某多台阶排土场堆置参数优化分析及稳定性研究

韩亚兵

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628）

排土场是一种特殊的人工建造形成的高、大散体介质堆积体，用于集中堆存矿山采矿排弃物。国内排土场设计追求“最少征地、最大容量、尽可能离露天采场近”，逐渐形成了排土场高（如南芬矿庙儿沟280m、朱家包包铁矿148m～280m、紫金山金矿江山岽单台阶450m）[1-3]、坡度陡的局面，导致了部分排土场稳定性不佳，滑坡事故日益严重。因此，为保证排土场的边坡稳定性，有必要对排土场的堆置参数进行合理优化。排土场堆置参数主要包括排土场总高度、单台阶高度、台阶坡面角、安全平台宽度以及排土场容积。

为此，国内外专家与学者对排土场堆置参数从不同角度展开了研究。王婉青利用Slide软件对某排土场的典型剖面建模进行稳定性分析，最终得到最佳的排土场堆置参数；周亚博通过建立排岩工作的运输成本及管理费用与堆置参数的函数关系表达式，得出某露天矿以排土场稳定性及排岩成本为优化目标的排土场堆置参数优选模型；罗阳华等研究了不同堆置方式时空效应对排土场稳定性的影响；郭成等[8]计算排土场在不同台阶高度和平台宽度下的边坡安全系数，运用Matlab软件对台阶高度和安全系数及平台宽度和安全系数进行回归计算，逐步优化排土场的堆置要素。本文通过GEO-STUDIO软件对某多台阶排土场进行数值模拟优化，获取该排土场的最佳堆置参数。

1 工程概况

多台阶排土场为某矿山现用排土场，地震设防烈度为7度。设计排土标高为170m、210m、250m、300m、330m，最大排土高度为250m，台阶高度为40m～50m，单台阶宽度30m，台阶的边坡角为自然安息角37.5°，设计排土容量为2.06亿m3。而现场排土情况为：排土场西北向大部分区域已经排土接近210m，大部分170m处未设置平台，南侧区域排土接近160m，排土最高标高211.83m，最低标高67.95m。目前排岩机在196m水平初始平台排土作业。鉴于现状排土工艺未按设计要求开展，为保证排土场安全稳定运行，需开展排土场堆置参数优化工作。

2 排土场堆置参数优化分析

2.1 计算参数

通过现场取样开展室内排土物料、第四系残坡积土及基岩物理力学特性试验，获取主要力学参数指标见表1。

表1 排土料及地基土层物理力学指标

2.2 单台阶高度优化

本次排土场单台阶高度的优化方法为，在确定单台阶坡面角（37.5°）的前提下，利用GEO-STUDIO/SLOPE模块分别对单台阶高度为30m、40m、50m、60m的排土场边坡进行稳定性分析，运用Ordinary法计算出单台阶不同高度时的安全系数。参考《有色金属矿山排土场设计规范》（GB50421-2007）中关于边坡稳定性安全系数宜取1.15～1.30的规定，本次计算中排土场各工况下的安全系数不得小于1.15。本次优化计算暂未考虑地下水影响，计算结果见表2。

表2 不同单台阶高度时的安全系数

根据表2计算结果，台阶高度在30m、40m、50m三种情况下单台阶边坡稳定安全系数均能满足规范要求。考虑到单台阶稳定计算过程中未考虑地形、地质及降雨等复杂工况影响，其稳定性应具有足够的安全余量。初步拟定该排土场单台阶高度为45m。

2.3 台阶平台宽度优化

台阶平台宽度较大，排土场稳定性高，受容能力小。因此，选择合理的平台宽度既可以满足排土场整体稳定的要求。本次排土场平台宽度的优化是在上述台阶边坡角（37.5°）和单台阶高度（45m）优化的基础上展开分析。分别对单台阶宽度为25m、30m、35m、40m、45m的排土场边坡进行稳定性分析，运用Ordinary法计算出单台阶不同高度时的安全系数。计算结果见表3。

表3 不同台阶宽度时的安全系数

鉴于本次排土场平台宽度优化过程中未考虑地形地质、地下水以及降雨等复杂工况的影响，为保证排土场具有足够的安全储备，拟定本次排土场平台优化允许最小安全系数为1.30。从不同安全台阶宽度和边坡稳定性安全系数回归分析可以确定安全系数为允许安全系数时的最小安全台阶宽度。

2.4 排土场优化后堆置方案

原设计中排土场排土标高为170m、210m、250m、300m，330m，最大排土高度为250m，而现场西北向大部分区域排至210m标高，170m标高基本未按设计设置平台，南侧区域排土接近160m，鉴于实际排土现状，根据台阶高度、宽度优化结果及生产管理需求，在确定现状工况稳定的前提下，最终确定的优化参数为：台阶标高调整为160m、195m、240m、285m、330m，其中排土现状已经接近195m且160m未留平台的区域在后期排土过程中也按照该标准预留平台进行排土，排土未到160m区域后期应在160m高度处与预留相应平台。单台阶高度分别为35m、45m、45m、45m，平台宽度为30m。

3 优化后排土场稳定性分析

3.1 计算基本参数

优化后排土场共分5个台阶进行堆排，台阶标高分别为160m、195m、240m、285m、330m，台阶坡面角37.5°，单个台阶高度35m～45m，平台宽度30m。计算选取的典型剖面如图1、图2。

图1 优化后排土场典型剖面

图2 优化后排土场网格模型图

本次计算中，排土场自上而下依次为：排土物料、第四系残坡积层和基岩，主要材料参数见表1。计算选取降雨10天，停雨10天，历时20天的降雨边界，当地连续10d最大降雨量为1.4×10-5m/s。

3.2 正常、降雨、地震工况稳定性分析

（1）正常、降雨、地震工况下，整体边坡稳定系数能够满足《有色金属矿山排土场设计规范》要求，排土场边坡较为稳定。

（2）三种工况下排土场最小安全系数滑动面为深层滑动面，划弧划入点位置一般位于顶部排土平台，划出点则位于斜坡面的坡脚位置。

（3）降雨工况下排土场边坡稳定性较小。分析其原因为强降雨作用下在边坡表层形成了暂态饱和区，基质吸力消散，材料强度降低，从而导致安全系数下降。

4 结论

（1）得到最佳的排土场堆置参数为：台阶标高调整为160m、195m、240m、285m、330m，单台阶高度分别为35m、45m、45m、45m，平台宽度为30m；

（2）典型剖面进行正常、降雨及地震工况下稳定性分析，得出边坡安全系数为1.424、1.306、1.205，均大于1.15，优化参数合理可靠。