齊大山排土場邊坡參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

王 瑞 王永增 陸占國

(鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司齊大山鐵礦)

目前，我國露天礦排土作業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)是高臺階排土場穩(wěn)定機(jī)理研究不夠，因此不能結(jié)合排土工藝采取相應(yīng)的穩(wěn)定治理措施。露天礦排土工藝和設(shè)備比較單一，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國露天礦排土場單位面積堆置容量低、排土效率低、占地面積多、排土場復(fù)墾率低［1-4］。排土場地基的表土層承載力、極限堆放高度等相關(guān)因素是國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研究的方向［5-6］。雖然我國曾組織過高臺階排土工藝重點(diǎn)科技攻關(guān)，支持開展了重大工程科研工作，使露天礦的排土技術(shù)取得了長足的發(fā)展，在一些領(lǐng)域已具有世界先進(jìn)水平，有力地促進(jìn)了露天鐵礦生產(chǎn)，但反過來為排土工程提出了新的要求。我國的大部分露天礦進(jìn)入深凹開采，露天礦年生產(chǎn)礦石已超過億噸，而開采條件越來越惡劣。隨著土地資源的緊張，土地價(jià)格上漲，環(huán)保要求的提高，對露天礦的排土工作提出了更高的要求，所以加強(qiáng)露天礦排土工作的優(yōu)化研究，對達(dá)到減少費(fèi)用、增加穩(wěn)定、保護(hù)環(huán)境的目的具有現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以齊大山鐵礦的工程地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，并結(jié)合排土場勘察設(shè)計(jì)等相關(guān)資料和說明，對齊大山鐵礦現(xiàn)有的排土場的堆置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對排土場進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以更合理地利用排土空間，增加排土容量，減少占用土地，節(jié)約礦山經(jīng)營成本。

1 排土場參數(shù)的優(yōu)化方法

以往由于對排土場的研究深度不夠，排土場的設(shè)計(jì)往往偏于保守，很多排土場的潛力沒有充分發(fā)揮，排土效率較低。另一方面在過去排土場建設(shè)中忽略了排土場基底的工程水文地質(zhì)調(diào)查和排棄物料的力學(xué)性質(zhì)研究，對軟弱地基、地下水等不良地質(zhì)條件缺乏認(rèn)識，一些排土場存在著安全隱患。近些年來，隨著排土技術(shù)研究的不斷深入，對排土場穩(wěn)定性機(jī)理的認(rèn)識也由淺入深不斷發(fā)展，許多切實(shí)可行的滑坡防護(hù)措施在礦山得到應(yīng)用，為礦山采用高臺階排土提供了技術(shù)保證，加之隨著大中型礦山進(jìn)入中后期開采，普遍存在排土場容量不足的問題，需要通過排土參數(shù)的合理優(yōu)化，對老排土場進(jìn)行增高擴(kuò)容。排土臺階高度(包括單臺階高度和排土場總高度)、臺階坡面角和安全平臺寬度是排土場主要的參數(shù)，都與排棄巖土的種類和穩(wěn)定性條件及排土工藝方式有著密切關(guān)系。在排土工藝方式和排棄巖土種類一定的情況下，則穩(wěn)定性條件決定了臺階高度，臺階坡面角以及安全平臺寬度的取值。因此排土參數(shù)的優(yōu)化可以看作是以安全系數(shù)為評判標(biāo)準(zhǔn)，對排土臺階高度、臺階坡面角及安全平臺寬度的優(yōu)化過程［7］。

2 極限平衡法原理

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，具有計(jì)算模型簡單、計(jì)算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直接實(shí)用的特點(diǎn)。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計(jì)算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等，不同的計(jì)算方法，其力學(xué)機(jī)理與適用條件均有所不同。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，又出現(xiàn)了一些求解步驟更為嚴(yán)格的方法，如Morgenstern－Price法、Spencer法等。本次穩(wěn)定計(jì)算采用Morgenstern－Price法來確定邊坡的安全系數(shù)。

該方法的特點(diǎn)是考慮了全部平衡條件與邊界條件，這樣做的目的是為了消除計(jì)算方法上的誤差，并對Janbu推導(dǎo)出來的近似解法提供更加精確的解答。對方程式的求解采用的是數(shù)值解法(即微增量法)，滑面的形狀為任意的，安全系數(shù)采用力平衡法［8-10］。

