銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究

涂欣強(qiáng)，劉 秋，楊朝云，周 鷺，陳 斌，李立華

（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200）

1 引言

礦山排土場(chǎng)是廢石堆存的重要場(chǎng)所，同時(shí)也是露天采礦場(chǎng)的重大危險(xiǎn)源之一。若排土場(chǎng)的穩(wěn)定性存在問題，不僅會(huì)嚴(yán)重制約礦山的安全生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)礦山人員和設(shè)備構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外露天開采領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-3］。張萌等[4］采用數(shù)值計(jì)算以及理論分析對(duì)某露天礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)臺(tái)階寬度對(duì)該礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響最為顯著；谷運(yùn)峰[5］采用理論計(jì)算以及模擬方法對(duì)某露天礦山排土場(chǎng)在不同高度的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)該排土場(chǎng)高度達(dá)到100 m時(shí)，排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)大幅度降低，不建議繼續(xù)排土升段；王天龍[6］將極限平衡理論與數(shù)值模擬相結(jié)合對(duì)某露天礦山排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，總結(jié)分析了在各類因素影響下排土場(chǎng)的穩(wěn)定性狀態(tài)。綜上所述，目前露天礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究方法主要有極限平衡理論和數(shù)值計(jì)算兩大類。在進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究時(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件選取較為適宜的研究方法，可以取得更可靠的研究成果。

隨著銀山礦業(yè)公司排土場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察以及儀器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，排土平臺(tái)出現(xiàn)了許多明顯的錯(cuò)臺(tái)裂縫，不僅對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成了較大威脅，同時(shí)嚴(yán)重制約了露天采礦場(chǎng)的安全高效生產(chǎn)。因此，亟須對(duì)百嶺灣排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析，為露天采礦場(chǎng)的安全高效生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)。

2 工程概況

2.1 計(jì)算工況

銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)于2005年設(shè)計(jì)并投入使用至今，前后使用接近 16a，一直采用的是汽車加推土機(jī)排土。截至 2021年7月，百嶺灣排土場(chǎng)最大堆積平臺(tái)標(biāo)高達(dá)270 m，最低標(biāo)高約105 m，總堆置高度約165 m。根據(jù)《中國地震等級(jí)區(qū)劃圖（2015）》，銀山礦百嶺灣排土場(chǎng)的地震等級(jí)小于Ⅵ級(jí)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可不進(jìn)行地震響應(yīng)及動(dòng)力穩(wěn)定性分析。為了對(duì)全工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，分別考慮了三種工況下現(xiàn)狀標(biāo)高的運(yùn)行情況。一是堆積層處于正常工作狀態(tài)，將實(shí)測(cè)的浸潤(rùn)線位置代入，稱為正常工況；二是考慮五十年一遇的降雨量，分析排土體內(nèi)浸潤(rùn)線變化規(guī)律，將最大降雨量情況下的浸潤(rùn)線代入，稱為最大降雨工況；三是排土場(chǎng)在某些特殊情況下，整個(gè)堆積層全部飽和，稱為全飽和工況。

2.2 計(jì)算剖面

基于現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)臺(tái)裂縫與堆積體的實(shí)際調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，在百嶺灣排土場(chǎng)的臨空坡面選取4個(gè)剖面對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，分別是Ⅰ-Ⅰ剖面、Ⅱ-Ⅱ剖面、Ⅲ-Ⅲ剖面、Ⅳ-Ⅳ剖面，四條剖面線的位置如圖 1所示，計(jì)算剖面圖如圖 2 所示。

圖1 計(jì)算剖面空間分布

圖2 各計(jì)算剖面圖

在百嶺灣排土場(chǎng)的穩(wěn)定性分析中，為了更好地模擬其水平分層，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)粒徑調(diào)查結(jié)果，將排土場(chǎng)堆積散體材料自上而下分為4層，分別為爆堆散體（未分級(jí)廢石）、堆積料上部、堆積料中部、堆積料下部。

3 百嶺灣排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究

3.1 研究方法

目前排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究已趨于成熟，根據(jù)不同的生產(chǎn)工況可將其分為極限平衡法、非線性有限單元法、有限差分法與可靠度分析法等研究方法。其中極限平衡法因應(yīng)用簡(jiǎn)便而被廣泛應(yīng)用，而極限平衡法又因?yàn)橛?jì)算方法以及假定條件的不同被細(xì)分為Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法及Morgensterm-Price法等[7-8］。

