石宝铁矿排土场稳定性研究

周军委

(洛阳富川矿业有限公司， 河南 洛阳市 471000)

1 矿区排土场基底承载能力验算

排土场是矿山生产过程中，由剥离的表土、废石等按照一定的堆置方式逐步形成的单台阶或多台阶的巨型人工松散堆积体，露天矿山的排土场是影响矿山安全生产的重要因素[1]。石宝铁矿位于内蒙古包头市达尔罕茂民安联合旗石宝乡境内，2017年，经技术改造扩帮后生产能力为 320万t，现有东、中、西3个采场，排土场南北各有一处。石宝铁矿开采境界内剥离的岩石总量为10 127.27万t，预计排土量4788.44万m3，同时考虑排土场清方倒排量680.22万m3，共需排土场容积5468.66万m3。根据计划，南排土场排土容量为4200万m3，北排土场排土容量为1350万m3，合计总排土容量为5550万m3，满足生产需求。由于排土场的各项技术指标均通过工程类比法而得，排土场的边坡稳定性尚未进行验证，存在极大的安全隐患。

根据《石宝铁矿地质勘察报告》，排土场底层共分4层，对各底层进行取样试验，得到各岩土物理力学性质见表1。

表1 基底岩土物理力学性质参数

排土场堆置体的物理力学性质受岩石性质、块度组成、容重、湿度及垂直荷载等影响[2]。排土场堆置体不同深度物料的C、φ值由于颗粒分布的不均匀性而随深度变化而变化[3]。排土场排弃物料主要为露天开采剥离的废石，未开展排土场排弃物料的粒径组成及模拟力学试验等工作，通过类比法确定的物理力学参数见表2。

表2 排土场排弃场料物理力学参数

排土场地基承载力是一个动态变化的过程：随着排土场堆置荷载逐渐增加，地基逐渐被压实、挤密，达到极限状态，地基承载力也随之增大，直至产生塑性变形和移动而失去承载力[4]。目前尚无适合多台阶排土场整体稳定性的承载力计算方法。根据《有色金属排土场设计规范》（GB 50421-2018）[5]的有关规定计算单台阶的堆载高度。

软弱地基高度排土场应控制排土场底部台阶高度，对地基堆载预压，提高地基承载田径。第一台阶极限高度可按式（1）进行计算：

式中，H为排土场第一台阶极限堆置高度，m；C为地基土黏聚力，kPa；φ为地基土摩擦角，（°）；γ为剥离物容重，kN/m3。

分别按照湿陷性粉土、粉质黏土及花岗岩等基底地层作为持力层计算排土场堆置高度，计算结果详见表3。

表3 单台阶堆置高度计算结果

2 排土场灾害类型

排土场的稳定性主要受场地的地形、坡度、工程地质、水文地质、气象和剥离物的物理力学性质以及排土方式、台阶高度等因素影响[6-7]，可能发生滑坡、沉降压缩变形与泥石流等灾害。

由于沉降压缩变形速度慢、幅度不大、破坏性小，对生产没有太大的影响，故不予考虑。排土场所处地区地势平坦，且矿区降水量极少，不具备形成泥石流的“山坡地形陡峻和较大的沟床纵坡”与“充足的水源”等基本条件[8]，且排土场外侧设置有截排水沟，拦截流向排土场的地表径流，因此，排土场基本不存在发生泥石流的可能性。排土场场址地形平缓，沿基底接触面滑坡的可能性较小，排土场边坡破坏的模式以排土场内部滑坡及软弱基底鼓起引起的排土场滑坡为主，滑坡的破坏模式主要为圆弧型破坏。

综上所述，排土场基底地形平缓，部分区域还随着排土场的推进，将出现有利于排土场稳定的逆向地形，排土场不存在沿堆置体与地基接触面产生滑坡的可能。排土场边坡破坏的模式以排土场内部滑坡及软弱基底鼓起引起的滑坡为主。

3 稳定性分析计算

矿山南排土场清理倒排后向东南方向扩展，调整后南排土场为多阶段覆盖式平地排土场。南排土场北侧分为3个排土台阶，标高分别为1682 m、1705 m、1728 m，台阶间平台宽度为20 m；南排土场南侧分为2个排土台阶，标高分别为1705 m、1728 m，台阶间平台宽度为20 m。南排土场最大排土高度为68 m，最终排土标高为1728 m。

北排土场位于露天采场东北终了境界外 80 m处，靠近岩石北出入沟口。北排土场为单台阶覆盖式平地排土场。北排土场采用一段排土，最大排土高度为45 m，最终排土标高为1705 m。

最终边坡角：南排土场北坡为26.1°，南排土场南坡为29.8°；北排土场为34.5°，最大排土高度分别为45 m、68 m。排土场边坡如图1所示。

图1 排土场边坡示意（单位: m）

达尔罕茂民安联合旗抗震设防烈度为6度，基本地震加速度值为 0.05g，不考虑地下水对工程的影响。本次研究主要对该排土场内部滑坡稳定性进行分析。分别计算在正常工况及特殊工况（正常工况+地震、正常工况+爆破震动，a=0.05g）下排土场稳定性系数。参照同类工程采用的安全系数并结合排土场周边环境特点，排土场安全系数限值确定如下。

3.1 南排土场北边坡

工况①：正常工况时的整体安全系数限值为1.30。

工况②：特殊工况（正常工况+地震、正常工况+爆破震动，a=0.05g）时，整体安全系数限值为1.20。

3.2 南排土场南边坡及北排土场

工况①：正常工况时整体安全系数限值为1.15。

工况②：特殊工况（正常工况+地震、正常工况+爆破震动，a=0.05g）时，整体安全系数限值为1.10。

采用 Slide软件对排土场设计终了边坡滑动面进行搜索，确定其最危险的滑动面。分别采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法进行计算，计算结果见表 4，排土场边坡滑坡模型模拟结果如图2～图4所示。

表4 排土场稳定性计算结果

图2 南排土场北边坡滑坡模型

图3 南排土场南边坡滑坡模型

图4 北排土场边坡滑坡模型

4 结论

通过模拟计算表明，排土场在现有设计方案下的边坡满足对应的安全系数要求，处于稳定状态。但是露天矿边坡受诸多不确定性因素的影响，即便是稳定边坡，也要在生产中加强监测，定期对边坡进行稳定性分析，同时建立健全地质灾害监测体系，根据边坡岩体的工程性质、环境、地质条件等因素进行综合控制。矿方必须严格按照排土场相关规范、标准和设计的要求组织生产活动，将边坡角、台阶参数等要素控制在规定的范围之内，进一步规范安全平台的设置，保证边坡处于稳定状态，保障企业的安全生产。