多臺階覆蓋式排土場邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

毛權(quán)生 樂 陶

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

排土場邊坡屬于礦山剝離的散體物料堆積而成的邊坡，邊坡體為礦山剝離的巖土塊、水分和孔隙三元介質(zhì)體。其邊坡的形式由排土工藝確定，按排土堆置順序，排土場分為單臺階式、多臺階覆蓋式、多臺階壓坡腳式3種形式。多臺階覆蓋式排土場是按一定臺階高度的水平分層由下而上逐層堆置，也可幾個(gè)臺階同時(shí)進(jìn)行覆蓋式排土，但要保持下一臺階超前一段安全距離。

排土場滑坡破壞模式主要有排土場內(nèi)部滑坡、沿排土場地基軟弱層滑坡、沿地基接觸面滑坡3種類型。排土場內(nèi)部滑坡一般為園弧形滑面，其他類型的滑坡為沿接觸面或軟弱結(jié)構(gòu)面的不規(guī)則形狀。

1 白馬鐵礦Ⅳ排土場邊坡基本現(xiàn)狀

白馬鐵礦Ⅳ排土場是利用山谷有利地形堆置而成，地形起伏不平。地基地層［1］主要有第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土(Qel+dl4)、第四系沖洪積碎塊石土(Qal+pl4)，下伏基巖為二迭系正長巖(ξo15)，其中正長巖(ξo15)根據(jù)其風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化。根據(jù)設(shè)計(jì)［2］，白馬鐵礦Ⅳ排土場堆排方式采用汽車—推土機(jī)排土工藝，多臺階自下而上覆蓋式排放，屬多臺階覆蓋式排土場，邊坡有明顯的塊度分級現(xiàn)象。場地形較陡，高差大，排土場前期排棄物料為采場剝離的第四系和強(qiáng)風(fēng)化層散體。多臺階覆蓋式排土場臺階邊坡角為散體物料的自然安息角，為了保證排土場穩(wěn)定，首先在單臺階情況下確定單臺階允許高度，再根據(jù)單臺階允許高度對整體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析來確定平臺寬度。本次排土場單臺階允許高度和平臺寬度的確定步驟:

(1)對不同高度的排土場單臺階穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，求得單臺階穩(wěn)定性安全系數(shù)。

(2)對單臺階穩(wěn)定性安全系數(shù)和高度進(jìn)行回歸，求得安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)所對應(yīng)的單臺階高度為排土場邊坡單臺階允許高度。

(3)根據(jù)單臺階允許高度，選擇不同的平臺寬度，對排土場整體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，求得不同平臺寬度所對應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

(4)對整體邊坡安全系數(shù)和平臺寬度進(jìn)行回歸，求得安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)所對應(yīng)的平臺寬度為排土場邊坡平臺寬度。

2 排土場邊坡單臺階高度確定

排土場單臺階高度的確定方法是:首先分別對單臺階高度為30、40、50、60 m的排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，運(yùn)用余推力法計(jì)算出上述不同高度時(shí)的安全系數(shù)(見表1，計(jì)算中沒有考慮地下水的影響)。然后對不同臺階高度所對應(yīng)的安全系數(shù)進(jìn)行回歸(見圖1～圖2)，求得安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)對應(yīng)的臺階高度(根據(jù)要求允許安全系數(shù)取1.15［3］)為排土場邊坡單臺階允許高度。

表1 排土場單臺階不同高度時(shí)的安全系數(shù)

圖1 單臺階高度和安全系數(shù)回歸(不考慮地震)

圖2 單臺階高度和安全系數(shù)回歸(考慮地震)

從不同臺階高度和穩(wěn)定性安全系數(shù)回歸可以確定安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)的允許臺階高度，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可以看出，在不考慮地震的情況下，單臺階允許高度可達(dá)到44.79 m，考慮地震時(shí)，單臺階允許高度可達(dá)到37.42 m。

