多台阶覆盖式排土场边坡结构参数的确定

毛权生 乐 陶

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

排土场边坡属于矿山剥离的散体物料堆积而成的边坡，边坡体为矿山剥离的岩土块、水分和孔隙三元介质体。其边坡的形式由排土工艺确定，按排土堆置顺序，排土场分为单台阶式、多台阶覆盖式、多台阶压坡脚式3种形式。多台阶覆盖式排土场是按一定台阶高度的水平分层由下而上逐层堆置，也可几个台阶同时进行覆盖式排土，但要保持下一台阶超前一段安全距离。

排土场滑坡破坏模式主要有排土场内部滑坡、沿排土场地基软弱层滑坡、沿地基接触面滑坡3种类型。排土场内部滑坡一般为园弧形滑面，其他类型的滑坡为沿接触面或软弱结构面的不规则形状。

1 白马铁矿Ⅳ排土场边坡基本现状

白马铁矿Ⅳ排土场是利用山谷有利地形堆置而成，地形起伏不平。地基地层［1］主要有第四系残坡积含碎石粉质黏土(Qel+dl4)、第四系冲洪积碎块石土(Qal+pl4)，下伏基岩为二迭系正长岩(ξo15)，其中正长岩(ξo15)根据其风化程度划分为全风化、强风化、中等风化。根据设计［2］，白马铁矿Ⅳ排土场堆排方式采用汽车—推土机排土工艺，多台阶自下而上覆盖式排放，属多台阶覆盖式排土场，边坡有明显的块度分级现象。场地形较陡，高差大，排土场前期排弃物料为采场剥离的第四系和强风化层散体。多台阶覆盖式排土场台阶边坡角为散体物料的自然安息角，为了保证排土场稳定，首先在单台阶情况下确定单台阶允许高度，再根据单台阶允许高度对整体边坡进行稳定性分析来确定平台宽度。本次排土场单台阶允许高度和平台宽度的确定步骤:

(1)对不同高度的排土场单台阶稳定性进行计算，求得单台阶稳定性安全系数。

(2)对单台阶稳定性安全系数和高度进行回归，求得安全系数为允许安全系数时所对应的单台阶高度为排土场边坡单台阶允许高度。

(3)根据单台阶允许高度，选择不同的平台宽度，对排土场整体边坡稳定性进行计算，求得不同平台宽度所对应的稳定性安全系数。

(4)对整体边坡安全系数和平台宽度进行回归，求得安全系数为允许安全系数时所对应的平台宽度为排土场边坡平台宽度。

2 排土场边坡单台阶高度确定

排土场单台阶高度的确定方法是:首先分别对单台阶高度为30、40、50、60 m的排土场边坡进行稳定性计算，运用余推力法计算出上述不同高度时的安全系数(见表1，计算中没有考虑地下水的影响)。然后对不同台阶高度所对应的安全系数进行回归(见图1～图2)，求得安全系数为允许安全系数时对应的台阶高度(根据要求允许安全系数取1.15［3］)为排土场边坡单台阶允许高度。

表1 排土场单台阶不同高度时的安全系数

图1 单台阶高度和安全系数回归(不考虑地震)

图2 单台阶高度和安全系数回归(考虑地震)

从不同台阶高度和稳定性安全系数回归可以确定安全系数为允许安全系数时的允许台阶高度，计算结果见表2。

由表2可以看出，在不考虑地震的情况下，单台阶允许高度可达到44.79 m，考虑地震时，单台阶允许高度可达到37.42 m。

表2 不同工况下的允许台阶高度

在44.79 m与37.42 m之间选取40 m作为单台阶高度，在不考虑地震的情况下安全系数为1.164，大于允许安全系数;考虑地震的情况下安全系数为1.117，略小于允许安全系数。也就是说，在发生7级地震(振动影响系数取0.025)的特殊工况下台阶边坡可能发生破坏。那么，只要通过调整平台宽度，保证整体边坡在有地震的情况下的安全系数大于允许安全系数，就可以满足排土场整体稳定的要求，综合考虑，白马铁矿Ⅳ排土场边坡单台阶允许高度确定为40 m。

3 排土场平台宽度的确定

白马铁矿Ⅳ排土场是多台阶排土场，排土场的稳定性不仅和单台阶的高度有关，还和平台的宽度有着直接的联系;选择合理的平台宽度既可以满足排土场整体稳定的需要，同时也能为矿山取得好的经济效益创造有利条件。本次排土场平台宽度的确定是根据前面所确定的单台阶高度和单台阶边坡角，对Ⅳ排土场所选定的A、B剖面，在考虑地震和地下水的情况下，运用余推力法对不同平台宽度的边坡进行稳定性计算［4］，通过各剖面平台宽度和安全系数的回归最终确定最小的平台宽度。在剖面进行优化计算时，剖面坡顶坐标不变，平台宽度分别选择30、40、50 m，稳定性计算结果见表3，回归结果见图3～图6。

表3 各剖面不同平台宽度计算结果

从各剖面不同平台宽度和所对应的稳定性安全系数回归可以确定安全系数为允许安全系数时的最小平台宽度，计算结果见表4。

图3 A剖面平台宽度和安全系数回归(不考虑地震)

图4 A剖面平台宽度和安全系数回归(考虑地震)

图5 B剖面平台宽度和安全系数回归(不考虑地震)

图6 B剖面平台宽度和安全系数回归(考虑地震)

表4 各剖面达到稳定时的最小平台宽度

从表4中可以看出:A剖面在不考虑地震的情况下最小平台宽度为29.284 m，A剖面在考虑地震的情况下最小平台宽度为47.494 m;B剖面在不考虑地震的情况下最小平台宽度为28.400 m，B剖面在考虑地震的情况下最小平台宽度为46.749 m。综合上面各剖面的计算结果，台阶高度取40 m、平台宽度取50 m比较合适，根据此排土场边坡参数，对A、B剖面进行了稳定性分析，计算出整体破坏示意图见图7～图8。

图7 A剖面稳定性计算结果

图8 B剖面稳定性计算结果

4 结语

白马铁矿Ⅳ排土场属于多台阶覆盖式排土场，排土场边坡台阶边坡角为散体物料的自然安息角。为确保排土场边坡的稳定，运用了极限平衡分析法中的余推力法计算不同台阶高度和不同平台宽度时台阶边坡和整体边坡的稳定性，采用了最小二乘法来确定安全系数为允许安全系数时所对应的台阶高度为40 m，平台宽度为50 m，确定了排土场边坡的结构参数。

［1］ 四川省蜀通岩土工程公司.攀钢(集团)公司白马铁矿Ⅳ废石场岩土工程勘察报告［R］.攀枝花:攀钢(集团)公司，2007.

［2］ 中冶长天国际工程有限责任公司.白马铁矿设计说明书［R］.攀枝花:攀钢(集团)公司，2005.

［3］ 国家安全生产监督管理局.AQ2005—2005 金属非金属矿山排土场安全生产规则［S］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［4］ 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司.露天矿排土场高台阶排土安全稳定性与堆浸排土参数优化研究［R］.马鞍山:中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，2002.

［5］ 冶金工业部马鞍山矿山研究院.高台阶排土场稳定性及监测技术的研究［R］.马鞍山:中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，1990.