彭衛(wèi)華

(湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 423000)

0 引言

柿竹園礦作為全國礦產(chǎn)資源綜合利用示范基地，具有礦石品位低、成分復(fù)雜、礦石難選的特點(diǎn)，是世界上罕見的特大型鎢、鉬、鉍、錫共生多金屬礦[1]。柿竹園礦由于礦石賦存條件差異，不同階段和不同區(qū)域所采出礦石品位差異較大，為了滿足選礦工藝要求，需將部分低品位礦石暫時堆存，后期再進(jìn)入選礦廠加工。原礦堆場作為礦山貯存低品位礦石的特殊堆存場地，其安全性受到企業(yè)和政府的高度重視，一旦發(fā)生安全事故將造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外多起堆體失穩(wěn)案例是由于前期工程地質(zhì)勘察不到位和設(shè)計(jì)參數(shù)取值不合理造成的[2]。

針對堆場天然條件復(fù)雜而容量有限的現(xiàn)狀，為選取合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證原礦堆場安全的前提下充分利用場地，提高場地空間利用率，有必要對原礦堆場各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

柿竹園鎢多金屬礦主采鎢、錫、鉬、鉍和銅等金屬，設(shè)計(jì)為井下+露天開采方式，規(guī)模為350×104t/a，平均剝采比為1.86 t/t，可采出礦石量為2.06億t。

低品位礦石堆場位于柿竹園西北露天采區(qū)以南約300 m 處的一處溝谷內(nèi)，礦區(qū)屬亞熱帶區(qū)，雨量豐沛，地表水發(fā)育。場區(qū)內(nèi)地形陡峭，溝谷縱橫，為侵蝕—溶蝕中低山—丘陵地貌，該場址所在溝谷地面標(biāo)高為490.0～630.0 m，高差為140 m，平均坡降為45%，溝谷底部和上部較為狹窄且縱向坡度較陡，僅在中間部位較為開闊且坡度較緩，溝谷頂部為礦區(qū)運(yùn)礦道路。

場址位于東波向斜的南段東翼，總體表現(xiàn)為巖層傾向北西西、傾角20°～40°的單斜地層，局部地段可見小型褶曲。

場區(qū)節(jié)理較發(fā)育，庫區(qū)優(yōu)勢節(jié)理裂隙產(chǎn)狀為285°～295°∠70°～80°、315°～330°∠65°～80°、55°～75°∠50°～80°。

場地內(nèi)地層巖性主要為植物層、第四系坡洪積層和基巖，具體如下。

植物層（Qpd）：褐灰、褐黃、灰黑色，含植物根莖，疏松狀態(tài)，層厚0.30～1.10 m。

第四系坡積＋洪積（Qdl+pl）層又可分為洪積塊石、坡洪積粉質(zhì)黏土、沖洪積粉質(zhì)黏土以及殘坡積粉質(zhì)黏土等，分布極不均勻，厚度變化大，局部地段厚度達(dá)到60 m 以上。

基巖：場地內(nèi)基巖主要為泥盆系上統(tǒng)佘田橋組（D3s）灰?guī)r、泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組（D2q）灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r、泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）砂巖。巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈中厚層狀構(gòu)造，質(zhì)地堅(jiān)硬，呈中-微風(fēng)化狀態(tài)。

相應(yīng)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)概況

參考《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50421-2018），按照場地條件、堆存介質(zhì)及運(yùn)輸方式，可采用單臺階排礦、覆蓋式排礦、壓坡腳式排礦[3]，原礦堆場排礦方式如圖1 所示。

圖1 原礦堆場排礦方式示意

由于本次堆積高度較高，溝底縱坡較陡，為了保證堆場穩(wěn)定性，采用壓坡腳式排礦工藝，通過修建場內(nèi)運(yùn)輸?shù)缆?，采用汽車將低品位礦石卸至指定堆排地點(diǎn)，鏟車推平后逐層碾壓上升，該種排礦方式具有較高的安全性和可靠性，可達(dá)到穩(wěn)定堆場的目的。

為了提高庫容利用率，同時穩(wěn)固坡腳，在原礦堆場坡腳設(shè)置初期壩，形成反壓防止堆體出現(xiàn)滑動。初期壩位于溝口縮窄處，由于該處岸坡及溝底坡度均較陡，無足夠場地放坡，為適應(yīng)場地，采用漿砌石壩作為初期壩壩型。

初期壩頂寬為2 m，內(nèi)坡比為1∶0.5，外坡比為1∶0.75，相應(yīng)壩高為18.0 m，外坡設(shè)2 m 寬馬道。初期壩基礎(chǔ)開挖至新鮮基巖，底部臺階開挖成臺階狀，以增加壩基抗滑力。

后期采用原礦石分層碾壓方式逐級堆高，每級臺階外坡比為1∶1.8，每隔垂直高度20 m 設(shè)置平臺，平臺寬度為8 m，堆積壩每級臺階內(nèi)側(cè)設(shè)置壩坡排水溝，堆積壩與山體銜接處設(shè)置壩肩排水溝。

3 堆場穩(wěn)定影響因素敏感性分析

影響堆場整體穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括堆積外坡比、堆積高度、浸潤線埋深、堆體抗剪強(qiáng)度參數(shù)、地基條件等[4]，為研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對堆場整體穩(wěn)定性的影響，采用單一變量法對影響堆體整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的各因素進(jìn)行敏感性分析，確定各因子敏感度大小，判定各影響因素對整體穩(wěn)定性的影響程度，從而為堆場優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

