银山矿业百岭湾排土场稳定性研究

涂欣强，刘 秋，杨朝云，周 鹭，陈 斌，李立华

（江西铜业集团银山矿业有限责任公司，江西 德兴 334200）

1 引言

矿山排土场是废石堆存的重要场所，同时也是露天采矿场的重大危险源之一。若排土场的稳定性存在问题，不仅会严重制约矿山的安全生产，还会对矿山人员和设备构成严重威胁。因此，排土场的稳定性一直是国内外露天开采领域的研究热点之一[1-3］。张萌等[4］采用数值计算以及理论分析对某露天矿山排土场稳定性影响因素进行研究，发现台阶宽度对该矿山排土场稳定性影响最为显著；谷运峰[5］采用理论计算以及模拟方法对某露天矿山排土场在不同高度的边坡进行稳定性研究，发现当该排土场高度达到100 m时，排土场边坡安全系数大幅度降低，不建议继续排土升段；王天龙[6］将极限平衡理论与数值模拟相结合对某露天矿山排土场的稳定性进行了研究，总结分析了在各类因素影响下排土场的稳定性状态。综上所述，目前露天矿山排土场稳定性研究方法主要有极限平衡理论和数值计算两大类。在进行排土场稳定性研究时，结合实际生产地质条件选取较为适宜的研究方法，可以取得更可靠的研究成果。

随着银山矿业公司排土场规模的扩大，通过现场勘察以及仪器测量发现，排土平台出现了许多明显的错台裂缝，不仅对排土场的稳定性构成了较大威胁，同时严重制约了露天采矿场的安全高效生产。因此，亟须对百岭湾排土场的稳定性进行理论分析，为露天采矿场的安全高效生产提供可靠的理论依据。

2 工程概况

2.1 计算工况

银山矿业百岭湾排土场于2005年设计并投入使用至今，前后使用接近 16a，一直采用的是汽车加推土机排土。截至 2021年7月，百岭湾排土场最大堆积平台标高达270 m，最低标高约105 m，总堆置高度约165 m。根据《中国地震等级区划图（2015）》，银山矿百岭湾排土场的地震等级小于Ⅵ级。根据相关规范，可不进行地震响应及动力稳定性分析。为了对全工况条件下的稳定性进行综合分析，分别考虑了三种工况下现状标高的运行情况。一是堆积层处于正常工作状态，将实测的浸润线位置代入，称为正常工况；二是考虑五十年一遇的降雨量，分析排土体内浸润线变化规律，将最大降雨量情况下的浸润线代入，称为最大降雨工况；三是排土场在某些特殊情况下，整个堆积层全部饱和，称为全饱和工况。

2.2 计算剖面

基于现场错台裂缝与堆积体的实际调查及室内试验，在百岭湾排土场的临空坡面选取4个剖面对排土场的稳定性进行计算分析，分别是Ⅰ-Ⅰ剖面、Ⅱ-Ⅱ剖面、Ⅲ-Ⅲ剖面、Ⅳ-Ⅳ剖面，四条剖面线的位置如图 1所示，计算剖面图如图 2 所示。

图1 计算剖面空间分布

图2 各计算剖面图

在百岭湾排土场的稳定性分析中，为了更好地模拟其水平分层，同时结合现场粒径调查结果，将排土场堆积散体材料自上而下分为4层，分别为爆堆散体（未分级废石）、堆积料上部、堆积料中部、堆积料下部。

3 百岭湾排土场稳定性研究

3.1 研究方法

目前排土场稳定性研究已趋于成熟，根据不同的生产工况可将其分为极限平衡法、非线性有限单元法、有限差分法与可靠度分析法等研究方法。其中极限平衡法因应用简便而被广泛应用，而极限平衡法又因为计算方法以及假定条件的不同被细分为Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法及Morgensterm-Price法等[7-8］。

