厄瓜多爾米拉多銅礦南排土場穩(wěn)定性分析

李長城

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

排土場是露天礦生產(chǎn)過程中用來堆放剝離物的場址[1]，排土場的不穩(wěn)定直接干擾露天礦的正常生產(chǎn)，甚至對礦山的人員造成一定的傷亡[2-3]。在露天邊坡治理方面，我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。吳敏強(qiáng)等[4]以牙根水電站邊坡為研究對象，通過數(shù)值模擬與理論分析對動(dòng)載荷作用下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出了嚴(yán)格極限平衡法，與傳統(tǒng)極限平衡法計(jì)算結(jié)果誤差較小，且可與數(shù)值模擬結(jié)果相對應(yīng)。張?jiān)迄i等[5]根據(jù)相似定律制作了相似模型，研究了地震作用下摩擦塊的速度時(shí)程曲線，確定了摩擦塊在動(dòng)載荷作用下的安全系數(shù)；龍偉文[6]通過分析水庫邊坡失穩(wěn)形式與地震對水庫邊坡的影響，建立了邊坡失穩(wěn)動(dòng)力分析模型，對控制邊坡具有一定的指導(dǎo)作用；王玉凱等[7]系統(tǒng)研究了軟弱基底排土場的受力特點(diǎn)與變形特征，對比分析了2 種工況下排土場的的變形破壞特征，表明天然基底排土場的穩(wěn)定程度遠(yuǎn)大于飽和基底排土場；韓萬東等[8]通過理論分析與數(shù)值模擬確定了勝利一號露天煤礦內(nèi)排土場的穩(wěn)定系數(shù)，證明了極限平衡理論的正確性，對治理危險(xiǎn)邊坡具有一定的借鑒意義；袁遠(yuǎn)等[9]采用GEO－Slope 對安太堡礦排土場邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究，分析了邊坡破壞規(guī)律，并針對性提出了壓腳措施，大幅縮減了變形范圍，保證了排土場邊坡的安全穩(wěn)定。

以厄瓜多爾米拉多銅礦南排土場二期終了設(shè)計(jì)為例，從排土場動(dòng)載荷（地震）、水文條件等幾個(gè)影響因素，詳細(xì)論述了二期終了堆排設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，并計(jì)算了排土場二期終了堆排設(shè)計(jì)中各剖面在自然工況、降雨工況和地震工況下的安全系數(shù)，從而提出針對二期設(shè)計(jì)的堆排建議及注意事項(xiàng)。

1 工程概況

厄瓜多爾米拉多銅礦地處南美洲厄瓜多爾國東南部，氣候及自然條件具有鮮明的特點(diǎn)，年降雨量在2 000 mm 左右，地表植被茂密、溝壑縱橫，地表水和地下水豐富。同時(shí)該礦區(qū)處在環(huán)太平洋地震帶上，地震等級較高。礦區(qū)南排土場位于采區(qū)東南部，南排土場總共分為一期、二期和三期排土場，總?cè)萘考s為9 800 萬m3。其中一期排土場設(shè)計(jì)最終標(biāo)高1 300 m水平，容積為670 萬m3。一期物料多為砂質(zhì)黏土、砂、強(qiáng)風(fēng)化料，質(zhì)地松軟、破碎、穩(wěn)固性差，石料相對較少，因此對一期原設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化，目前一期按優(yōu)化后設(shè)計(jì)已經(jīng)在基建剝離期堆排完畢。二期排土場在一期排土場之上繼續(xù)堆存，標(biāo)高在1 300～1 500 m 水平之間，容積約為6 030 萬m3。目前礦山已經(jīng)進(jìn)入采礦期，開始二期堆排，針對南排土場二期終了設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 影響排土場穩(wěn)定性主要因素和穩(wěn)定性分析方法

1）動(dòng)載荷。該礦區(qū)屬于環(huán)太平洋地震帶，地震基本烈度為Ⅷ度。因此，需考慮動(dòng)載荷（地震）對礦區(qū)南排土場穩(wěn)定性的影響。露天礦排土場穩(wěn)定性分析一般要加入爆破振動(dòng)影響因素，由于露天采場不斷擴(kuò)幫，與排土場距離逐漸縮小，爆破擾動(dòng)對排土場的影響不可忽視。

2）水文條件。由于氣候的特殊性，礦區(qū)排土場地表水與地下水發(fā)育，因此需考慮水文地質(zhì)條件對排土場穩(wěn)定性影響。

3）邊坡穩(wěn)定性分析方法。目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法非常繁多，其中簡化Bishop 法因其計(jì)算簡便且精度高便成為最普遍的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法之一，為此本次采用簡化Bishop 法計(jì)算[10]。

