某露天矿排土场高台阶排土工艺优化治理

文发青 董红彦 冯俊颖 杨维葳 屈晓朋 王丽萍

(中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066004)

我国大型露天矿自胶带运输—排土机排土工艺广泛应用以来，为矿山追求高效益生产，降低汽车运距，节约生产成本起到了积极的作用[1-2]。

东北某铁矿排土场采用胶带运输—排土机排土系统进行单台阶排土，现台阶高度达到280 m，设计终了状态时的台阶高度将达到320 m。排土机排土系统建成投产后，该排土场排土机排土部位由于是单台阶、高段高排土作业，自2002年起先后发生过2次局部中、小规模滑坡事故和多次水石流事故，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。

随着对排土场安全监管的日益加强，该矿于2014年委托某研究机构开展了稳定性及排土规划设计可行性论证研究，研究结论为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”，提出“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，才能从本质上解决排土场的高台阶排土安全问题”等建议。

本课题就在满足安全稳定要求的前提下，研究论证最大限度地利用现有工艺及设备，优化排土场排土工艺及排土场堆置参数。

1 排土场现状

该排土场自南向北由黄柏峪河北侧河谷(永安村北)、冯家东沟和南芬大东沟3个排土区域组成，地形较陡，山谷较深。原设计在排土场安排了2种排土工艺，其中冯家东沟和大东沟采用胶带运输—排土机排土工艺，采用单台阶排土，排土平台标高为600 m，排土场堆置高度达到200～320 m；在南侧的黄柏峪河北侧河谷(永安村北)则采用自卸汽车直排排土工艺，设计了450 m、500 m、550 m 3个台阶，各台阶终了时设置安全平台，宽度为25～30 m。排土场设计容量为2.05亿m3，服务年限20 a(2009—2029年)。

大东沟区域排土机排土投产后，自2002年起先后发生过1次局部小规模滑坡和3次水石流事故，排土机转移至冯家东沟区域后，在排土场坡面上采用汽车直排方式覆盖块度相对较大的岩石后封闭停产至今。目前冯家东沟区域正采用排土机单台阶排土，现状台阶高度达到280 m，排土机高段高单台阶排土作业时，该区域先后发生过2次水石流和1次中等规模滑坡事故。

黄柏峪河北侧河谷(永安村北)区域为采用自卸汽车直排工艺的区域，现状排土场坡脚大多己达设计边界，且坡脚隔黄柏峪河紧邻地方道路；排土场的西侧端部尽管未达到设计边界区域尚有部分剩余收容能力，但该部位存在早期民营选矿厂无序排放的薄层尾矿，由于多年来不再使用，受其影响排土场坡脚不宜进行向前推进并跨越该处薄层尾矿，因此已无收容能力。

2 排土工艺现状

排土场包括3个排土区域，自南向北分别是黄柏峪河北侧(永安村)、冯家东沟、大东沟。其中冯家东沟、大东沟区域采用矿用自卸汽车—破碎—胶带机运输—排土机排土工艺排弃露天采矿场上盘剥离的岩石，黄柏峪河北侧(永安村)采用自卸汽车直排排土工艺排弃露天采矿场上盘剥离的岩石。

2.1 胶带机运输—排土机排土工艺

排土场现状胶带机运输—排土机排土工艺系统如图1所示。

排土场现胶带机运输—排土机排土工艺系统由382 m岩石破碎站、486驱动转载站、斜井胶带机、排土场内胶带机(含固定式胶带机、移置式胶带机)以及排土机组成。露天采场内剥离的岩石由矿用自卸汽车运至382 m岩石破碎站破碎后经斜井胶带机运至排土场600 m排土平台上的固定和移置式胶带机转给排土机进行排弃。由于382 m岩石破碎站位于扩帮后的四期开采境界内，位于上盘开采境界外北端310 m标高处的310 m固定破碎站目前已经建设完成，正进行试运转。

图1 胶带机运输—排土机排土工艺系统

2.2 汽车直排工艺

排土场内汽车直排排土部位位于排土场南侧的黄柏峪河北侧河谷(永安村北)，原初步设计设计了450 m、500 m、550 m 3个台阶，各台阶终了时设置安全平台，宽度为25～30 m。目前该部位由于设置运输平台形成430～510 m、560 m和660 m 3个主排土平台，其中430～510 m平台的坡脚大多己经到界且下方隔黄柏峪河紧邻地方便道，在其西南侧坡脚部位用地被民营尾矿库占用，排土场不能继续向前推进，已无排土空间；560 m排土平台受下部430～510 m平台上的运输道路的影响也无排土空间；660 m排土平台尚存少量收容能力。

