某露天礦內(nèi)擴(kuò)排土場邊坡穩(wěn)定性分析

徐 攀 宮明琪

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊）

近年來，對露天礦排土場安全穩(wěn)定性的研究一直是重點(diǎn)關(guān)注問題，并且取得不少研究成果［1-2］。黃敏等［3］基于有限差分法，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對某露天礦山現(xiàn)狀邊坡最大不平衡力、塑性區(qū)和邊坡安全系數(shù)進(jìn)行了計算。馮輝等［4］在對比分析常用邊坡穩(wěn)定性分析方法的基礎(chǔ)上，采用有限元強(qiáng)度折減法，利用數(shù)值計算軟件計算了具有軟弱夾層的排土場邊坡安全系數(shù)，為礦山邊坡治理提供了參考。張濤等［5］采用Geo-slope極限平衡理論和FLAC2D相結(jié)合的方法，分析了某礦山排土場現(xiàn)狀工況和極限堆高工況下的邊坡安全系數(shù)，為礦山排土場建設(shè)提供了建議指導(dǎo)。然而，這些工程應(yīng)用研究中，大多工程研究對象是已經(jīng)堆排結(jié)束或是堆排中的排土場邊坡，屬于“事后研究”，缺乏從設(shè)計之初就從邊坡安全性的角度出發(fā)，將排土場穩(wěn)定性分析融入設(shè)計，以對新設(shè)計的排土場邊坡參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而再轉(zhuǎn)入排土場的施工。

本研究以某露天礦即將新設(shè)計的7#坑內(nèi)擴(kuò)排土場為研究對象，在排土場施工之前，基于極限平衡法，采用Slide數(shù)值分析軟件，從設(shè)計角度出發(fā)，分別計算不同工況下的排土場邊坡安全系數(shù)，并參考《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對排土場邊坡安全系數(shù)的要求，對計算結(jié)果進(jìn)行評價，同時為相關(guān)設(shè)計單位提供新的工作思路。

1 工程概況

某露天礦7#坑現(xiàn)狀最低開采標(biāo)高為2 250 m，最高開采標(biāo)高為2 388 m，臺階高度為10 m，安全平臺寬度為3 m，現(xiàn)狀露天采坑南北長800 m，東西寬500 m。7#坑北部和西部已開采至礦體底板，底板坡度在15°～28°，底板巖性為白云巖，一般原始地貌近地表風(fēng)化深度為3～6 m，底板巖石未風(fēng)化。采場底板、上盤和端部相關(guān)臺階整體穩(wěn)定性較好。

7#坑?xùn)|部為已經(jīng)運(yùn)行中的6#排土場，現(xiàn)狀排土場南北向長約1.2 km，東西向?qū)捈s0.55 km，堆存標(biāo)高為2 390～2 480 m，堆排臺階高度為20～30 m。

新探明的礦石資源位于7#坑采場南幫，此位置正好是礦山原設(shè)計排土場二期范圍。為開采此部分新探明礦石資源，需先將此部分礦石生產(chǎn)所剩的廢石排至6#排土場，待7#坑采場南部礦石開采結(jié)束后形成新的空區(qū)后，其作為礦山其他采場的排土場。最終，7#坑內(nèi)部會形成一個以空區(qū)為基礎(chǔ)的排土場。

根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，7#坑采場南幫形成的排土場實(shí)際堆存標(biāo)高為2 220～2 380 m，其中2 220～2 270 m標(biāo)高為凹陷露天堆平，2 270～2 380 m標(biāo)高為地表堆存；堆置段高有10和20 m；分段安全平臺寬度有10和20 m，平臺設(shè)返坡i=3%；設(shè)計邊坡坡面角為37.0°，整體坡面角為23.20°。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)設(shè)計可知，堆排結(jié)束后的排土場地表高度達(dá)110 m，為驗(yàn)證設(shè)計排土場邊坡參數(shù)的合理性，需在設(shè)計階段對排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析?；跇O限平衡法，采用Slide數(shù)值模擬軟件，從設(shè)計的排土場平面圖中，選取典型工程地質(zhì)剖面圖進(jìn)行數(shù)值計算，以分析其安全性。典型工程地質(zhì)剖面位置如圖1所示。為方便數(shù)值計算，對截得的剖面進(jìn)行概化處理，處理后的剖面如圖2所示。

