露天胶带排土最大段高及排土机安全距离的确定

杨忠林 杨军明 李 强 姜士磊

(1.太钢矿业公司尖山铁矿，山西 太原030304;2.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北 保定071000)

随着我国矿山事业的发展及采矿技术的进步，大型深凹露天矿将逐渐增加，排土新工艺、新技术和许多大型排土设备将得到广泛的应用。其中汽车—破碎机—胶带运输机—排土机排土的应用就是其中之一。随着矿山开采水平的逐年下降，岩石运距、排土场容量、排土场稳定性与占地的矛盾日益突出，直接影响着矿山企业的直接经济效益。因此，发展胶带排土工艺，不仅可提高露天矿山的排土效率，节省排土费用，而且可节约矿山排土占地。长期以来胶带排土的最大段高和台阶安全距离都是以经验估算和相似矿山参照的方式来确定［1］，对提高露天矿安全性能和生产效率十分不利:增加了排土机和排土胶带的移设频率，从而使露天矿的经济效益下降。由于没有强有力的理论支撑和计算方法，为了保证生产安全，各矿山在参数取值时都尽可能地趋向于保守［2］。因此，为露天矿确定技术经济合理的胶带排土最大段高及排土机安全距离非常有意义，而且对全国露天矿山将要采用胶带排土生产也具有普遍指导意义。

山西某铁矿目前使用的排土场主要为南排土场，整个土场在使用期间内1 670 m 台阶以下部分土场为汽车直排土场，1 670 m 台阶以上土场为胶带土场。胶带排土机型号为SP 1600/50 +50，排土机能力设计为4 800 m3/h(松散密度:1.615)，其使用的卸料臂与受料臂长度均为50 m。为最大限度地发挥排土机的排岩能力，减少排土机轨道的移动次数，本研究对胶带排土最大段高和胶带排土机距排土场坡顶线的安全距离进行研究分析。在确保排土场边坡稳定的前提下，又要保证排土机不至于因台阶严重变形发生倾覆等事故。分析所做的基础工作包括:搜集已有的气象、水文、地质、钻探、设计、生产规划、同类工程等有关资料以及胶带排土机的相关参数，现场调查和了解排土场周边环境及其相互影响，掌握排土场设计意图及将来的运行状态，实测排土场自然休止角，现场进行堆排材料的密度测试，对堆排材料取样进行粒度成分测试及室内相关力学试验。通过对基础资料研究、渗流稳定性分析、抗滑稳定性分析、数值分析并结合经验，综合确定排土机排土的最大台阶高度和排土的安全距离［3-5］。

1 排土场工程地质条件

1.1 排土场地基

1 670 m 台阶以下部分土场为汽车直排部分土场，汽车排土场地基为黄土梁山坡、残积土、沟谷中碎石土，胶带排土场排土覆盖汽车排土台阶，地基可视为汽车排土场材料。

1.2 堆排材料

排土场堆排物料是由松散颗粒体组成，主要为矿体围岩，岩性为云母石英片岩、绿泥角闪片岩、正长闪长岩等。

(1)汽车—推土机排土。自卸车将堆排物料运至土场并倾倒于土场坡顶边缘，用堆土机进行平整，最终达到土场设计堆排标高。该排土方式对堆排物料的粒度大小没有要求，故土场中可能包含有粒径很大的岩块。采用汽车—推土机排土方式堆排的排土场，设计排土段高不大，一般为40 ～45 m。

(2)胶带排土机排土。通过胶带机运送堆排物料，然后通过排土机将堆排物料排放至排土场的堆排方式。该堆排方式具有连续、稳定、效率高等特点，胶带机运送堆排物料的最大粒径有限值，一般不大于350 mm。

1.3 地下水和地表水

南排土场范围内无大的地表水体系，沟谷中存在季节性流水。地表水来源于大气降水及地下水的渗出。

2 排土机工作方式

胶带排土机排土可分为上排和下排2 种方式，目前排土机工作在1 745 m 排土标高，计划上排15 m形成1 760 m 排土标高，上排时受设备制约，最大高度为20 m;下排时最大段高取决于排土场稳定性及排土机的安全作业，下排正是本研究内容。