基于百嶺灣排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，采取余推力法進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，將邊坡細(xì)分為若干個(gè)垂直的小塊，其受力如圖3所示。圖中受力塊體中：U為滲流壓力，W為受力塊體重力，C、φ分別為材料的有效粘聚力和內(nèi)摩擦角，α為臨界滑動(dòng)面與水平面的夾角，K為穩(wěn)定性系數(shù)。

圖3 余推力法塊體受力圖

其穩(wěn)定性計(jì)算公式[9］為：

由自重引起的下滑力為：Wisinαi；

上一塊體傳遞的推力為：Pi-1φi-1,i。

由于邊坡細(xì)分塊體之間不存在拉力，因此當(dāng)出現(xiàn)塊體的推力小于零時(shí)，則說明該塊體不再向下傳遞推力，即下一塊體Pi-1=0。計(jì)算中通過調(diào)整F值，使得邊坡滑面上所細(xì)分的最后一個(gè)塊體受推力為零，從而得到該滑面所對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2 力學(xué)參數(shù)的確定

爆堆散體（未分級(jí)廢石）、堆積料上部、堆積料中部以及堆積料下部的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其數(shù)據(jù)是通過室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)結(jié)果、大型三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果以及根據(jù)φ-λ模型求出的值，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)裂縫與堆積體的實(shí)際調(diào)查，并參考相關(guān)排土場(chǎng)堆積體抗剪強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值綜合考慮確定的。

表1 排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算及結(jié)果分析

結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及計(jì)算所得數(shù)據(jù)，采用余推力法對(duì)銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)四個(gè)剖面穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示，計(jì)算分析結(jié)果反演至剖面形態(tài)見圖4至圖7。

圖4 Ⅰ-Ⅰ剖面各工況下形態(tài)

圖7 Ⅳ-Ⅳ剖面各工況下形態(tài)

表2 排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 050421—2018），銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)屬于二級(jí)排土場(chǎng)，在自然工況條件下，安全性標(biāo)準(zhǔn)為1.20～1.25，最大降雨量條件下相對(duì)于自然工況降低0.05，同時(shí)最低要求不得低于1.10。結(jié)合銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，同時(shí)為確保其穩(wěn)定性，百嶺灣排土場(chǎng)穩(wěn)定性驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)為：自然工況1.25，最大降雨工況1.20。此外，由于百嶺灣排土場(chǎng)匯水面積不大，且堆砌廢石滲透性較強(qiáng)，全飽和工況幾乎不可能出現(xiàn)，進(jìn)行該狀態(tài)分析主要用于安全運(yùn)行管理的參考。

綜上可知，通過采取余推力法對(duì)百嶺灣排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算得到：在正常工況下計(jì)算，其安全系數(shù)均大于1.25，且在最大降雨量情況下安全系數(shù)均大于1.20，均滿足要求，排土場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可滿足安全生產(chǎn)。

圖5 Ⅱ-Ⅱ剖面各工況下形態(tài)

圖6 Ⅲ-Ⅲ剖面各工況下形態(tài)

4 合理化建議

為確保銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)安全穩(wěn)定生產(chǎn)，同時(shí)為后期排土加高升段提供技術(shù)支持，建議在排土場(chǎng)適量增加排水措施，提升排水系統(tǒng)的排水能力。例如在排土場(chǎng)上部及外圍增設(shè)截水溝，讓山坡徑流匯入截水溝排向下游；同時(shí)確保每一排土平臺(tái)具有8‰的反坡，且在反坡內(nèi)側(cè)設(shè)置橫向截水溝，將水引流至排土場(chǎng)兩側(cè)排水溝以排向下游。

5 結(jié)論

通過對(duì)銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析可得：

（1）采用余推力法對(duì)百嶺灣排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。通過將排土場(chǎng)邊坡簡(jiǎn)化為若干個(gè)邊坡塊體，并對(duì)每個(gè)塊體受力形式進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算中不斷調(diào)整F值，使得邊坡滑面上所細(xì)分的最后一個(gè)塊體受推力為零，從而得到該滑面所對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

（2）現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，在正常工況時(shí)，所有計(jì)算剖面安全系數(shù)均大于1.25，滿足安全規(guī)范要求，且存在一定富余量。

（3）現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，在最大降雨量工況時(shí)，所有計(jì)算剖面安全系數(shù)均大于1.20，滿足安全規(guī)范要求。

綜上所述，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，銀山礦業(yè)百嶺灣排土場(chǎng)在各類工況下整體穩(wěn)定性均可滿足安全生產(chǎn)要求，不僅為現(xiàn)有生產(chǎn)情況下排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性提供了可靠的理論依據(jù)，同時(shí)為后期排土場(chǎng)加高升段提供了一定的技術(shù)支撐。