周軍委

(洛陽(yáng)富川礦業(yè)有限公司， 河南 洛陽(yáng)市 471000)

1 礦區(qū)排土場(chǎng)基底承載能力驗(yàn)算

排土場(chǎng)是礦山生產(chǎn)過(guò)程中，由剝離的表土、廢石等按照一定的堆置方式逐步形成的單臺(tái)階或多臺(tái)階的巨型人工松散堆積體，露天礦山的排土場(chǎng)是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素[1]。石寶鐵礦位于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕茂民安聯(lián)合旗石寶鄉(xiāng)境內(nèi)，2017年，經(jīng)技術(shù)改造擴(kuò)幫后生產(chǎn)能力為 320萬(wàn)t，現(xiàn)有東、中、西3個(gè)采場(chǎng)，排土場(chǎng)南北各有一處。石寶鐵礦開采境界內(nèi)剝離的巖石總量為10 127.27萬(wàn)t，預(yù)計(jì)排土量4788.44萬(wàn)m3，同時(shí)考慮排土場(chǎng)清方倒排量680.22萬(wàn)m3，共需排土場(chǎng)容積5468.66萬(wàn)m3。根據(jù)計(jì)劃，南排土場(chǎng)排土容量為4200萬(wàn)m3，北排土場(chǎng)排土容量為1350萬(wàn)m3，合計(jì)總排土容量為5550萬(wàn)m3，滿足生產(chǎn)需求。由于排土場(chǎng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均通過(guò)工程類比法而得，排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性尚未進(jìn)行驗(yàn)證，存在極大的安全隱患。

根據(jù)《石寶鐵礦地質(zhì)勘察報(bào)告》，排土場(chǎng)底層共分4層，對(duì)各底層進(jìn)行取樣試驗(yàn)，得到各巖土物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 基底巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

排土場(chǎng)堆置體的物理力學(xué)性質(zhì)受巖石性質(zhì)、塊度組成、容重、濕度及垂直荷載等影響[2]。排土場(chǎng)堆置體不同深度物料的C、φ值由于顆粒分布的不均勻性而隨深度變化而變化[3]。排土場(chǎng)排棄物料主要為露天開采剝離的廢石，未開展排土場(chǎng)排棄物料的粒徑組成及模擬力學(xué)試驗(yàn)等工作，通過(guò)類比法確定的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 排土場(chǎng)排棄場(chǎng)料物理力學(xué)參數(shù)

排土場(chǎng)地基承載力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程：隨著排土場(chǎng)堆置荷載逐漸增加，地基逐漸被壓實(shí)、擠密，達(dá)到極限狀態(tài)，地基承載力也隨之增大，直至產(chǎn)生塑性變形和移動(dòng)而失去承載力[4]。目前尚無(wú)適合多臺(tái)階排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性的承載力計(jì)算方法。根據(jù)《有色金屬排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50421-2018）[5]的有關(guān)規(guī)定計(jì)算單臺(tái)階的堆載高度。

軟弱地基高度排土場(chǎng)應(yīng)控制排土場(chǎng)底部臺(tái)階高度，對(duì)地基堆載預(yù)壓，提高地基承載田徑。第一臺(tái)階極限高度可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，H為排土場(chǎng)第一臺(tái)階極限堆置高度，m；C為地基土黏聚力，kPa；φ為地基土摩擦角，（°）；γ為剝離物容重，kN/m3。

分別按照濕陷性粉土、粉質(zhì)黏土及花崗巖等基底地層作為持力層計(jì)算排土場(chǎng)堆置高度，計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 單臺(tái)階堆置高度計(jì)算結(jié)果

2 排土場(chǎng)災(zāi)害類型

排土場(chǎng)的穩(wěn)定性主要受場(chǎng)地的地形、坡度、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣象和剝離物的物理力學(xué)性質(zhì)以及排土方式、臺(tái)階高度等因素影響[6-7]，可能發(fā)生滑坡、沉降壓縮變形與泥石流等災(zāi)害。

