凹山排土場(chǎng)坡腳挖損后的安全評(píng)價(jià)及治理方案

洪振川 王廣成 朱末琳 陳樹(shù)召 韓 流

（1.馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司南山礦業(yè)公司，安徽 馬鞍山243000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

排土場(chǎng)是露天礦用于堆放剝離物或者尾礦等廢棄物的場(chǎng)所［1-2］，其穩(wěn)定與否直接影響到整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)安全［3］。比如露天礦靠近端幫的排土場(chǎng)出現(xiàn)失穩(wěn)，會(huì)影響到下部幫坡的安全和道路設(shè)備的正常布置；外排土場(chǎng)的穩(wěn)定性將直接影響排土場(chǎng)容量設(shè)置以及后期排土工程的接續(xù)；內(nèi)排土場(chǎng)的安全穩(wěn)定會(huì)影響采場(chǎng)下部工作臺(tái)階的人員設(shè)備安全［4］。因此，對(duì)于露天礦而言，保證露天礦山的安全生產(chǎn)首先應(yīng)保證其排土場(chǎng)在服役期間的安全穩(wěn)定［5］。

1 凹山排土場(chǎng)現(xiàn)狀

馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司南山礦業(yè)公司凹山排土場(chǎng)主要承擔(dān)凹山采場(chǎng)、和尚橋采場(chǎng)土巖以及礦石預(yù)選粗粒尾砂的堆排任務(wù)。凹山排土場(chǎng)北側(cè)邊坡坡腳多處被挖損、取土，造成排土臺(tái)階邊坡角增大，產(chǎn)生局部滑坡，見(jiàn)圖1，坡腳排水溝局部被堵塞。目前排土場(chǎng)北部最上臺(tái)階標(biāo)高+135 m，最下臺(tái)階標(biāo)高+81 m，其間設(shè)置+115 m和+135 m 2個(gè)排土平臺(tái)，臺(tái)階局部位置已實(shí)現(xiàn)并段排棄，并段后臺(tái)階高度10～45 m。排土場(chǎng)北側(cè)與馬鞍山市環(huán)衛(wèi)向山垃圾處理廠垃圾填埋區(qū)僅一路之隔。排土場(chǎng)北側(cè)坡腳處靠西頭堆置有少量尾砂，尾砂堆高1～3 m。

為了確保凹山排土場(chǎng)的邊坡安全，防止其對(duì)于周邊地區(qū)和馬鞍山市南山礦業(yè)公司的生產(chǎn)造成影響，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的理論方法同時(shí)結(jié)合相關(guān)技術(shù)手段對(duì)坡腳挖損區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并結(jié)合分析結(jié)果為排土場(chǎng)提供治理方案，避免發(fā)生重大邊坡安全事故。

2 區(qū)域地質(zhì)地形條件分析

2.1 排土場(chǎng)基底地質(zhì)地形條件

凹山排土場(chǎng)地基地形地貌屬剝蝕丘陵，地形地伏平緩，排土場(chǎng)四面環(huán)山，西臨金山和殿安山，南部為徐山，東北部為大橋山。排土場(chǎng)基底地形基本呈北高南低，梯田、水塘、水庫(kù)零星分布，北部低洼處標(biāo)高約60～70 m，南部低洼處標(biāo)高約30～40 m。場(chǎng)地內(nèi)有零星小山頭，高程在+60～80 m之間。場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要有4條溝谷，由北至南高程逐漸降低，西高東低，溝谷縱坡平緩，寬度較大，多呈“U”形溝。

排土場(chǎng)原溝谷和洼地部分分布有第四系沖擊亞黏土及坡積物?；變?nèi)未見(jiàn)斷層。地基巖體裂隙相當(dāng)發(fā)育，以陡傾角裂隙為主，排土場(chǎng)基底地形平緩，層狀堆排的排土臺(tái)階與裂隙垂直，因此由于節(jié)理裂隙造成的影響可以不用考慮。

2.2 排土場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

整治區(qū)屬北亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均降雨量1 174 mm，年平均氣溫為16℃，年最高氣溫39.5℃，年最低氣溫為-13℃。含水層方面，凹山排土場(chǎng)主要包括基巖裂隙含水層與孔隙含水層。

排土場(chǎng)范圍內(nèi)未見(jiàn)大量流水，且地形平緩。凹山礦區(qū)位于銅陵～揚(yáng)州地震帶西南段，小震活動(dòng)比較頻繁，有記錄的最大地震是1967年7月11日發(fā)生于馬鞍山的4.6級(jí)地震，震中烈度為6度，因此設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。北東向的長(zhǎng)江破碎帶及北西向斷裂帶是區(qū)內(nèi)的主要新構(gòu)造，活動(dòng)強(qiáng)度一般，區(qū)內(nèi)應(yīng)屬較穩(wěn)定區(qū)。