3 排土場邊坡參數(shù)優(yōu)化

運(yùn)用極限平衡法，以安全系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，在保證穩(wěn)定的前提下選取內(nèi)排土場的參數(shù)方案，最后通過比較容積的大小，確定最終的方案。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

3.1 單臺階角度的確定

本次計(jì)算選用GeoSlope軟件進(jìn)行齊大山鐵礦排土場邊坡穩(wěn)定性分析，分別計(jì)算當(dāng)邊坡臺階高度為30 m，邊坡角度為30°、32°、34°、36°、38°和40°時的單臺階穩(wěn)定性。邊坡角度34°時穩(wěn)定性計(jì)算示意圖見圖1，得到各邊坡角度下的安全系數(shù)見圖2所示。

由于排土場下游無人居住，沒有重要的設(shè)施，過高的安全系數(shù)既不經(jīng)濟(jì)也沒有必要。在保證礦山安全生產(chǎn)的前提下，可采用較大邊坡臺階角度38°進(jìn)行排土，在排土場破壞后容易產(chǎn)生嚴(yán)重后果區(qū)段增大邊坡穩(wěn)定性安全儲備，采用邊坡臺階角度34°進(jìn)行排土。

圖1 邊坡角度34°時穩(wěn)定性計(jì)算

圖2 邊坡安全系數(shù)隨邊坡角度變化

3.2 單臺階高度的確定

對于排土場邊坡來說，在保證排土場邊坡穩(wěn)定的條件下，加大排土場的高度無疑將大大增加排土場的排土能力，將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在坡面角一定的情況下，排土場邊坡的穩(wěn)定主要是由臺階高度，巖土的物理力學(xué)性質(zhì)等因素決定的。下面分別計(jì)算當(dāng)邊坡角為34°和38°，臺階高度為10、20、30、40和50 m時的單臺階穩(wěn)定性，得到的安全系數(shù)如圖3所示。

圖3 邊坡安全系數(shù)隨臺階高度變化

由圖4可知:邊坡隨著臺階高度的增高，安全系數(shù)迅速減小;臺階邊坡角度越大，安全系數(shù)隨高度變化的速率越大。因此當(dāng)采用38°邊坡角時，建議選用臺階高度30 m;采用34°邊坡角時，建議選用臺階高度40 m，保證整體邊坡安全。

3.3 安全平臺寬度的確定

由于齊大山鐵礦排棄物料的性質(zhì)相對較差，不能采取單臺階全段高排土的方式，只能采取覆蓋式多臺階排土法。一般來說，安全平臺較大，排土場穩(wěn)定性高，受容能力小;安全平臺較小，排土場穩(wěn)定性差，受容能力大。合理的安全平臺寬度，既能保證下部臺階的安全生產(chǎn)，也能為上部臺階的穩(wěn)定創(chuàng)造條件。對邊坡角34°，高40 m，邊坡角為38°，高30 m的單臺階分別設(shè)置20，30 m的安全平臺，建立模型，算出其安全系數(shù)，見表2。由于需要算出組合臺階的安全系數(shù)，臺階的總高度取接近于排土場規(guī)劃設(shè)計(jì)的最大高差180 m。

表2 排土場堆置方案

表2中4個方案在符合穩(wěn)定性的要求和排土場的總高度一定的情況下，排土場的總體邊坡角越大，所能容納的廢石量越大，結(jié)合安全系數(shù)值建議排土場的參數(shù)方案為第二方案，即臺階坡面角34°，臺階高度40 m，平臺寬度30 m。

4 結(jié)論

在不考慮地下水、地震等外界影響因素作用的情況下進(jìn)行齊大山鐵礦排土場邊坡參數(shù)優(yōu)化，采用建立不同臺階坡面角、單臺階高度以及安全平臺寬度的排土場模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算采用Morgenstern－Price法在所有工況下具有良好的計(jì)算精度，未出現(xiàn)不收斂情況。通過適當(dāng)減緩單臺階邊坡角，增加單臺階高度的方法，確定了排土場參數(shù)的最終取值為坡面角34°，安全平臺寬度30 m，臺階高40 m，增加了排土場的容積。

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