3 不同排土工艺的台阶高度确定

台阶高度的确定是多台阶排土主要堆置要素设计的重要环节，应力求做到安全性与经济性的有机统一，即在确保台阶边坡安全稳定的前提下，尽量加大台阶高度，减少台阶数量，减小基建工程量与运输距离，提高排土效率，降低排土成本，从而提高矿山生产的经济效益。

参照《GB51119—2015 冶金矿山排土场设计规范》及相关文献，当破坏模式为圆弧破坏时，可采用Morgenstern-price法、Bishop法、Spencer法或强度折减法的相关要求，使用Slide软件对不同高度的台阶边坡进行搜索确定其最危险的滑动面，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[3-7]。

经过计算，采用排土机排土工艺的台阶高度控制在不大于170 m时，采用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允许安全系数要求。

4 单台阶排土工艺优化

排土场大东沟与冯家东沟区域采用排土机排土形成的单台阶排土场堆置高度达到近280 m，原初步设计确定的排土场终了状态时总堆置高度将达到320 m。

根据某研究机构研究结果：排土场大东沟区域和冯家东沟区域现状，在自然工况条件下“单台阶整体属于病级排土场”、降雨工况状态下 “单台阶整体属于危险级排土场”。原初步设计确定的“单台阶胶带排岩排土方式” 推进至终了状态后排土场边坡“本体内部滑坡风险增加”，在自然工况条件下“稳定性安全系数最低为1.00，稳定性不能满足既有设计和规范要求”，属于病级排土场；在降雨和地震工况条件下稳定性安全系数小于1.00，属于危险级排土场。因此均需要调整排土场设计参数，通过最外部覆盖式压坡脚台阶的设计，降低整体边坡角，从本质上解决高台阶排土带来的安全问题。

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，排土场大东沟区域和冯家东沟区域由单台阶排土可调整为2个以上台阶的多台阶排土。

4.1 台阶个数与台阶高度的确定及下部台阶形成方式

下部台阶的形成有重力溜放与汽车倒排、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。

调整为多台阶排土场的下部台阶的台阶高度、形成方式应综合排土成本、台阶高度均衡以及工艺实现的可行性等因素，如采用重力溜放与汽车倒排工艺则应充分发挥重力溜放，利用岩石的势能将其自高处搬运至低处这种克服高差最有效、最经济的优势，在地形条件允许的情况下尽力提高溜放设施高度，降低下部台阶标高，减少下部台阶岩石量，以便减少汽车倒排岩石的运输费用；如采用汽车直排工艺则应尽量减少下部台阶的直排岩石量，以便减少汽车运输费用；如果采用排土机工艺时则应综合上下台阶高度的均衡、上下台阶的排土线长度及其移设次数对排土效率的影响等因素；如采用电铲倒排则需要考虑每个倒排台阶的高度、倒排台阶的作业平台宽度、电铲效率以及每个台阶可以布置电铲的数量等因素，为减少倒排台阶数量在下部台阶高度满足其自身及整体边坡稳定的前提下尽量增大下部台阶的台阶高度。

4.2 排土机下行转场排土

根据冯家东沟区域用地空间、地形地貌特点以及排土场边坡现状，下部台阶如果采用排土机排土工艺，下行胶带机自现3号转运站向西南方向需在冯家东沟区域北侧的现排土场边坡上修筑下行胶带机路堤。该初始路堤位于北侧，而在既有征地范围内填筑初始路堤的外部道路仍需要自南侧进入，道路填方量巨大，基建时间长，另外还占据大部分排土空间，影响600 m台阶的排土机排土；同时下部台阶容量较小、排土机移设频繁、服务时间短，因此不适合采用排土机排土工艺。

通过对大东沟区域现用地空间、地形地貌特点以及整体边坡的台阶组成进行分析，尽管其下部台阶可以采用排土机排土工艺，但同冯家东沟区域一样也存在着修筑下行胶带机路堤、排土场初始路堤以及排土机转场联络道路等工程的填方量巨大、基建时间长等严重不足，因此也不适合采用排土机排土工艺。

4.3 电铲倒排

单台阶排土场采用电铲倒排配合排土机排土调整为多台阶排土场，如果直接在下部台阶的设计标高位置进行倒排势必会因对排土场边坡 “掏底”而影响排土场边坡稳定、引起边坡滑坡事故，同时电铲作业的人员与设备安全也得不到有效保证。

