某多臺(tái)階排土場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)化分析及穩(wěn)定性研究

韓亞兵

（北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628）

排土場(chǎng)是一種特殊的人工建造形成的高、大散體介質(zhì)堆積體，用于集中堆存礦山采礦排棄物。國(guó)內(nèi)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)追求“最少征地、最大容量、盡可能離露天采場(chǎng)近”，逐漸形成了排土場(chǎng)高（如南芬礦廟兒溝280m、朱家包包鐵礦148m～280m、紫金山金礦江山崠單臺(tái)階450m）[1-3]、坡度陡的局面，導(dǎo)致了部分排土場(chǎng)穩(wěn)定性不佳，滑坡事故日益嚴(yán)重。因此，為保證排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性，有必要對(duì)排土場(chǎng)的堆置參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。排土場(chǎng)堆置參數(shù)主要包括排土場(chǎng)總高度、單臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角、安全平臺(tái)寬度以及排土場(chǎng)容積。

為此，國(guó)內(nèi)外專家與學(xué)者對(duì)排土場(chǎng)堆置參數(shù)從不同角度展開了研究。王婉青利用Slide軟件對(duì)某排土場(chǎng)的典型剖面建模進(jìn)行穩(wěn)定性分析，最終得到最佳的排土場(chǎng)堆置參數(shù)；周亞博通過(guò)建立排巖工作的運(yùn)輸成本及管理費(fèi)用與堆置參數(shù)的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，得出某露天礦以排土場(chǎng)穩(wěn)定性及排巖成本為優(yōu)化目標(biāo)的排土場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)選模型；羅陽(yáng)華等研究了不同堆置方式時(shí)空效應(yīng)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響；郭成等[8]計(jì)算排土場(chǎng)在不同臺(tái)階高度和平臺(tái)寬度下的邊坡安全系數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)臺(tái)階高度和安全系數(shù)及平臺(tái)寬度和安全系數(shù)進(jìn)行回歸計(jì)算，逐步優(yōu)化排土場(chǎng)的堆置要素。本文通過(guò)GEO-STUDIO軟件對(duì)某多臺(tái)階排土場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，獲取該排土場(chǎng)的最佳堆置參數(shù)。

1 工程概況

多臺(tái)階排土場(chǎng)為某礦山現(xiàn)用排土場(chǎng)，地震設(shè)防烈度為7度。設(shè)計(jì)排土標(biāo)高為170m、210m、250m、300m、330m，最大排土高度為250m，臺(tái)階高度為40m～50m，單臺(tái)階寬度30m，臺(tái)階的邊坡角為自然安息角37.5°，設(shè)計(jì)排土容量為2.06億m3。而現(xiàn)場(chǎng)排土情況為：排土場(chǎng)西北向大部分區(qū)域已經(jīng)排土接近210m，大部分170m處未設(shè)置平臺(tái)，南側(cè)區(qū)域排土接近160m，排土最高標(biāo)高211.83m，最低標(biāo)高67.95m。目前排巖機(jī)在196m水平初始平臺(tái)排土作業(yè)。鑒于現(xiàn)狀排土工藝未按設(shè)計(jì)要求開展，為保證排土場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需開展排土場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)化工作。

2 排土場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣開展室內(nèi)排土物料、第四系殘坡積土及基巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)，獲取主要力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 排土料及地基土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 單臺(tái)階高度優(yōu)化

本次排土場(chǎng)單臺(tái)階高度的優(yōu)化方法為，在確定單臺(tái)階坡面角（37.5°）的前提下，利用GEO-STUDIO/SLOPE模塊分別對(duì)單臺(tái)階高度為30m、40m、50m、60m的排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，運(yùn)用Ordinary法計(jì)算出單臺(tái)階不同高度時(shí)的安全系數(shù)。參考《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50421-2007）中關(guān)于邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)宜取1.15～1.30的規(guī)定，本次計(jì)算中排土場(chǎng)各工況下的安全系數(shù)不得小于1.15。本次優(yōu)化計(jì)算暫未考慮地下水影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同單臺(tái)階高度時(shí)的安全系數(shù)

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，臺(tái)階高度在30m、40m、50m三種情況下單臺(tái)階邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求?？紤]到單臺(tái)階穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程中未考慮地形、地質(zhì)及降雨等復(fù)雜工況影響，其穩(wěn)定性應(yīng)具有足夠的安全余量。初步擬定該排土場(chǎng)單臺(tái)階高度為45m。