3 胶带排土最大台阶高度初步确定

胶带排土机效率的发挥，取决于排土机的排土高度，排土高度越大，胶带排土机效率越高。

3.1 研究方法

(1)将汽车排土场作为胶带排土场的地基。

(2)假设:①汽车排土场和胶带排土场交接的台阶留有足够的台阶宽度，胶带排土不会影响汽车排土场的抗滑稳定性;②1 745 m 台阶也留有足够的宽度，其上排土场不影响下部的稳定性。

(3)根据经验及相关资料，胶排台阶内无浸润线，因此可不考虑渗透压力的影响。

(4)将胶带排土场作为独立研究对象，进行不同台阶高度的抗滑稳定性计算，并对台阶高度和稳定性系数进行回归分析，令抗滑稳定性系数等于稳定性系数安全限值，根据回归结果计算出台阶高度即为允许最大台阶高度，再考虑其他因素，初步确定合理的台阶高度。

3.2 计算模型建立

模拟胶带排土实际情况，建立计算模型如图1 所示:①计算模型边坡角采用自然休止角为37°;②台阶高度为H;③汽车—推土机排土台阶作为胶带排土台阶的地基;④胶排台阶堆排物料根据粒组特征和密度特征分为上、中、下3 层。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

3.3 计 算

研究对象为胶排台阶，边坡的滑动破坏模式为切体滑坡，滑面形状为圆弧形，潜在滑面在胶排台阶内部，或切过其下的汽车排土台阶，选择计算方法为瑞典圆弧法。根据排土场运行时容易出现稳定性问题的条件，计算工况为自然工况、降雨工况和地震工况3 种，参照同类工程安全系数的规定，结合本工程实际，确定胶排台阶抗滑稳定性计算安全系数限值为自然工况Fs≥1.15;降雨工况Fs≥1.10;地震工况Fs≥1.10［6-7］。

3.4 计算结果的回归分析

将计算结果按工况分别进行线性回归，结果如下。

(1)自然工况:H =986.115 4 －761.945 2Fs，令Fs=1.15，得H=110 m;

(2)降雨工况:H=1093.230 1 －915.370 9Fs，令Fs=1.10，得H=86 m;

(3)地震工况:H=1049.154 9 －882.619 9Fs，令Fs=1.10，得H=78 m。

初步确定排土最大台阶高度为75 m。

4 排土机荷载对稳定性的影响

(1)计算不计排土机荷载(P =0)时各工况的稳定性系数;

(2)计算排土机荷载(P =160 kPa)在不同位置时各工况的稳定性系数。对数据进行分析得到:当排土机距坡顶线距离L 大于10 m 时，排土机荷载对抗滑稳定性无影响。稳定性系数计算结果见表1。

表1 稳定性系数计算结果Table 1 The calculation result of stability coefficient

5 渗流稳定性分析

排土场的渗流计算是为排土场抗滑稳定性分析提供浸润线参数，稳定性计算一般只关心最危险的情况，即某次降水地下水能达到的最高位置，因此，只计算稳定流即可。认为区域中地下水位在一定时期内认为是相对稳定的，因此可选取典型的排土场断面建立排土场渗流的二维数学模型，利用稳定渗流分析软件，计算浸润线的分布。在此铁矿南排土场选择1 条典型剖面进行渗流计算，有限单元法比较灵活，适应性强，能较好地描述边界条件，对变动的边界条件也能处理，对非匀质问题处理比较简单，综合分析，采用有限元法进行排土场潜水渗流场的模拟计算。当认为水和散体不可压缩时，稳定渗流基本方程为