基于百岭湾排土场现场工程地质情况，并结合实际生产环境，采取余推力法进行排土场稳定性分析，同时为简化计算，将边坡细分为若干个垂直的小块，其受力如图3所示。图中受力块体中：U为渗流压力，W为受力块体重力，C、φ分别为材料的有效粘聚力和内摩擦角，α为临界滑动面与水平面的夹角，K为稳定性系数。

图3 余推力法块体受力图

其稳定性计算公式[9］为：

由自重引起的下滑力为：Wisinαi；

上一块体传递的推力为：Pi-1φi-1,i。

由于边坡细分块体之间不存在拉力，因此当出现块体的推力小于零时，则说明该块体不再向下传递推力，即下一块体Pi-1=0。计算中通过调整F值，使得边坡滑面上所细分的最后一个块体受推力为零，从而得到该滑面所对应的边坡稳定性系数。

3.2 力学参数的确定

爆堆散体（未分级废石）、堆积料上部、堆积料中部以及堆积料下部的各项物理力学参数如表1所示。其数据是通过室内大型直剪试验结果、大型三轴压缩试验结果以及根据φ-λ模型求出的值，同时考虑现场裂缝与堆积体的实际调查，并参考相关排土场堆积体抗剪强度参数经验值综合考虑确定的。

表1 排土场整体稳定性计算结果表

3.3 稳定性计算及结果分析

结合前期现场实测以及计算所得数据，采用余推力法对银山矿业百岭湾排土场四个剖面稳定性进行计算分析，计算结果如表2所示，计算分析结果反演至剖面形态见图4至图7。

图4 Ⅰ-Ⅰ剖面各工况下形态

图7 Ⅳ-Ⅳ剖面各工况下形态

表2 排土场整体稳定性计算结果表

根据《有色金属矿山排土场设计标准》（GB 050421—2018），银山矿业百岭湾排土场属于二级排土场，在自然工况条件下，安全性标准为1.20～1.25，最大降雨量条件下相对于自然工况降低0.05，同时最低要求不得低于1.10。结合银山矿业百岭湾排土场现场实际情况，同时为确保其稳定性，百岭湾排土场稳定性验算标准为：自然工况1.25，最大降雨工况1.20。此外，由于百岭湾排土场汇水面积不大，且堆砌废石渗透性较强，全饱和工况几乎不可能出现，进行该状态分析主要用于安全运行管理的参考。

综上可知，通过采取余推力法对百岭湾排土场进行稳定性计算得到：在正常工况下计算，其安全系数均大于1.25，且在最大降雨量情况下安全系数均大于1.20，均满足要求，排土场处于稳定状态，可满足安全生产。

图5 Ⅱ-Ⅱ剖面各工况下形态

图6 Ⅲ-Ⅲ剖面各工况下形态

4 合理化建议

为确保银山矿业百岭湾排土场安全稳定生产，同时为后期排土加高升段提供技术支持，建议在排土场适量增加排水措施，提升排水系统的排水能力。例如在排土场上部及外围增设截水沟，让山坡径流汇入截水沟排向下游；同时确保每一排土平台具有8‰的反坡，且在反坡内侧设置横向截水沟，将水引流至排土场两侧排水沟以排向下游。

5 结论

通过对银山矿业百岭湾排土场进行稳定性计算分析可得：

（1）采用余推力法对百岭湾排土场的稳定性进行研究。通过将排土场边坡简化为若干个边坡块体，并对每个块体受力形式进行分析计算，计算中不断调整F值，使得边坡滑面上所细分的最后一个块体受推力为零，从而得到该滑面所对应的边坡稳定性系数。

（2）现有生产条件下，在正常工况时，所有计算剖面安全系数均大于1.25，满足安全规范要求，且存在一定富余量。

（3）现有生产条件下，在最大降雨量工况时，所有计算剖面安全系数均大于1.20，满足安全规范要求。

综上所述，在现有生产条件下，银山矿业百岭湾排土场在各类工况下整体稳定性均可满足安全生产要求，不仅为现有生产情况下排土场安全稳定性提供了可靠的理论依据，同时为后期排土场加高升段提供了一定的技术支撑。