2.3 臺(tái)階平臺(tái)寬度優(yōu)化

臺(tái)階平臺(tái)寬度較大，排土場(chǎng)穩(wěn)定性高，受容能力小。因此，選擇合理的平臺(tái)寬度既可以滿足排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的要求。本次排土場(chǎng)平臺(tái)寬度的優(yōu)化是在上述臺(tái)階邊坡角（37.5°）和單臺(tái)階高度（45m）優(yōu)化的基礎(chǔ)上展開分析。分別對(duì)單臺(tái)階寬度為25m、30m、35m、40m、45m的排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，運(yùn)用Ordinary法計(jì)算出單臺(tái)階不同高度時(shí)的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同臺(tái)階寬度時(shí)的安全系數(shù)

鑒于本次排土場(chǎng)平臺(tái)寬度優(yōu)化過(guò)程中未考慮地形地質(zhì)、地下水以及降雨等復(fù)雜工況的影響，為保證排土場(chǎng)具有足夠的安全儲(chǔ)備，擬定本次排土場(chǎng)平臺(tái)優(yōu)化允許最小安全系數(shù)為1.30。從不同安全臺(tái)階寬度和邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)回歸分析可以確定安全系數(shù)為允許安全系數(shù)時(shí)的最小安全臺(tái)階寬度。

2.4 排土場(chǎng)優(yōu)化后堆置方案

原設(shè)計(jì)中排土場(chǎng)排土標(biāo)高為170m、210m、250m、300m，330m，最大排土高度為250m，而現(xiàn)場(chǎng)西北向大部分區(qū)域排至210m標(biāo)高，170m標(biāo)高基本未按設(shè)計(jì)設(shè)置平臺(tái)，南側(cè)區(qū)域排土接近160m，鑒于實(shí)際排土現(xiàn)狀，根據(jù)臺(tái)階高度、寬度優(yōu)化結(jié)果及生產(chǎn)管理需求，在確定現(xiàn)狀工況穩(wěn)定的前提下，最終確定的優(yōu)化參數(shù)為：臺(tái)階標(biāo)高調(diào)整為160m、195m、240m、285m、330m，其中排土現(xiàn)狀已經(jīng)接近195m且160m未留平臺(tái)的區(qū)域在后期排土過(guò)程中也按照該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留平臺(tái)進(jìn)行排土，排土未到160m區(qū)域后期應(yīng)在160m高度處與預(yù)留相應(yīng)平臺(tái)。單臺(tái)階高度分別為35m、45m、45m、45m，平臺(tái)寬度為30m。

3 優(yōu)化后排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算基本參數(shù)

優(yōu)化后排土場(chǎng)共分5個(gè)臺(tái)階進(jìn)行堆排，臺(tái)階標(biāo)高分別為160m、195m、240m、285m、330m，臺(tái)階坡面角37.5°，單個(gè)臺(tái)階高度35m～45m，平臺(tái)寬度30m。計(jì)算選取的典型剖面如圖1、圖2。

圖1 優(yōu)化后排土場(chǎng)典型剖面

圖2 優(yōu)化后排土場(chǎng)網(wǎng)格模型圖

本次計(jì)算中，排土場(chǎng)自上而下依次為：排土物料、第四系殘坡積層和基巖，主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算選取降雨10天，停雨10天，歷時(shí)20天的降雨邊界，當(dāng)?shù)剡B續(xù)10d最大降雨量為1.4×10-5m/s。

3.2 正常、降雨、地震工況穩(wěn)定性分析

（1）正常、降雨、地震工況下，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)能夠滿足《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，排土場(chǎng)邊坡較為穩(wěn)定。

（2）三種工況下排土場(chǎng)最小安全系數(shù)滑動(dòng)面為深層滑動(dòng)面，劃弧劃入點(diǎn)位置一般位于頂部排土平臺(tái)，劃出點(diǎn)則位于斜坡面的坡腳位置。

（3）降雨工況下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性較小。分析其原因?yàn)閺?qiáng)降雨作用下在邊坡表層形成了暫態(tài)飽和區(qū)，基質(zhì)吸力消散，材料強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致安全系數(shù)下降。

4 結(jié)論

（1）得到最佳的排土場(chǎng)堆置參數(shù)為：臺(tái)階標(biāo)高調(diào)整為160m、195m、240m、285m、330m，單臺(tái)階高度分別為35m、45m、45m、45m，平臺(tái)寬度為30m；

（2）典型剖面進(jìn)行正常、降雨及地震工況下穩(wěn)定性分析，得出邊坡安全系數(shù)為1.424、1.306、1.205，均大于1.15，優(yōu)化參數(shù)合理可靠。