其边界条件为

式中，h0为边界水头，n 为边界的外法线方向，z 为浸润线上各点的几何纵坐标值。渗流分析结果如图2所示。

图2 渗流分析结果Fig.2 Seepage analysis diagram

计算结果:计算剖面的浸润线在堆排体以下，在排土场沟谷的坡脚处，地下水位埋藏较浅，有少许渗出的可能性。实际观察来看，南排土场下游的部分沟谷中有少量地表水。这符合此铁矿排土场岩性较好，散体块度较大，渗透性较好的实际特征，可以作为现状稳定性分析的依据。

6 整体抗滑稳定性验算

经过前面的分析计算，已经初步确定了胶带排土最大台阶高度，还需要计算当胶带排土到初步确定的最大台阶高度时排土场边坡整体抗滑稳定性。若整体抗滑稳定性系数也满足安全系数限值要求，则初步确定的胶排最大台阶高度即是胶排最大台阶高度。整体稳定性计算如图3。

图3 整体稳定性计算Fig.3 The calculation of overall stability

根据排土场原始地形地貌及排土场地基的工程地质条件，选择1 条典型剖面(与渗流分析剖面相同)进行整体抗滑稳定性计算，根据破坏模式分析，计算方法选瑞典圆弧法，安全系数自然工况Fs≥1.25;降雨工况Fs≥1.15;地震工况Fs≥1.15。计算结果如表2。

表2 稳定性系数计算结果Table 2 The calculation results of stability coefficient

从计算结果可以看出，当胶带排土台阶高度为75 m 时，排土场整体稳定性系数计算值在3 种工况下均大于安全系数限值。

7 数值分析

7.1 计算方法

排土场的数值分析拟采用有限差分法。数值分析的目的是了解排土场的应力场分布特征以及位移场特征。

7.2 计算模型的建立

排土场堆排体的变形是伴随着自身重力压密过程产生的，与时间相关，随着时间的推移，重力压密逐渐完成，变形也随之完成，也就是说，一定时间之后，排土场堆排体不再产生自身压密变形。

根据堆排时间，将整个排土场划分为以下3 个区域。

(1)Ⅰ区:胶排台阶最近堆排部分。胶排移设周期取决于排土场土线长度和排土厚度，一般为2 ～3个月，假定胶排移设周期为2 个月，把胶排台阶堆排时间在2 个月之内的部分划分为该区，根据排土计划，该区宽度约为120 m。该区一般为排土机作业时所在区域，其应力、应变问题是我们关心的核心问题，也是确定排土机安全距离的重要因素。

(2)Ⅱ区:胶排台阶较早堆排(后缘)部分。把胶排台阶堆排时间超过2 个月的部分划分为该区，认为自身压密变形基本完成。

(3)Ⅲ区:下部汽车排土部分。可以看做是胶带排土的地基。由于汽车排土场已经形成较长时间，可以认为其自身压密变形已完成，只是在上覆胶排堆体作用下产生相应的变形。

计算模型见图4。

图4 数值分析计算模型Fig.4 Numerical analysis model

7.3 计算结果

有限元数值分析结果见图5、图6。

图5 位移分布Fig.5 Displacement distribution

图6 位移矢量Fig.6 Displacement vector

7.4 结果分析

根据计算结果，可以得到结论:排土场变形由坡面至后缘方向是逐渐减小的过程，排土场边坡坡顶线附近最大，而排土场后缘处最小，其表现形式为产生大体平行于边坡埋线的沉降裂缝，越靠近边坡坡顶线裂缝规模越大。

8 排土机安全距离的确定

排土机安全距离越小，轨道移动次数越少，向前推进的空间越大，胶带排土机效率越高。

8.1 抗滑稳定性计算结果

排土场稳定性计算结果表明，当排土机距坡顶线距离大于10 m 时，排土机荷载对抗滑稳定性无影响。

8.2 数值分析结果

数值分析结果表明，排土场变形由坡面至后缘方向是逐渐减小的过程，排土场边坡坡顶线附近最大，而排土场后缘处最小，其表现形式为产生大体平行于边坡埋线的沉降裂缝，越靠近边坡坡顶线裂缝规模越大。当胶带排土段高为75 m 时，排土机距坡顶线的距离不宜小于30 m。

