某高边坡排土场排土工艺优化对比

2018-03-21李小艾屈晓朋

现代矿业 2018年2期

李小艾屈晓朋

(中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司)

某铁矿2#排土场现采用胶带机—排土机排土系统单台阶排土，排土机站立标高为600 m，坡底标高约320 m，台阶高280 m；终了状态时的设计台阶高度将达到320 m。排土机排岩系统建成投产后，由于2#排土场的排土机排土部位是单台阶、高段高排土作业，自2002年先后发生过2次局部中、小规模滑坡事故和多次水石流(排土场坡面稀性泥石流)事故，对矿山排土作业安全、下游村庄和设施造成了一定程度的影响。

2014年某科研机构对矿山开展排土场的稳定性及排土规划设计可行性论证研究得出，排土场单台阶整体边坡在自然工况时属于病级排土场，降雨工况时属于危险级排土场，应结合矿山开拓系统，调整排岩工艺，降低排土髙度，减少水的影响，从本质上解决排土场的高台阶排土安全问题。

为了保障矿山排土作业及排土场下游居民和相关设施安全，满足安全生产监督管理部门日益健全、严格的监管要求，矿山开展了排土工艺优化及综合治理工作。

1 排土场台阶高度的确定

根据排土场堆置总高度、排土总容积，参照《冶金矿山排土场设计规范》(GB 51119—2015)[1]，该排土场等级为一级。在综合考虑自然、地震、降雨及其组合作用以及发生频率等条件后确定工况条件：自然工况为不考虑降雨和地震影响；降雨工况为自然工况+降雨，只考虑降雨影响，不考虑地震影响；地震工况为自然工况+地震，只考虑地震影响，不考虑降雨影响。台阶高度确定、验算时的安全稳定性标准为自然工况1.10,降雨工况1.05,地震工况1.02。

根据台阶边坡角、堆置体的物理力学参数的推荐值和排土场边坡的圆弧破坏模式，使用Slide软件对不同高度的台阶边坡采用Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price法等极限平衡分析方法计算最危险滑动面的安全系数，直至台阶边坡在各种工况条件下的最危险滑动面的安全系数大于允许安全系数；同时对降雨、地震工况条件下通过排土机站立位置(坡顶眉线以内30 m处)的滑动面的安全系数进行分析与计算后，确定排土机排土工艺的台阶高度控制在不大于170 m时，汽车直排工艺的台阶高度控制在不大于160 m时，台阶安全系数均能够满足设定的台阶安全稳定性标准要求。

根据排土场现状到终了状态总堆置高度(280～320 m)、采用汽车直排或排土机排土方式的台阶最大高度，排土场由现状单台阶排土调整为2个台阶的多台阶排土。为充分发挥排土机排土优势，上部台阶高度确定为170 m。

2 排土场工艺优化

下部台阶的形成有溜槽溜放与汽车倒排、汽车直排、排土机下行转场排土、排土机与电铲倒排结合等工艺方式，其中,排土机下行转场排土不适应目前排土场用地空间、地形地貌特点以及排土场边坡等现状条件；采用电铲倒排方式需要多次倒排，投资和运行费用都十分巨大，目前矿山生产难以承受。因此,由单台阶排土调整为2个台阶组成的多台阶排土场时,下部台阶的排土工艺有溜槽溜放—汽车倒排、自卸汽车直排可供选择。

2.1 溜槽溜放—汽车倒排工艺方案

溜槽是利用岩石的势能将其自高处搬运至低处的一种运输设施，是克服高差最有效、最经济的运输方式之一[2]。

2.1.1 溜槽位置的确定

利用排土场2个排土机排土部位之间的鞍部地形条件，布置南、北2条溜槽，位置见图1。

2.1.2 溜槽主要技术参数

根据山脊及南北区域地形条件确定溜槽上部受料口标高为590 m;南溜槽底部标高为398 m，斜倾角为45°；北溜槽底部标高为400 m，斜倾角上部为55°，下部为45°;溜槽底宽2.5 m,最小深度为2.0 m;溜槽侧壁坡脚为1∶0.5。

2.1.3 溜槽下部料堆及转载能力

根据能量守恒原理[3]计算溜槽下部岩石滑动距离达到23.52 m。溜槽下部倒装设备采用4 m3液压挖掘机，其最大挖掘高度为10 m。根据有关规程、规范中料堆高度不得大于挖掘设备最大挖掘高度1.5倍的要求，料堆高度为15 m。每个溜槽下部料堆的容积可达2万t，满足现状胶带排土运输系统1班的岩石堆存需求。

