排土場堆置參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

王婉青，楊 溢，陳 印，李凌峰

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

排土場堆置參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

王婉青，楊 溢，陳 印，李凌峰

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

以某礦山為背景，在增加排土場容量和保證邊坡穩(wěn)定性的前提下對排土場堆置參數(shù)進行優(yōu)化設計，利用3DM ine軟件對優(yōu)化后的排土場進行建模，并利用Slide軟件對排土場的兩個典型剖面進行穩(wěn)定性分析，最終得到最佳的排土場堆置參數(shù):排土場第一臺階高度為10 m，其余臺階高度為20 m，臺階總高度250 m；最小工作平盤寬度第一臺階50 m，其他臺階55 m；臺階坡面角30 （o），最終邊坡腳15 （o），排土場容量2.07×108 m3，較以前增加3.1×107 m3；通過bishop法和janbu法對兩個剖面進行穩(wěn)定性分析，分別得出邊坡安全系數(shù)A-A'剖面1.319、1.265，B-B'剖面1.389、1.347，均大于1.15，設計參數(shù)合理可靠。

排土場；堆置參數(shù)；穩(wěn)定性分析；安全系數(shù)

0 前 言

增大排土場的廢石堆排量成了幾乎所有礦山的追逐目標。然而隨著排土場容量的增加，排土場高度也不斷增加，這無疑增加了邊坡失穩(wěn)的風險［1-2］。因此在保證排土場邊坡穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化排土場參數(shù)，增加排土場容量，對礦山來說具有非常重要的意義。

對此許多專家及學者對排土場參數(shù)的優(yōu)化進行了不同方法和角度的研究。任紅崗等［3］有效利用地形優(yōu)勢增強了排土場穩(wěn)定性；羅陽華等［4］認識了不同堆置方式時空效應對排土場穩(wěn)定性的影響；周杰等［5］考慮到黃土基底排土場固有特性，在滿足排土工藝及穩(wěn)定性要求的前提下確定臺階高度和平盤寬度，然后通過對組合臺階及邊坡總體的穩(wěn)定性進行循環(huán)分析，逐步優(yōu)化排土場的排土參數(shù)。郭成等［6］應用HH-SLOPE軟件分別計算排土場在不同臺階高度和平臺寬度下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，并運用Matlab軟件對臺階高度和安全系數(shù)及平臺寬度和安全系數(shù)進行回歸計算，逐步優(yōu)化排土場的堆置要素。汪勇［7］從安全與經(jīng)濟相結(jié)合的角度，建立起了確定露天礦排土場合理臺階高度的穩(wěn)定性分析模型，并通過開發(fā)應用軟件確定了鳳凰山銅礦金牛露天采場排土場合理臺階高度?？偟膩砜?，目前排土場堆置參數(shù)的優(yōu)化主要基于邊坡穩(wěn)定性和提高排土場容量。本文通過查閱相關的排土場設計手冊對排土場堆置參數(shù)進行優(yōu)化，并運用3Dmine軟件對排土場進行數(shù)值模擬，計算出排土場釋放容量的大小，最后利用Slide邊坡工程軟件對排土場兩個典型剖面進行安全系數(shù)的計算，既增加了排土場容量，又使安全系數(shù)在安全范圍內(nèi)。

1 工程概況

該礦山是云南省某大型露天礦山，年產(chǎn)量480萬t，平均剝采比0.876 m3/t，排土場位于露天礦南部境界外，小龍?zhí)杜璧啬喜繙瞎戎?，主要由南洞溝組成，利用溝谷進行排土。底部境界距離現(xiàn)采場地表境界約3.0 km，地表境界范圍標高1 200 ～ 1 500 m，東西長約3 km，南北寬約1.03 km，面積近3.07 km2，最終排棄高度300 m，排土場最終邊坡角15 （o），排土臺階坡面角30 （o），最終平盤寬度20 m，排土臺階高度10 m。流域匯水區(qū)范圍山頂呈渾圓狀，最高點老尖山高程1 878 m，最低點南洞溝溝囗高程1 190 m，相對高差688 m。該區(qū)域地震烈度為5 （o），地形坡度一般10 （o） ～ 15 （o）。洞溝谷流域內(nèi)泉水點出露較多，為常年流水溝，旱季由泉水補給，雨季匯集地表水流，該溝屬壯年—老年期溝谷，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

目前該排土場先采用的排棄方式為自卸汽車—推土機排棄方式，臺階高度10 m，排棄總高度210 m，工作平盤寬度20 m，臺階坡面角30 （o），最終邊坡角15（o）。然而現(xiàn)今該礦山正在進行擴建，將年產(chǎn)量從480萬t提高至650萬t，因此對于排土場容量的需求也加大，基于此，本文將在滿足礦山剝離需求的情況下，優(yōu)化排土場堆置參數(shù)，增加排土場實方容量。