3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析方法

近年來(lái)，在邊坡穩(wěn)定性方面表現(xiàn)得較為科學(xué)有效的方法包括極限平衡法、有限差分法和有限元法［6-7］。尤其以極限平衡法最為突出，作為應(yīng)用最多、認(rèn)可度最廣泛一種分析方法，極限平衡法在諸多邊坡穩(wěn)定性分析中得到應(yīng)用。極限平衡法采用將抗滑力與下滑力作比或?qū)⒖够嘏c下滑力矩作比，作比后得到的數(shù)值即為邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs，F(xiàn)s的判別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值是1：大于1則判定邊坡穩(wěn)定，小于1則判定邊坡將失穩(wěn)，等于1時(shí)邊坡處于極限平衡狀態(tài)。經(jīng)典的極限平衡分析法有Fellenius條分法、Bishop法、Janbu普通條分法、Spencer法、Sarma法等條分法。

根據(jù)極限平衡法的基本計(jì)算方法，將所要計(jì)算的滑體等分或者不等分地劃分為多個(gè)垂直的計(jì)算分條，并假設(shè)每個(gè)計(jì)算分條上所受的所有力都通過(guò)分條底面的中點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算每一分條上的抗滑力和下滑力對(duì)圓心的矩，并將所有的計(jì)算值分別求和后作比，得到該邊坡沿該滑面滑動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)，如圖2所示。然后分別計(jì)算不同滑面圓心位置的穩(wěn)定性系數(shù)，最后得到的多組數(shù)值中，最小的一組即為該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

采用Fellenius條分法計(jì)算滑體穩(wěn)定系數(shù)Fs為：

式中，F(xiàn)s為穩(wěn)定性系數(shù)；C為土體的黏聚力，kPa；li為滑動(dòng)面圓弧總長(zhǎng)，m；Wi為第i條條塊土體重力，kPa；βi為第i條條塊底化面傾角，（°）；φ為土體的內(nèi)摩擦角，（°）。

基于極限平衡分析原理，選擇GEO-studio軟件中的Slope模塊進(jìn)行穩(wěn)定性分析。GEO-studio作為二維分析軟件，在巖體工程上的應(yīng)用效果良好，對(duì)于存在弱層、斷層、含水量大等特殊位置的穩(wěn)定性分析［8］，可以選擇特殊位置的剖面進(jìn)行針對(duì)性分析，Slope模塊分析之后得到的Bishop法、Janbu法、Spencer法及Morgenstern-Price法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取較為合適且相對(duì)保守的穩(wěn)定系數(shù)。在計(jì)算過(guò)程中，邊坡整體結(jié)構(gòu)可以直接導(dǎo)入軟件中，方便快捷，準(zhǔn)確度高。綜合以上的基礎(chǔ)條件，最終確定選擇GEO-studio這款軟件進(jìn)行凹山排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析。

4 排土場(chǎng)巖體分層及物理力學(xué)參數(shù)分析

4.1 排棄物成分和特點(diǎn)

排土場(chǎng)尤其是金屬礦山排土場(chǎng)排棄的物料主要為散體物料，凹山排土物料主要包括凝灰?guī)r基巖、地基土，部分區(qū)域尚有少量尾砂。不同礦山之間由于地質(zhì)條件、排土工藝等方面的差異使得礦山排土場(chǎng)內(nèi)排棄物料的塊度分布規(guī)律不盡相同。而在排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算及分析過(guò)程中，介質(zhì)分區(qū)和力學(xué)指標(biāo)的選取均受排棄物塊度分布影響極大。從實(shí)際來(lái)看，無(wú)論采取推土機(jī)間斷排土工藝還是排土機(jī)連續(xù)排土工藝，物料的自然滾落決定了大塊物料被置于排土場(chǎng)底部，較小塊的物料位于排土場(chǎng)中部位置，而小塊物料則分布于排土場(chǎng)表層。這是排土場(chǎng)物料的基本分布規(guī)律。

排土場(chǎng)物料的分布規(guī)律決定了其力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為散體物料的特點(diǎn)，而散體物料的力學(xué)性質(zhì)又多取決于原巖巖性、散體本身的塊度及重度等參數(shù)。在采用相同爆破工藝情況下，堅(jiān)硬巖石的粉碎程度較軟巖表現(xiàn)得相對(duì)較弱，即硬巖多形成塊度較大的破碎體，而軟巖爆破后的塊度則相對(duì)較小，因而通過(guò)分析散體塊度組成可以得到其巖性構(gòu)成。而對(duì)于排土場(chǎng)散體物料重度而言，其與塊度有密不可分的關(guān)系：當(dāng)松散體塊度較為均勻時(shí)，其重度也相對(duì)較大。因此，決定排土場(chǎng)排棄物料力學(xué)特征的主要參數(shù)為松散體原巖性質(zhì)及塊度組成。