敏感性分析步驟如下[5]：

（1）確定敏感性因素，并對各敏感因素在一定區(qū)間內(nèi)進(jìn)行合理取值；

（2）按照單一變量法，控制某一影響因素取值變化而其他因素取值固定不變時，分別計(jì)算相對應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值；

（3）根據(jù)式（1）求解各影響因素的敏感度SAFi，得出各影響因素對抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響程度，從而確定主要影響因素和次要影響因素[5]。

式中，SAFi為敏感度系數(shù)；ΔFi/Fi為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)相應(yīng)的變化率；ΔAi/Ai為影響因素Ai的變化率。

當(dāng)SAFi＞0 時，表示抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與影響因素正相關(guān)變化；當(dāng)SAFi＜0 時，表示穩(wěn)定安全系數(shù)與影響因子負(fù)相關(guān)變化。SAFi絕對值越大，則抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對該因素敏感度越高。

3.1 堆積外坡比敏感度分析

選取1∶1.00～1∶2.75 范圍內(nèi)的7 組外坡比1∶m（外坡垂直距離與水平距離之比）作為控制變量，m按照0.25 進(jìn)行遞增，進(jìn)行堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，并分析其敏感性。

從圖2 可以看出，原礦堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與m基本呈線性關(guān)系，安全系數(shù)變化率為0.69，敏感度平均值為0.94，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨外坡比m增加而增加，臨界坡比為1∶1.26。

圖2 堆積外坡比與堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系

3.2 堆積高度敏感度分析

本次計(jì)算選取50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、175 m 6 組堆積高度對整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并分析其敏感性（見圖3）。

圖3 浸潤線埋深與整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系

由圖3 可知：隨著堆積高度的增大，垂直荷載加大，沿著滑移面的下滑分力隨之增加，因此壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著堆積高度的增大呈遞減趨勢，F(xiàn)s-H關(guān)系曲線呈冪指數(shù)曲線，敏感度平均值為-0.042。

3.3 浸潤線埋深敏感度分析

本次選取10～100 m 范圍內(nèi)的10 組壩頂浸潤線埋深作為控制變量，進(jìn)行堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，并分析其敏感性（見圖4）。

圖4 浸潤線埋深與整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系

由圖4可知：當(dāng)壩頂浸潤線埋深未超過50 m時，原礦堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與浸潤線埋深h基本呈線性關(guān)系，由于浸潤線以下巖土層物理力學(xué)強(qiáng)度受到折減影響，整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著浸潤線埋深減少而減小，安全系數(shù)變化率為0.0125，敏感度平均值為0.31；當(dāng)浸潤線埋深超過50 m 時，整體滑動圓弧面位于浸潤線之上，滑動范圍內(nèi)巖土層物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)不再受到浸潤線升降影響，因此整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對浸潤線埋深敏感度為0。

3.4 敏感性綜合分析

綜合以上分析，各影響因子敏感度見表2。

表2 各影響因子敏感度

由表2 可以看出，各影響因子中，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對外坡比最為敏感，其次為浸潤線埋深（埋深50 m 以內(nèi)），而對堆積高度敏感度較低，當(dāng)浸潤線埋深大于50 m 時，其敏感度為0。因此，針對本次設(shè)計(jì)優(yōu)化，應(yīng)優(yōu)先考慮外坡比對于原礦堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，再依次調(diào)整堆積高度和浸潤線埋深，來保證原礦堆場的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于規(guī)范要求值。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

堆場堆積要素設(shè)計(jì)不科學(xué)、不規(guī)范，將為堆場失穩(wěn)埋下安全隱患。堆場出現(xiàn)事故不僅導(dǎo)致礦山生產(chǎn)率及經(jīng)濟(jì)效益降低，而且給礦山工作人員的生命安全帶來了巨大隱患[6]。

為了滿足原礦堆場有足夠的堆存容積，同時保證原礦堆場的穩(wěn)定，根據(jù)以上敏感因子大小優(yōu)先確定浸潤線埋深不低于50 m，其次考慮在充分利用場地空間的情況下，按照現(xiàn)有地形確定最大堆積高度為116 m，堆積外坡比為1:1.8，做到既經(jīng)濟(jì)又安全。原礦堆場總?cè)莘e為53.6×104m3，最終等級為3 級，經(jīng)計(jì)算，在自然工況條件下，礦石堆場整體抗滑最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.310。根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50421-2018），在自然工況條件下，整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足不應(yīng)小于1.15～1.20 的要求，本次計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，計(jì)算模型與分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后低品位原礦堆場整體抗滑穩(wěn)定示意

5 結(jié)論

（1）針對復(fù)雜山谷地形，利用GEO-studio 建立數(shù)值計(jì)算模型，通過敏感性分析，確定原礦堆場整體抗滑穩(wěn)定中起主要作用的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而為工程設(shè)計(jì)參數(shù)選取提供科學(xué)依據(jù)。

（2）在各影響因素中，分析對堆場整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的各影響因子的敏感度可知，堆場整體穩(wěn)定性安全系數(shù)對外坡比敏感度最高，對堆積高度敏感度最低，當(dāng)浸潤線埋深低于50 m 時，敏感度居中，當(dāng)浸潤線埋深大于50 m 時，其敏感度為0。

（3）通過本次優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了原礦堆場的整體穩(wěn)定，又最大程度利用了場地容積，節(jié)約了有限土地資源，增加了原礦堆場的堆存容積，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對工程實(shí)踐具有科學(xué)指導(dǎo)意義[7]。