2 排土場參數(shù)確定

排土場排棄物料主要為第四系表土和泥灰?guī)r，二者比例約為1∶4，排土場基底存在大約0 ～ 20 m的軟弱層，軟弱層之下為基巖巖組層，在現(xiàn)場進行原位大剪實驗得出混合排棄物料的力學參數(shù)，如下表1所示。

表1 排土場物理力學參數(shù)

根據(jù)表1計算出排土場臺階高度、極限堆高、工作平臺寬度。

2.1 確定堆置極限高度

隨著排土作業(yè)的進行，當基底處于極限狀態(tài)，失去承載能力，產(chǎn)生塑性變形和位移時，計算排土場極限高度的公式為［8］：

式中 H2——排土場極限高度，m。

C——表土層粘結(jié)強度，74 kPa；

φ——內(nèi)摩擦角，取38.8（o）；

γ——排土場物料的容重，由平均取樣為1.89t/m3。

因此，排土場設計總高度不得大于259.9 m，本文取250 m。

2.2 確定排土工作平臺寬度

根據(jù)排土場運輸車輛的長度、轉(zhuǎn)彎半徑和后橋中心至排土臺階邊線距離確定合適的排土場工作平臺寬度，依據(jù)排土場設計規(guī)范，最小排土平盤寬度組成如圖1所示。

最小工作平盤計算公式：

式中 A——排土平盤寬度，m；

C——大塊石滾落距離，當臺階高度為10 m

時C取15 m，當臺階高度為20 m時C取20 m；

圖1 最小排土平盤寬度組成

R——自卸汽車轉(zhuǎn)彎半徑，9.4 m；

L——自卸汽車的長度，7.3 m；

F——自卸汽車后橋中心至排土臺階邊線距

離，為1 ～ 2 m，這里取2 m。

把上述數(shù)據(jù)代入公式計算可得：

臺階高度為20 m時，平臺寬度為：A = 20 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 55.40 m，這里取55m；

臺階高度為10 m時，平臺寬度為：A = 15 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 50.40 m，這里取50 m；

根據(jù)計算可知排土工作平臺為第一臺階50 m，其余臺階55 m。

2.3 確定其他參數(shù)

依據(jù)采礦設計手冊［9］，由排土物料的類型及相似礦山的經(jīng)驗值確定排土場臺階高度為20 m。然而對于排土場第一臺階來說，由于他是之后所有排土臺階的基礎，因此高度取值應相對保守些，參照《有色金屬礦山排土場設計規(guī)范》規(guī)定［8］，為了安全考慮這里取10 m?；凇堵短觳傻V手冊》［10］的規(guī)定，排土臺階坡面角應與排棄物料自然安息角相等，由于該排土場的排棄物料為泥灰?guī)r，其自然安息角為30 （o），因此確定臺階坡面角為30 （o），最終邊坡角確定為15（o）［8］。

3 排土場容量計算及邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 排土場容量計算

依據(jù)排土場堆置參數(shù)的計算結(jié)果，利用3Dmine礦業(yè)工程軟件對排土場地表及排土臺階進行數(shù)值模擬，并且利用排土場臺階塊體模型實現(xiàn)了對排土場每個臺階實方容量的計算，見表2。排土場總?cè)萘繛?.07×108 m3，比排土場原設計的容量1.76×108 m3增加實方容量3.1×107 m3。

3.2 基于Slide軟件的邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 Slide軟件簡介

Slide 邊坡工程軟件是由加拿大 RocScience 公司研制開發(fā)的，是一個能用來計算巖石或土質(zhì)二維邊坡的軟件，該軟件的應用是建立在極限平衡上的豎向條分法（如Bishop、Janbu、Fellenius等方法）來搜索邊坡的最危險滑面，并計算出這個滑面的安全系數(shù)，該軟件非常便于操作應用，即使復雜的模型也可以迅速簡便的建立和計算分析；外界荷載、地下水、支撐物都可以用不同的方式模擬［11-12］。

表2 3Dmine臺階塊體模型報告結(jié)果

3.2.2 邊坡建模

依據(jù)排土場建模結(jié)果，為確保排土場整體穩(wěn)定性計算結(jié)果合理可靠，本文將選取排土場臨空面最長、地基最陡、負荷相對較大的兩個斷面作為典型的剖面進行穩(wěn)定性分析，若這兩個剖面安全系數(shù)均在安全范圍內(nèi)，那么則可以判定此排土場其他邊坡也處于穩(wěn)定狀態(tài)，具體剖面位置見圖2。

圖2 排土場剖面位置示意

利用Slide軟件摩爾庫倫模型對A-A'剖面和B-B'剖面進行建模，建?；緮?shù)據(jù)為本論文的優(yōu)化參數(shù)，第一臺階高度10 m、其他臺階高度20 m、臺階坡面角30 （o），最小工作平臺寬度第一臺階為50 m，其他臺階為55 m，排土場堆置總高度為250 m；由地質(zhì)報告可知該排土場地表軟弱層存在厚度為0 ～ 20 m之間，本次建模選用平均值10 m；利用以上參數(shù)完成的建模結(jié)果分別如圖3～4所示。