图1 溜槽平面位置

考虑到转载的岩石块度最大为350 mm，液压挖掘机的能力为165万t/a，根据每个溜槽下部倒装场地的大小均可布置2台挖掘机进行倒装作业。经核算，溜槽下部的料堆5班可完成倒装、运输作业。

根据排土进度计划，南侧区域下部台阶在剩余服务年限完成，经计算，南侧区域下部台阶需要的倒排能力为485万t/a。为此，在南、北区域倒装场地间开凿一条联络隧道，以达到向对方区域运输岩石的通行需求。隧道通过能力验算结果表明，单车道隧道的能力满足需要。

2.1.4 胶带运输系统的改造

如图1所示，在溜槽上部沿山脊向东新建6#固定胶带机至现状3#转运站，同时抬高现状3#转运站，并在其下部、现有4#移置式胶带机与新建6#固定胶带机的上方新建5#可逆胶带机平台。采场内剥离的岩石利用现状破碎-胶带系统运输至600 m平台后，经改造的3#转运站与新建5#可逆胶带机分时输送至下部的现有4#移置式胶带机或新建6#固定胶带机，现有4#移置式胶带机通过卸料小车将岩石转运到排土机排弃；新建6#胶带机将岩石输送到溜槽上部的分料点，分别由南、北溜槽溜放至各自下部转载平台，液压挖掘机装自卸汽车后，运输至排土场下部台阶排弃。改造后的胶带运输系统见图2。

2.1.5 排土作业制度变化

溜槽系统投入运行后，胶带排岩系统的作业制度调整到2 d一个循环，其中溜槽系统生产2班；每个循环内各溜槽均有1班向下部倒装场地溜放岩石，其余5班下部倒装场地的液压挖掘机与自卸汽车进行倒装、运输与直排作业。

图2 改造后的胶带运输系统平面布置

上部胶带排岩系统在2 d一个周期的循环内非溜槽作业时间均采用现状4#移置式胶带机和排土机在上部台阶进行排土作业。

2.2 汽车直排工艺方案

现状南侧区域排土场边坡坡底至征地界限外约70 m的范围被滑坡体覆盖，征地界限处的滑坡体标高约320 m。

汽车直排工艺方案调整目前矿山实施的在4#胶带机头部南侧边坡坡底，自3#路580 m回头处向西沿排土场坡底修筑反压平台的路由，调整现状道路的纵坡后,在现有征地界限内继续西北方向的低处延伸至2个区域间山脊处500 m标高，最终形成南侧区域600 m台阶以下的580～500 m台阶。

南侧区域580～500 m台阶在中部高度将达到190 m，超出设定的允许安全系数下的汽车直排工艺的台阶高度(不大于160 m)，为此，设计在其下部增设355 m台阶，由于该台阶无法采用排岩作业修筑，需要利用滑坡体废石或开挖北侧山体进行修筑。

南侧区域下部580～500 m台阶形成后，越过南、北区域间的山脊上500 m标高的垭口，延伸至北侧区域并沿其外侧采取下坡筑坝式汽车直排作业至其西北部450 m标高处，在外侧形成一个标高500～450 m拦挡坝，最终成为终了状态时600 m台阶排土边坡以下台阶。

与矿山现在执行的设计相比，汽车直排作业的汽车运距变长，需要相应增加部分岩石运输自卸汽车。汽车直排工艺方案的排土场平面布置见图3。

2.3 方案比较2.3.1 可比投资比较

溜槽溜放—汽车倒排工艺方案中的可比投资除现有胶带运输系统改造、溜槽及其底部倒装场地、联络道路和倒装、运输设备外，还包括连通南、北区域倒装场地的联络隧道。

汽车直排工艺方案中的可比投资主要包括底部355 m平台修筑、岩石运输道路路面及增加的矿用自卸汽车。

图3 汽车直排工艺方案平面布置

经计算，溜槽溜放—汽车倒排工艺方案的可比投资为8 217.02万元，汽车直排工艺方案的可比投资达到46 585.41万元，2个方案的可比投资对比见表1。

2.3.2 运营费用比较

根据排土进度计划，溜槽溜放—汽车倒排工艺方案中，2个区域下部430 m台阶的岩石总量为1 722万t，在南部区域剩余的3 a服务年限内完成；而汽车直排工艺方案中，南侧区域580～500 m台阶和北侧区域500～450 m台阶的岩石总量达到8 017万t，由于前2 a缺少来自露天采场内的直排岩石,南侧区域形成580～500 m台阶的岩石量不得不采用排土机排弃的岩石经倒装自卸汽车后完成。

根据矿山的运营指标计算出溜槽溜放—汽车倒排工艺方案运营费用为4 060.51万元，汽车直排工艺方案的运营费用达到51 762.28万元，2个方案的运营费用对比见表2。