嶺灣排土場的地震等級小于Ⅵ級。根據相關規范，可不進行地震響應及動力穩定性分析。為了對全工況條件下的穩定性進行綜合分析，分別考慮了三種工況下現狀標高的運行情況。一是堆積層處于正常工作狀態，將實測的浸潤線位置代入，稱為正常工況；二是考慮五十年一遇的降雨量，分析排土體內浸潤線變化規律，將最大降雨量情況下的浸潤線代入，稱為最大降雨工況；三是排土場在某些特殊情況下，整個堆積層全部飽和，稱為全飽和工況。

2.2 計算剖面

基于現場錯臺裂縫與堆積體的實際調查及室內試驗，在百嶺灣排土場的臨空坡面選取4個剖面對排土場的穩定性進行計算分析，分別是Ⅰ-Ⅰ剖面、Ⅱ-Ⅱ剖面、Ⅲ-Ⅲ剖面、Ⅳ-Ⅳ剖面，四條剖面線的位置如圖 1所示，計算剖面圖如圖 2 所示。

圖1 計算剖面空間分布

圖2 各計算剖面圖

在百嶺灣排土場的穩定性分析中，為了更好地模擬其水平分層，同時結合現場粒徑調查結果，將排土場堆積散體材料自上而下分為4層，分別為爆堆散體（未分級廢石）、堆積料上部、堆積料中部、堆積料下部。

3 百嶺灣排土場穩定性研究

3.1 研究方法

目前排土場穩定性研究已趨于成熟，根據不同的生產工況可將其分為極限平衡法、非線性有限單元法、有限差分法與可靠度分析法等研究方法。其中極限平衡法因應用簡便而被廣泛應用，而極限平衡法又因為計算方法以及假定條件的不同被細分為Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法及Morgensterm-Price法等[7-8］。

基于百嶺灣排土場現場工程地質情況，并結合實際生產環境，采取余推力法進行排土場穩定性分析，同時為簡化計算，將邊坡細分為若干個垂直的小塊，其受力如圖3所示。圖中受力塊體中：U為滲流壓力，W為受力塊體重力，C、φ分別為材料的有效粘聚力和內摩擦角，α為臨界滑動面與水平面的夾角，K為穩定性系數。

圖3 余推力法塊體受力圖

其穩定性計算公式[9］為：

由自重引起的下滑力為：Wisinαi；

上一塊體傳遞的推力為：Pi-1φi-1,i。

由于邊坡細分塊體之間不存在拉力，因此當出現塊體的推力小于零時，則說明該塊體不再向下傳遞推力，即下一塊體Pi-1=0。計算中通過調整F值，使得邊坡滑面上所細分的最后一個塊體受推力為零，從而得到該滑面所對應的邊坡穩定性系數。

3.2 力學參數的確定

爆堆散體（未分級廢石）、堆積料上部、堆積料中部以及堆積料下部的各項物理力學參數如表1所示。其數據是通過室內大型直剪試驗結果、大型三軸壓縮試驗結果以及根據φ-λ模型求出的值，同時考慮現場裂縫與堆積體的實際調查，并參考相關排土場堆積體抗剪強度參數經驗值綜合考慮確定的。

表1 排土場整體穩定性計算結果表

3.3 穩定性計算及結果分析

結合前期現場實測以及計算所得數據，采用余推力法對銀山礦業百嶺灣排土場四個剖面穩定性進行計算分析，計算結果如表2所示，計算分析結果反演至剖面形態見圖4至圖7。

圖4 Ⅰ-Ⅰ剖面各工況下形態

圖7 Ⅳ-Ⅳ剖面各工況下形態

表2 排土場整體穩定性計算結果表

根據《有色金屬礦山排土場設計標準》（GB 050421—2018），銀山礦業百嶺灣排土場屬于二級排土場，在自然工況條件下，安全性標準為1.20～1.25，最大降雨量條件下相對于自然工況降低0.05，同時最低要求不得低于1.10。結合銀山礦業百嶺灣排土場現場實際情況，同時為確保其穩定性，百嶺灣排土場穩定性驗算標準為：自然工況1.25，最大降雨工況1.20。此外，由于百嶺灣排土場匯水面積不大，且堆砌廢石滲透性較強，全飽和工況幾乎不可能出現，進行該狀態分析主要用于安全運行管理的參考。

綜上可知，通過采取余推力法對百嶺灣排土場進行穩定性計算得到：在正常工況下計算，其安全系數均大于1.25，且在最大降雨量情況下安全系數均大于1.20，均滿足要求，排土場處于穩定狀態，可滿足安全生產。

圖5 Ⅱ-Ⅱ剖面各工況下形態

圖6 Ⅲ-Ⅲ剖面各工況下形態

4 合理化建議

為確保銀山礦業百嶺灣排土場安全穩定生產，同時為后期排土加高升段提供技術支持，建議在排土場適量增加排水措施，提升排水系統的排水能力。例如在排土場上部及外圍增設截水溝，讓山坡徑流匯入截水溝排向下游；同時確保每一排土平臺具有8‰的反坡，且在反坡內側設置橫向截水溝，將水引流至排土場兩側排水溝以排向下游。

5 結論

通過對銀山礦業百嶺灣排土場進行穩定性計算分析可得：

（1）采用余推力法對百嶺灣排土場的穩定性進行研究。通過將排土場邊坡簡化為若干個邊坡塊體，并對每個塊體受力形式進行分析計算，計算中不斷調整F值，使得邊坡滑面上所細分的最后一個塊體受推力為零，從而得到該滑面所對應的邊坡穩定性系數。

（2）現有生產條件下，在正常工況時，所有計算剖面安全系數均大于1.25，滿足安全規范要求，且存在一定富余量。

（3）現有生產條件下，在最大降雨量工況時，所有計算剖面安全系數均大于1.20，滿足安全規范要求。

綜上所述，在現有生產條件下，銀山礦業百嶺灣排土場在各類工況下整體穩定性均可滿足安全生產要求，不僅為現有生產情況下排土場安全穩定性提供了可靠的理論依據，同時為后期排土場加高升段提供了一定的技術支撐。