由于沉降壓縮變形速度慢、幅度不大、破壞性小，對(duì)生產(chǎn)沒(méi)有太大的影響，故不予考慮。排土場(chǎng)所處地區(qū)地勢(shì)平坦，且礦區(qū)降水量極少，不具備形成泥石流的“山坡地形陡峻和較大的溝床縱坡”與“充足的水源”等基本條件[8]，且排土場(chǎng)外側(cè)設(shè)置有截排水溝，攔截流向排土場(chǎng)的地表徑流，因此，排土場(chǎng)基本不存在發(fā)生泥石流的可能性。排土場(chǎng)場(chǎng)址地形平緩，沿基底接觸面滑坡的可能性較小，排土場(chǎng)邊坡破壞的模式以排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡及軟弱基底鼓起引起的排土場(chǎng)滑坡為主，滑坡的破壞模式主要為圓弧型破壞。

綜上所述，排土場(chǎng)基底地形平緩，部分區(qū)域還隨著排土場(chǎng)的推進(jìn)，將出現(xiàn)有利于排土場(chǎng)穩(wěn)定的逆向地形，排土場(chǎng)不存在沿堆置體與地基接觸面產(chǎn)生滑坡的可能。排土場(chǎng)邊坡破壞的模式以排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡及軟弱基底鼓起引起的滑坡為主。

3 穩(wěn)定性分析計(jì)算

礦山南排土場(chǎng)清理倒排后向東南方向擴(kuò)展，調(diào)整后南排土場(chǎng)為多階段覆蓋式平地排土場(chǎng)。南排土場(chǎng)北側(cè)分為3個(gè)排土臺(tái)階，標(biāo)高分別為1682 m、1705 m、1728 m，臺(tái)階間平臺(tái)寬度為20 m；南排土場(chǎng)南側(cè)分為2個(gè)排土臺(tái)階，標(biāo)高分別為1705 m、1728 m，臺(tái)階間平臺(tái)寬度為20 m。南排土場(chǎng)最大排土高度為68 m，最終排土標(biāo)高為1728 m。

北排土場(chǎng)位于露天采場(chǎng)東北終了境界外 80 m處，靠近巖石北出入溝口。北排土場(chǎng)為單臺(tái)階覆蓋式平地排土場(chǎng)。北排土場(chǎng)采用一段排土，最大排土高度為45 m，最終排土標(biāo)高為1705 m。

最終邊坡角：南排土場(chǎng)北坡為26.1°，南排土場(chǎng)南坡為29.8°；北排土場(chǎng)為34.5°，最大排土高度分別為45 m、68 m。排土場(chǎng)邊坡如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)邊坡示意（單位: m）

達(dá)爾罕茂民安聯(lián)合旗抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度值為 0.05g，不考慮地下水對(duì)工程的影響。本次研究主要對(duì)該排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。分別計(jì)算在正常工況及特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動(dòng)，a=0.05g）下排土場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)。參照同類工程采用的安全系數(shù)并結(jié)合排土場(chǎng)周邊環(huán)境特點(diǎn)，排土場(chǎng)安全系數(shù)限值確定如下。

3.1 南排土場(chǎng)北邊坡

工況①：正常工況時(shí)的整體安全系數(shù)限值為1.30。

工況②：特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動(dòng)，a=0.05g）時(shí)，整體安全系數(shù)限值為1.20。

3.2 南排土場(chǎng)南邊坡及北排土場(chǎng)

工況①：正常工況時(shí)整體安全系數(shù)限值為1.15。

工況②：特殊工況（正常工況+地震、正常工況+爆破震動(dòng)，a=0.05g）時(shí)，整體安全系數(shù)限值為1.10。

采用 Slide軟件對(duì)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)終了邊坡滑動(dòng)面進(jìn)行搜索，確定其最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。分別采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表 4，排土場(chǎng)邊坡滑坡模型模擬結(jié)果如圖2～圖4所示。

表4 排土場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖2 南排土場(chǎng)北邊坡滑坡模型

圖3 南排土場(chǎng)南邊坡滑坡模型

圖4 北排土場(chǎng)邊坡滑坡模型

4 結(jié)論

通過(guò)模擬計(jì)算表明，排土場(chǎng)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下的邊坡滿足對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是露天礦邊坡受諸多不確定性因素的影響，即便是穩(wěn)定邊坡，也要在生產(chǎn)中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，定期對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，同時(shí)建立健全地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)體系，根據(jù)邊坡巖體的工程性質(zhì)、環(huán)境、地質(zhì)條件等因素進(jìn)行綜合控制。礦方必須嚴(yán)格按照排土場(chǎng)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的要求組織生產(chǎn)活動(dòng)，將邊坡角、臺(tái)階參數(shù)等要素控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，進(jìn)一步規(guī)范安全平臺(tái)的設(shè)置，保證邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。