同时，电铲站立平台距上部排土机排土平台的高差也远大于电铲挖掘高度，违反《GB16423—2006 金属非金属矿山安全规程》第5.2.1.1条有关不需爆破的松软岩土台阶高度“不大于机械的最大挖掘高度”、机械铲装需要爆破的坚硬稳固矿岩的台阶高度“不大于机械的最大挖掘高度的1.5倍”以及第5.2.1.2条“挖掘机或装载机铲装时，爆堆高度应不大于机械最大挖掘高度的1.5倍”，《GB50830—2013 冶金矿山采矿设计规范》第7.2.1条“1 需穿爆的矿(岩)，台阶高度不应超过挖掘机最大挖掘高度的1.5倍。 2 不需穿爆的矿(岩)，台阶高度不应超过挖掘机最大挖掘高度”的规定[8-11]。

因此，电铲倒排必需从排土机排土平台以下以符合规程、规范要求的台阶高度逐级倒排直至达到确定的下部台阶的设计标高。采用排土机排土电铲倒排形成下部台阶，为减少上部台阶的电铲倒排量，下部台阶的台阶高度可采用排土机排土工艺的最大允许高度。根据大东沟、冯家东沟2个区域的现状，大东沟区域下部台阶的标高最低可达450 m，台阶高度为170 m，上部600 m台阶排土机和电铲倒排台阶的台阶高度最大可达150 m；冯家东沟下部台阶的标高为490 m，台阶高度最大为170 m，上部排土机和电铲倒排台阶的台阶高度为110 m。

4.3.1 电铲倒排台阶高度及台阶数量

电铲倒排台阶高度及其倒排平台宽度详见图2。

图2 电铲倒排台阶高度、倒排平台宽度

从图2可以看出，电铲倒排排土机排土形成的边坡堆置体时，由于边坡角较缓，其台阶高度除受电铲的最大挖掘高度控制外，更受电铲最大挖掘半径控制。为增加倒排台阶的台阶高度和倒排平台的宽度、减少倒排电铲的数量，设计选用WP-6长臂型电铲。

根据WP-6长臂型电铲的主要参数结合图2，电铲倒排台阶的台阶高度为15 m。这样，大东沟区域形成下部450 m台阶，则需要设置10个倒排台阶，需要倒排10次方可最终形成下部台阶；冯家东沟区域排土机在600 m平台排土，下部采用电铲倒排方式形成490 m台阶，则需要设置8个倒排台阶，需要倒排8次方可最终形成下部台阶。

4.3.2 电铲倒排的生产能力及电铲数量

电铲倒排的生产能力经计算，倒排电铲的台年效率为598.8万t/a。

排土机的设计排土能力为2 000万t/a，因此每个倒排台阶均需配备4台电铲方可满足倒排需求。

大东沟区域设置的倒排台阶为10个，冯家东沟区域设置的倒排台阶为8个，因此需要配置的WP-6长臂型电铲数量为40台。

4.3.3 投资与经营费估算

倒排需要配置30台WP-6长臂型电铲，其询价为1 500万元/台，需要新增投资6.0亿元。

电铲倒排费取0.45元/(t·次)，汽车运输费用取1.5元/(t·km)。大东沟区域需要倒排10次、冯家东沟区域需要倒排8次方可最终形成多台阶排土场的下部台阶，因此其倒排费用分别达到4.5元/t和3.6元/t，折合汽车运距可达到3.0 km和2.4 km。

同时，2个区域剩余的排土场容量(大东沟区域8 902万m3、18 694万t；冯家东沟区域5 488万m3、11 525万t)均需经过多次倒排方可最终形成多台阶排土场的边坡组合，其电铲倒排费用合计达到8.83亿元。

采用电铲倒排方式将2个区域由单台阶排土调整为2个台阶组成的多台阶排土场的投资和运行费用都十分巨大，将是目前矿山生产难以承受的。

综上所述，排土场大东沟区域和冯家东沟区域由单台阶排土调整为2个以上台阶的多台阶排土场时，下部台阶不宜采用电铲倒排方式形成。

4.4 溜槽溜放—汽车倒排工艺

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工艺设施，是克服高差最有效、最经济的运输方式之一。

4.4.1 溜槽位置的选择

经过对冯家东沟区域溜槽可布置范围的分析，综合考虑大东沟区域溜槽的布置后确定2个区域的溜槽位置，详见图3。

图3 溜槽平面位置

4.4.2 溜槽下部料堆及倒装能力

经初步核算冯家东沟排土场剩余容积为9 832万t，根据原初步设计进度计划排土场需要收纳的岩石截止到2019年为9 990万t，2020年为4 031万t，因此冯家东沟区域尚可服务到2020年上半年。考虑溜槽系统的建设工期暂按其2016年底投产，因此冯家东沟区域尚有2.99 a的服务年限。