2.1 物理力學(xué)參數(shù)

礦巖物理力學(xué)性質(zhì)是數(shù)值分析的關(guān)鍵［6］，根據(jù)礦山工程地質(zhì)勘察報告確定巖石物理力學(xué)參數(shù)。參考對排土場廢石結(jié)構(gòu)土石比2∶8的設(shè)計，確定本工程廢石分類為土石混合型。數(shù)值計算采用的巖土層及堆土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 研究方案設(shè)計

在排土場邊坡高度和坡角以及圍巖特性確定下，排土場內(nèi)廢石產(chǎn)生的自重應(yīng)力是排土場正常情況下安全運(yùn)行的關(guān)鍵［7-8］。除自重應(yīng)力外，排土場內(nèi)地下水也是威脅排土場邊坡安全的重要因素［9］。此外，參考《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50421—2018）可知，排土場作為礦山安全生產(chǎn)重大危險源，設(shè)計單位在對排土場邊坡安全性考慮時，不但要保證正常情況下的排土場邊坡安全，還要保證其在降雨、地震等極端條件下的安全，以確保排土場下游安全。故在對擬建的排土場邊坡安全性分析時，對選取的典型地質(zhì)剖面分別計算天然（自重）、降雨、地震3種工況條件下的邊坡安全系數(shù)。

2.3 計算結(jié)果分析

對排土場I—I典型地質(zhì)剖面邊坡安全系數(shù)進(jìn)行不同工況條件下計算，結(jié)果見圖3。

根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，7#坑南擴(kuò)內(nèi)排土場設(shè)計容積V0=1 343.50萬m3，排土場廢石堆置總高為110 m。參考《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50421—2018）中排土場設(shè)計等級（表2），確定7#坑南擴(kuò)內(nèi)排土場設(shè)計等級為二級。

由于7#坑內(nèi)擴(kuò)排土場邊坡設(shè)計等級為二級，且該排土場形成于露天采場內(nèi)采空區(qū)，周邊四鄰環(huán)境關(guān)系較為簡單，無重要構(gòu)建筑物，故根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50421—2018）確定該排土場自然工況下最小邊坡安全系數(shù)為1.20，降雨和地震工況下最小邊坡安全系數(shù)為1.15。

由圖3數(shù)值計算結(jié)果可知，7#坑內(nèi)擴(kuò)排土場在天然工況下邊坡安全系數(shù)為1.367，在降雨工況下邊坡安全系數(shù)為1.280，在地震工況下邊坡安全系數(shù)為1.182，且3種不同工況下的邊坡潛在滑移面均在排土場邊坡的頂部，潛在滑移面呈弧形。結(jié)合7#坑內(nèi)擴(kuò)排土場邊坡最小安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，在自然工況下（不考慮地震、降雨影響）邊坡整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于該工程等級對應(yīng)邊坡要求的安全系數(shù)，在考慮地震、降雨工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)也均滿足要求的1.15。計算結(jié)果表明擬設(shè)計的排土場邊坡參數(shù)是合理的。

3 結(jié) 論

（1）7#坑內(nèi)擴(kuò)排土場在天然工況下邊坡安全系數(shù)為1.367，在降雨工況下邊坡安全系數(shù)為1.280，在地震工況下邊坡安全系數(shù)為1.182，均大于《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》推薦的最小邊坡安全系數(shù)；邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果驗(yàn)證了擬設(shè)計排土場邊坡參數(shù)的合理性。

（2）3種不同工況下的邊坡潛在滑移面均集中在上部臺階，需對其重點(diǎn)關(guān)注；建議從設(shè)計上解決此問題，以全方位提高排土場邊坡的安全性。