圖3 A-A'剖面建模示意

圖4 B-B'剖面建模示意

3.2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

通過邊坡建模，對邊坡各個排棄物料依照表1進行內(nèi)摩擦角和凝聚力賦值，由于該地區(qū)地震烈度為5 （o），參照《中國國家地震烈度表》的烈度地震峰值加速度為0.31 m/s2，即重力加速度的0.031倍，選用常用的邊坡穩(wěn)定性計算方法，bishop法和janbu法對兩個剖面進行穩(wěn)定性分析，搜索出潛在的最危險滑面并計算出該滑面的安全系數(shù)，結(jié)果如圖5 ～ 8所示，并整理數(shù)據(jù)如下表3～4所示。

圖5 A-A'剖面bishop法計算結(jié)果

圖6 A-A剖面janbu法計算結(jié)果

圖7 B-B剖面bishop法計算結(jié)果

圖8 B-B剖面janbu法計算結(jié)果

表3 A-A'剖面安全系數(shù)計算結(jié)果

表4 B-B'剖面安全系數(shù)計算結(jié)果

由表3～4數(shù)據(jù)可知，bishop法計算結(jié)果略大于janbu法計算結(jié)果，為邊坡穩(wěn)定性分析考慮，安全系數(shù)取較小的數(shù)據(jù)作為最終判斷依據(jù)，則A-A剖面最小安全系數(shù)為1.265，B-B剖面最小安全系數(shù)1.347。參照《有色金屬礦山排土場設計規(guī)范》規(guī)定，該排土從經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后為一級排土場，在《金屬非金屬礦山排土場安全生產(chǎn)規(guī)則》中指出，一級排土場安全系數(shù)應大于1.15［13］，以上計算結(jié)果均大于1.15，證明排土場參數(shù)是合理可靠的。

4 結(jié) 論

利用極限高度驗算公式得出排土場極限高度不得大于259 m，本文為實現(xiàn)排土場容量接近最大化選取總高度250 m，依據(jù)排棄物料力學特性并結(jié)合同類型排土場的經(jīng)驗值確定排土臺階高度：第一臺階10 m，其余20 m，通過臺階高度和礦山運輸汽車尺寸確定最小工作平盤寬度為第一臺階50 m，其余55 m。根據(jù)排棄物料力學性質(zhì)確定排土場臺階坡面角為30 （o），最終邊坡腳15 （o）。

利用3Dmine軟件對排土場進行參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)值模擬，從而實現(xiàn)了對排土場實方容量的計算，最終得出排土場總?cè)萘繛?.07×108 m3，比排土場原先設計的容量1.76×108 m3增加實方容量3.1×107 m3。

利用Slide軟件對排土場兩個典型剖面進行安全穩(wěn)定性驗算，最終得出A-A剖面最小安全系數(shù)為1.452，B-B剖面最小安全系數(shù)為1.544，以上數(shù)值均大于排土場設計規(guī)范的最低要求1.15，因此優(yōu)化參數(shù)合理可靠。

［1］ 李躍， 楊永生， 毛權生， 等. 基于三維地質(zhì)模型的排土場邊坡整體穩(wěn)定性探究［J］. 巖石力學， 2013， 34（z1）： 533-539.

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Parameter Optim ization and Stability Analysis of Waste Dump

WANG Wanqing，YANG Yi，CHEN Yin，LI Lingfeng
（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

This paper takes the background of a m ining enterprise ， In the prem ise of increasing the capacity of the waste dump and ensuring the stability of the slope， optim izing the parameters of the waste dump ，3DM ine software is used to model the optim ized dump site， and Slide software is used to analyze the stability of two typical prof les of the dump， fnally get the best parameters of the waste dump :the f rst step height is 10 m，the rest steps height are 20 m，the totally height of steps is 250 m； the m inimum working Berm Width of f rst step is 50 m， other steps are 55 m；the angle of bench slope is 30 （o）， and the angle of ultimate slope is 15 （o），the capacity of waste dump is 2.07×108 m3than the previous increase of 3.1 x 107 m3；Stability analysis of two sections by Bishop and Janbu. Parameter optimization and stability analysis of dump siteIt is concluded that the slope safety factor of A-A' section are 1.319、1.347 respectively， and the safety factor of B-B' section are 1.389 and 1.347 respectively， both of which are great than 1.15，and the design parameters are reasonable and reliable.

Waste dumpf；Stacking parameters；Stability analysis；Safety factor

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.015

2016 - 04 - 29

王婉青（1992-），女，在讀碩士研究生，研究方向：安全技術及工程專業(yè)，手機：15808883250，E-mail：514347757@ qq. com；通訊作者：楊溢（1965-），博士，教授，研究方向：巖土及爆破工程，E-mail：kggtyy@163. com.