除此之外，松散物料在排土場(chǎng)堆載的時(shí)間不同［9-10］，受到堆載壓力和水的影響，散體物料開(kāi)始重塑膠結(jié)，強(qiáng)度也隨著變化，這樣就造成了排土場(chǎng)不同層位的巖性強(qiáng)度存在差異［11-12］。因此，如果將排土場(chǎng)作為均質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，則會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。為了保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行分層參數(shù)賦值就顯得十分必要，其評(píng)價(jià)結(jié)果可信度也相對(duì)較高。

4.2 排棄場(chǎng)層位劃分及力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)排土場(chǎng)的排土程序，按照高程從上向下依次劃分為排土層1、排土層2和排土層3這3個(gè)層位，排土場(chǎng)下部為地基土，見(jiàn)圖3。根據(jù)圖3中的邊坡結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。

根據(jù)排土場(chǎng)的排棄順序和時(shí)間，將排土場(chǎng)劃分為3個(gè)層位，每個(gè)層位和基底的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

?

排土場(chǎng)物料力學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部孔隙水壓力、外部載荷以及其他多種因素均對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性造成影響，但各個(gè)因素對(duì)于穩(wěn)定性影響程度大小卻不盡相同，理論研究及工程實(shí)踐均反映出各因素之間存在主次之分。因此，在排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析過(guò)程中應(yīng)抓住主要影響因素，將其余因素用作對(duì)分析結(jié)果的調(diào)整及驗(yàn)證，便能相對(duì)準(zhǔn)確地得到排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析結(jié)果。

5 排棄場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理方案

根據(jù)圖3中的排土場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)和表1中的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，采用GEO-studio分析軟件建立對(duì)應(yīng)的排土場(chǎng)邊坡模型，將排土場(chǎng)相關(guān)力學(xué)參數(shù)賦予模型中，最終得到排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.023，見(jiàn)圖4。

從評(píng)價(jià)結(jié)果可知，排土場(chǎng)目前的穩(wěn)定性接近于極限平衡狀態(tài)（Fs=1.0），受到其他荷載的影響，很容易形成滑坡。按照邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，長(zhǎng)期存在的邊坡，其穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.20以上。因此，需要對(duì)挖損的坡腳進(jìn)行回填，起到壓腳的作用，并對(duì)回填后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，確定最佳的回填尺寸。回填區(qū)域由于是剛排棄的松散物料，因此，其力學(xué)參數(shù)按照排土層1的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。不同回填寬度對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)如圖5所示。

根據(jù)以上不同壓腳寬度對(duì)應(yīng)的排土層穩(wěn)定性分析結(jié)果，排土場(chǎng)穩(wěn)定性與壓腳寬度的變化規(guī)律擬合后的結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，排土場(chǎng)穩(wěn)定性隨著回填壓腳寬度的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，擬合度較高。按照這一線性規(guī)律，排土場(chǎng)穩(wěn)定性要滿足不小于1.20時(shí)，回填壓腳的寬度應(yīng)達(dá)到15.9 m，按照這一寬度建立回填后的排土場(chǎng)邊坡模型，并進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得到此時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為1.201，見(jiàn)圖7。

從上述分析結(jié)果可知，在排土場(chǎng)挖損區(qū)域的回填壓腳寬度為15.9 m時(shí)，可以保證排土場(chǎng)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，即Fs＞1.20。因此，可以確定最佳的回填寬度為15.9 m。

6 結(jié)論

（1）分析了凹山排土場(chǎng)基底的地層結(jié)構(gòu)呈北高南低的特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的水源主要來(lái)自地下水和地表水下滲補(bǔ)給，該排土場(chǎng)不存在形成泥石流的隱患，區(qū)域地震烈度不高。

（2）根據(jù)排土場(chǎng)的邊坡特點(diǎn)，選擇極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，考慮排土程序和堆載時(shí)間的差異，將排土場(chǎng)進(jìn)行分層賦參數(shù)，建立了排土場(chǎng)邊坡模型。

（3）采用GEO-studio分析現(xiàn)狀排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)為1.023，接近極限平衡狀態(tài)，不滿足規(guī)范要求，采用回填壓腳的方式，可提高排土場(chǎng)穩(wěn)定性。

（4）排土場(chǎng)穩(wěn)定性隨著回填壓腳寬度的增大呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)壓腳寬度達(dá)到15.9 m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.20以上。