8.3 调查结果

根据相似材料排土实例调查，当排土场台阶边坡稳定性符合要求时，变形较大的部位出现在眉线部位，宽度大约为排土高度的1/5 ～1/3，当下部覆盖错开台阶部位时，由于排土高度骤变产生沉降差较大，排土速率较快时，沉降较大或出现裂缝区域接近台阶高度的0.35 倍，这与理论计算极其接近。当然，排土场地基材料、地基地形、排土速率均为安全距离的影响因素，实际操作中应综合考虑。

8.4 安全距离推荐值

安全距离与胶排材料的性质、胶排地基、台阶高度及排土速度相关，根据此铁矿南排土场实际情况，结合分析计算结果，推荐排土机距坡顶线的安全距离经验值为胶排段高的1/2。

安全距离推荐值的前提条件是，前期汽车排土场作为胶带排土的地基，当胶排地基为黄土时，安全距离应增大。

9 结 论

胶带排土最大推荐段高为75 m，胶带排土机距排土场坡顶线的安全距离为胶排段高的二分之一，适用条件是，下部汽车排土场作为胶带排土的地基;胶排推进过程中，遇到黄土覆盖的山坡时，排土顺序为先坡脚后坡顶，避免顺坡排土，黄土作为地基时的排土段高(黄土坡脚至坡顶的高度)建议不超过汽车排土场设计段高;胶排推进过程中，在排土段高突变或覆盖黄土山坡时，可能产生较大规模裂缝，该裂缝是差异沉降的结果，应加强监测;应合理安排排土计划，并控制排土速度，尽可能延长排土机移设周期，使排土机工作面所在的堆排体有较充足的固结时间;排土过程建议进行日常检查。日常检查和检测发现危险迹象时及时治理。

［1］ 石 伟，邓 克. 大型露天矿山胶带排土工艺的研究［J］. 中国矿业，2004，13(10):14-18.

Shi Wei，Deng Ke.Technology study of adhesive tape drainage rock in large open-pit mines［J］.China Mining，2004，13(10):14-18.

［2］ 许雁超.庙沟铁矿东排土场稳定性研究及治理措施探讨［J］.金属矿山，2011(11):48-52.

Xu Yanchao，Discussed on stability of the Eastern Dump in Miaogou Iron Mine and its control measures［J］.Metal Mine，2011(11):48-52.

［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规则［S］.北京:煤炭工业出版社，2005.

The State Bureau of Safe Production Supervision and Administration.AQ2005—2005 Waste Dump Safety Regulations for Metal ＆ Nonmetal Mines［S］. Beijing:China Coal Industry Publishing House，2005.

［4］ 中华人民共和国建设部. GB50421—2007 有色金属矿山排土场设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

Ministry of Construction of the People ＇s Republic of China.GB50421—2007 Code for Waste Dump Design of Nonferrous Metal Mines［S］.Beijing:China Planning Press，2007.

［5］ 国家安全生产监督管理局.GBl6423—2006 金属非金属矿山安全规程［S］.北京:国家安全生产监督管理局，2005.

The State Bureau of Safe Production Supervision and Administration.GBl6423—2006 Safety Regulations for Metal and Nonmetal Mines［S］.Beijing:The State Bureau of Safe Production Supervision and Administration，2005.

［6］ 中华人民共和国建设部. GB/T50123—1999 土工试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1999.

Ministry of Construction of the People＇s Republic of China. GB/T50123—1999 Standard for Soil Test Method［S］. Beijing:China Planning Press，1999.

［7］ 中华人民共和国国土资源部.DZ/T0219—2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范［S］.北京:中国标准出版社，2005.

The ministry of land and resources of the People＇s Republic of China.DZ/T0219—2006 Specification of Design and Construction for Landslide Stabilization［S］.Beijing:China Standards Press，2005.