现胶带排土系统设计能力为2 000万 t/a，平均每班生产能力为2.02万t。

溜槽下部倒装设备采用4 m3液压挖掘机，其最大挖掘高度达到10 m。根据有关规程、规范的要求，料堆高度不得大于挖掘设备最大挖掘高度的1.5倍，料堆高度设计采用15 m。每个溜槽下部料堆的容积可达2万t，满足现胶带排土运输系统1个班次的岩石堆存需求。

考虑到转载的为破碎后块度最大为350 mm的岩石，液压挖掘机的能力采用165万t/a，根据料堆及倒装场地可布置2台挖掘机进行倒装作业。经核算溜槽下部堆存的料堆需要5班方可完成倒装、运输作业。

4.4.3 下部台阶需要的排土量

为减少初期排土量并考虑联络道路在少征地前提下所能到达的标高，排土场下部台阶采用分期修筑。

根据溜槽下部转载场地标高及冯家东沟区域的空间现状，其下部台阶采取分步填筑380 m和430 m，最终台阶标高为430 m。大东沟区域下部台阶标高取决与2个区域溜槽下部转载场地的对外联络道路的不同而有较大的差异，但总体上来说由于大东沟区域下部台阶的排土量较大，根据溜槽系统的能力其不能在冯家东沟区域排土结束前完全形成，但由于上部胶带系统的限制，排土机转移到大东沟区域作业后将无法通过胶带机系统将岩石输送至溜槽上部，因此需要在排土机转移到大东沟区域作业前形成部分台阶以达到拦挡效果，根据溜槽系统的初步方案，大东沟区域自溜槽下部转载平台400 m标高可形成最低至360 m的下部台阶，其余的下部台阶需要在大东沟区域上部台阶排土机作业终止后将胶带系统移置到改造后的3号转运站位置再度形成溜槽系统后填筑完成。

经计算冯家东沟区域下部台阶的排土量为1 449万t，大东沟区域下部360 m台阶的排土量为423万t，初期需要经过溜槽系统完成的下部台阶排土总量为1 872万t。

4.4.4 溜槽下部倒装场地能力需求

在冯家东沟区域尚存的2.99 a的服务年限内需要溜槽系统的能力达到626万t/a。受溜槽下部倒装场地工作面的限制，每个溜槽下部的料堆及倒装场地仅可布置2台挖掘机进行倒装作业，每个倒装场地的能力为330万t/a，需要在2个倒装场地内各布置2台挖掘机方可满足生产需要，其中大东沟区域倒装场地的1台为冯家东沟430 m平台服务，另1台为大东沟400～360 m平台服务。

为满足下部台阶的形成需要，在冯家东沟区域和大东沟区域溜槽下部的倒装场地间需要通过隧道连通以达到向对方区域运输岩石的通行需求，对隧道通过能力进行验算的结果表明单车道隧道的能力能够满足需要。

4.4.5 溜槽下部倒装场地的对外联络道路

为满足溜槽下部倒装场地内作业人员与设备的对外联络，需要在倒装场地与外部道路间新建联络道路。联络道路以冯家东沟区域现状滑坡体外280 m标高处为起点修筑道路，以尽量在现有用地及滑坡体占地范围内充分利用滑坡体为前提采取折返展线，最终到达倒装场地。

4.4.6 联络隧道

为满足冯家东沟区域下部台阶的排土能力需要以及大东沟区域倒装场地的对外联络需求，需要在2个倒装场地之间设置1条隧道，隧道长度430 m，大东沟区域端的设计标高为400 m，冯家东沟区域端的设计标高为394.30 m，隧道内平均纵坡为1.33%。

4.5 汽车直排工艺

现冯家东沟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为320 m。

本方案调整目前矿山实施的在冯家东沟区域南端、4号胶带机头部的南侧边坡坡底自3号路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，最终形成冯家东沟区域600 m台阶以下的580～500 m台阶。