表2 不同工況下的允許臺階高度

在44.79 m與37.42 m之間選取40 m作為單臺階高度，在不考慮地震的情況下安全系數(shù)為1.164，大于允許安全系數(shù);考慮地震的情況下安全系數(shù)為1.117，略小于允許安全系數(shù)。也就是說，在發(fā)生7級地震(振動(dòng)影響系數(shù)取0.025)的特殊工況下臺階邊坡可能發(fā)生破壞。那么，只要通過調(diào)整平臺寬度，保證整體邊坡在有地震的情況下的安全系數(shù)大于允許安全系數(shù)，就可以滿足排土場整體穩(wěn)定的要求，綜合考慮，白馬鐵礦Ⅳ排土場邊坡單臺階允許高度確定為40 m。

3 排土場平臺寬度的確定

白馬鐵礦Ⅳ排土場是多臺階排土場，排土場的穩(wěn)定性不僅和單臺階的高度有關(guān)，還和平臺的寬度有著直接的聯(lián)系;選擇合理的平臺寬度既可以滿足排土場整體穩(wěn)定的需要，同時(shí)也能為礦山取得好的經(jīng)濟(jì)效益創(chuàng)造有利條件。本次排土場平臺寬度的確定是根據(jù)前面所確定的單臺階高度和單臺階邊坡角，對Ⅳ排土場所選定的A、B剖面，在考慮地震和地下水的情況下，運(yùn)用余推力法對不同平臺寬度的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算［4］，通過各剖面平臺寬度和安全系數(shù)的回歸最終確定最小的平臺寬度。在剖面進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，剖面坡頂坐標(biāo)不變，平臺寬度分別選擇30、40、50 m，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表3，回歸結(jié)果見圖3～圖6。

表3 各剖面不同平臺寬度計(jì)算結(jié)果

從各剖面不同平臺寬度和所對應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)回歸可以確定安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)的最小平臺寬度，計(jì)算結(jié)果見表4。

圖3 A剖面平臺寬度和安全系數(shù)回歸(不考慮地震)

圖4 A剖面平臺寬度和安全系數(shù)回歸(考慮地震)

圖5 B剖面平臺寬度和安全系數(shù)回歸(不考慮地震)

圖6 B剖面平臺寬度和安全系數(shù)回歸(考慮地震)

表4 各剖面達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的最小平臺寬度

從表4中可以看出:A剖面在不考慮地震的情況下最小平臺寬度為29.284 m，A剖面在考慮地震的情況下最小平臺寬度為47.494 m;B剖面在不考慮地震的情況下最小平臺寬度為28.400 m，B剖面在考慮地震的情況下最小平臺寬度為46.749 m。綜合上面各剖面的計(jì)算結(jié)果，臺階高度取40 m、平臺寬度取50 m比較合適，根據(jù)此排土場邊坡參數(shù)，對A、B剖面進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，計(jì)算出整體破壞示意圖見圖7～圖8。

圖7 A剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖8 B剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

白馬鐵礦Ⅳ排土場屬于多臺階覆蓋式排土場，排土場邊坡臺階邊坡角為散體物料的自然安息角。為確保排土場邊坡的穩(wěn)定，運(yùn)用了極限平衡分析法中的余推力法計(jì)算不同臺階高度和不同平臺寬度時(shí)臺階邊坡和整體邊坡的穩(wěn)定性，采用了最小二乘法來確定安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)所對應(yīng)的臺階高度為40 m，平臺寬度為50 m，確定了排土場邊坡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

［1］ 四川省蜀通巖土工程公司.攀鋼(集團(tuán))公司白馬鐵礦Ⅳ廢石場巖土工程勘察報(bào)告［R］.攀枝花:攀鋼(集團(tuán))公司，2007.

［2］ 中冶長天國際工程有限責(zé)任公司.白馬鐵礦設(shè)計(jì)說明書［R］.攀枝花:攀鋼(集團(tuán))公司，2005.

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.AQ2005—2005 金屬非金屬礦山排土場安全生產(chǎn)規(guī)則［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［4］ 中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司.露天礦排土場高臺階排土安全穩(wěn)定性與堆浸排土參數(shù)優(yōu)化研究［R］.馬鞍山:中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，2002.

［5］ 冶金工業(yè)部馬鞍山礦山研究院.高臺階排土場穩(wěn)定性及監(jiān)測技術(shù)的研究［R］.馬鞍山:中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，1990.