3 排土場等級及允許安全系數(shù)

1）南排土場的設(shè)計(jì)等級。根據(jù)GB 50421—2018《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，排土場的設(shè)計(jì)等級應(yīng)根據(jù)使用期內(nèi)排土容積V、排土場的地形條件、排棄物堆置最終高度H 等因素確定。排土場設(shè)計(jì)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。米拉多銅礦南排土場終了設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 220～1 500 m 水平，終了堆排高度280 m，容積約9 800 萬m3，因此確定等級為一級。

表1 排土場設(shè)計(jì)等級

2）南排土場安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)取值。根據(jù)GB 50421—2018《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第7.4.2 條，一級排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)Ks取值宜取1.25～1.3，排土場穩(wěn)定性應(yīng)校核降雨工況與地震工況。最終得出二期終了設(shè)計(jì)排土場在不同工況下的最小安全系數(shù)取值見表2。

表2 排土場最小安全系數(shù)許用值

4 穩(wěn)定性分析及結(jié)果

合理的剖面直接關(guān)系到邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。南排土場二期終了設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析共計(jì)算了A－A＇、B－B＇、C－C＇、D－D＇、E－E＇ 5 個(gè)剖面，所選取的5 個(gè)剖面具有一定代表性，能相對全面地反映出礦區(qū)南排土場的堆置情況，對礦區(qū)排土場的穩(wěn)定性研究具有一定的可靠性。排土場各剖面平面位置分布圖如圖1。

圖1 排土場各剖面平面位置分布圖

對選取的5 個(gè)剖面分別計(jì)算了自然工況、降雨工況、地震工況下的安全系數(shù)，不同工況條件下各剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖2～圖6。將上述結(jié)果繪制成折線的不同剖面最小安全系數(shù)折線圖如圖7。

圖2 A-A＇剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖3 B-B＇剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖4 C-C＇剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖5 D-D＇剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖6 E-E＇剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖7 不同剖面最小安全系數(shù)折線圖

由圖7 可知：二期終了排土場設(shè)計(jì)中B－B＇、DD＇ 剖面在3 種不同工況下都可以達(dá)到最小安全系數(shù)許用要求；A－A＇、C－C＇ 剖面在自然工況和降雨工況下可以達(dá)到安全系數(shù)許用要求，但在地震荷載作用下其最小安全系數(shù)小于規(guī)范的下限要求，須采取有效的堆排要求或工程措施；E－E＇剖面在不同工況下都不能達(dá)到安全系數(shù)許用要求，應(yīng)采取有效措施保證排土場安全，使其穩(wěn)定性符合要求。當(dāng)各剖面在各種工況條件下達(dá)到最小安全系數(shù)時(shí)才能進(jìn)行排土場的運(yùn)行。

不同工況下最小安全系數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，對米拉多銅礦南排土場安全起決定性的荷載組合為地震工況。由于礦區(qū)位于安第斯山褶皺系，屬于環(huán)太平洋地震帶范圍，該地區(qū)屬于地震頻發(fā)地區(qū)，參照中國恩菲工程技術(shù)有限公司提交的《厄瓜多爾南排土場邊坡穩(wěn)定性研究》，礦區(qū)地震基本烈度為8 度。如此強(qiáng)大的地震荷載作用下，邊坡最小安全系數(shù)大幅降低，使得地震工況成為排土場邊坡的最危險(xiǎn)工況，礦方應(yīng)對排土場結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到防震要求。米拉多銅礦所在地區(qū)年降雨量大，在強(qiáng)降雨作用下排土場坡面會形成表面徑流和沖溝，從而引發(fā)局部失穩(wěn)甚至連鎖式組合臺階失穩(wěn)，且排土場匯水面積較大，排土場坡面很容易形成匯水與徑流，礦方應(yīng)加以重視，定期對坡面進(jìn)行修整、壓實(shí)，完善礦區(qū)南排土場的排水疏干系統(tǒng)。

5 結(jié)語

南排土場在自然、降雨和地震工況條件下的最小安全系數(shù)下限為1.25、1.20、1.15。在3 種不同工況下，B－B＇、D－D＇剖面的安全系數(shù)大于要求下限，符合規(guī)范；地震工況下，A－A＇、C－C＇ 剖面安全系數(shù)不足1.15，須采取有效堆排要求或其他工程措施；E－E＇剖面在3 種工況條件下的安全系數(shù)都低于規(guī)范下限，必須采取必要工程措施甚至改變堆排結(jié)構(gòu)參數(shù)。