经计算冯家东沟区域下部580～500 m台阶的排土量达到2 947万m3(6 189万t)，其中需要通过自卸汽车直排的为2 063万m3(4 332万t)。

通过对现冯家东沟地形及下部滑坡体的高程分析发现580～500 m台阶在中部的台阶高度将达到190 m，超出研究得出的汽车直排工艺台阶高度不大于160 m的要求，为此设计在其下部增设台阶，该台阶由于无法采用排岩作业修筑，需要利用滑坡体废石或对开挖北侧山体进行修筑，为减少其工程量，在满足整体边坡安全要求的前提下尽量降低其台阶标高，设计确定其标高为355 m，体积为18.2万m3。

在冯家东沟区域下部580～500 m台阶形成后，越过与大东沟区域间的山脊上500 m标高的垭口后延伸至大东沟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的450 m标高处，最终在外侧形成一个标高500～450 m的拦挡坝，成为终了状态时600 m台阶下部的台阶。经计算500～450 m拦挡坝的容积为1 755万m3(3 685万t)。

与原初步设计相比，本方案汽车直排作业的运距变长，需要相应增加部分运输自卸汽车。设计参照现矿山岩石运输主导设备MT3700B电动轮自卸汽车的台年效率(2014年为640万t·km，出车率达到97.4%)，按照570万t·km/a的指标计算需要增加的岩石运输设备数量。增加的运距及需要增加的汽车数量详见表1。

表1 需要增加的运输设备计算

该方案不需要大量新增用地，仅需在现滑坡体的末端部位为修筑355 m台阶的联络道路新增0.53 hm2的用地(不含冯家东沟滑坡体需新增的1.60 hm2用地)。

4.6 溜槽溜放—汽车倒排工艺与汽车直排工艺的方案比较

4.6.1 可比投资

溜槽溜放—汽车倒排工艺与汽车直排工艺2个方案的可比投资比较详见表2。

表2 可比总费用比较

4.6.2 运营费用比较

汽车直排工艺由于冯家东沟区域下部580～510 m台阶、大东沟区域下部500～450 m台阶的标高较高，导致直排量大，经计算分别达到4 332万t和 3 685万t；而采用溜槽溜放—汽车倒排工艺时2个区域的下部台阶标高均为430 m，冯家东沟区域下部430 m台阶的直排量仅为1 449万t；大东沟区域下部430 m台阶的初期标高仅为400～360 m，直排量为423万t。

设计采用指标：倒装费用1.3元/t；胶带运费0.7元/(t·km)；汽车运费1.5元/(t·km)。

进行2方案的运营费用比较表从略。

4.6.3 方案确定

溜槽溜放—汽车倒排工艺与汽车直排工艺2个方案的可比投资与运营费用之和的可比总费用比较详见表2。

经过对溜槽溜放—汽车倒排工艺与汽车直排工艺的可比投资与运营费用比较，汽车直排工艺方案的总费用为溜槽溜放—汽车倒排工艺方案的8.01倍。溜槽溜放—汽车倒排工艺方案由于其具有下部台阶岩石直排量小、汽车运距较短等优点，其可比投资和运营费用均具有明显的优势，因此设计推荐采用溜槽溜放—汽车倒排工艺方案作为排土场排土工艺优化中下部台阶的排土工艺。

4.7 上部台阶的排土工艺

大东沟区域和冯家东沟区域的上部600 m台阶仍然采用排土机排土工艺。冯家东沟区域下部 430 m台阶与上部600 m台阶的坡脚之间存在不同高度的高差，该高差可有效地避免上部600 m台阶滚石等危害。在排土过程中上、下2个台阶间的排土作业基本互不影响，可以同时生产。

待冯家东沟区域600 m台阶的排土空间使用完毕后，排土机转移到大东沟区域进行排土。上部600 m台阶将胶带斜井出口西侧的转载站改造为可旋转的转载站，将排土场内的2条胶带转移至大东沟排土场并适当调整其各自的长度。其中原移置式胶带仍然作为移置式胶带，另一条胶带为延伸胶带。排土过程中根据征地界限的变化调整胶带的长度，以充分利用现有的排土空间。

5 结 论

根据排土场现状到终了状态总堆置高度较高(280～320 m)，采用汽车直排或排土机排土方式的台阶最大高度限制条件，排土场大东沟区域和冯家东沟区域由单台阶排土可调整为2个以上台阶的多台阶排土。

通过对下部台阶的形成可采用的多种工艺(重力溜放与汽车倒排、汽车直排、排土机下行转场排土、排土机与电铲倒排结合)的比较，得出采用溜槽溜放—汽车倒排工艺方案作为排土场排土工艺优化中下部台阶的排土工艺最为合理的结论，上部600 m台阶仍然采用排土机排土工艺。

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