張國艷 曹 紅

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦冶分公司)

金堆城排土場安全穩(wěn)定性分析評價

張國艷 曹 紅

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦冶分公司)

爆破震動產(chǎn)生的震動波通過巖土介質傳播，降低堆積體巖體的黏聚力，造成巖石破裂，巖體變形或位移，導致排土場邊坡局部或整體破壞，降低排土場的穩(wěn)定性，給礦山生產(chǎn)帶來安全隱患。采用Geo-studio巖土分析軟件，從靜力和動力兩個方面對金堆城排土場的安全穩(wěn)定性進行了分析評價，以確保礦山安全生產(chǎn)。

爆破震動 排土場 安全狀態(tài)

金堆城露天礦現(xiàn)有北溝、甘江溝、南牛坡、馬路溝4個排土場，周邊人口較密集，任意一個排土場的邊坡發(fā)生滑坡、垮塌等事故，必將造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，影響露天礦生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。因此，邊坡穩(wěn)定性是露天礦生產(chǎn)中必須考慮的問題。

在露天礦生產(chǎn)期間，爆破震動產(chǎn)生的震動波通過巖土介質的傳播，會造成巖石破裂，巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙發(fā)生變形或位移，導致排土場邊坡的局部或整體破壞，給礦山生產(chǎn)帶來安全威脅；降雨會降低堆積體和巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，弱化交界層面和巖體強度，當雨季來臨降水量增加時，排土場的穩(wěn)定性必然會降低。因此，研究排土場在降雨和爆破震動作用下的安全穩(wěn)定性迫在眉睫。

1 礦區(qū)自然條件

(1)自然地理。礦區(qū)位于東秦嶺山系的南緣，區(qū)內(nèi)總地勢北高南低，西高東低。區(qū)內(nèi)海拔最高點為西北分水嶺，為2 077～2 030 m，最低點為東川河，1 148.9 m，相對高差達900 m。

(2)氣候條件。礦區(qū)屬亞熱帶與大陸性濕潤氣候過渡帶，具有高山氣候特征。區(qū)內(nèi)氣候四季分明，夏季悶熱，冬季寒冷，早晚溫差較大。年平均氣溫8.8 ℃，7月最高，平均20.2 ℃，1月最低，平均-2.7 ℃。歷年最大平均降水量發(fā)生在8月份，為164.8 mm，7—9月份降水量占全年的51.38%，且多以暴雨為主，最小平均降水量為12月和1月，為9.2 mm。

2 排土場現(xiàn)狀

2.1 排土場與爆區(qū)空間位置

4個排土場分布于露天礦采礦場的周邊，北溝排土場、甘江溝排土場、南牛坡排土場毗鄰北露天采場，馬路溝排土場緊鄰南露天采場。排土場與采礦場最近距離約300 m，最遠距離約1 000 m。排土場與爆區(qū)的距離主要隨爆區(qū)在采場中的移動而變化，排土場與礦區(qū)空間位置如圖1所示。

圖1 排土場與采場位置關系

排土場堆積范圍內(nèi)除少量的人工堆積碎石(局部礦渣)外，主要為第四系地層以及元古界震旦系高山河群和熊耳群地層。堆積范圍內(nèi)未見滑坡、泥石流、地裂縫等不良地質現(xiàn)象，自然斜坡整體穩(wěn)定性較好。

2.2 采場生產(chǎn)爆破參數(shù)

采場臺階高12 m，臺階坡面角為69°。爆破采用7 m×9 m的孔排距，垂直孔。鄰空自由面底盤抵抗線為9 m，單孔最大藥量為430 kg，采用混裝乳化炸藥，堵塞長度為5.5～6.5 m，炮孔直徑為250 mm。爆破網(wǎng)路設計采用逐孔起爆技術，使用Orica非電高精度導爆管雷管，孔間延期時間為25 ms，排間為65 ms或100 ms。

2.3 排土場結構分析

排土場設計總容積為9 304萬m3，各臺階高度為30 m，臺階坡面角北露天為35°，南露天為36°。其中馬路溝排土場邊坡和北溝排土場的南側邊坡已經(jīng)修筑了人工護坡并綠化。馬路溝排土場位于南露天采場南側，地形線呈“倒八字”形，具有運距短、地荒蕪、基底坡度小、搬遷戶數(shù)少的優(yōu)點。各排土場堆置參數(shù)見表1。

表1 露天礦各排土場堆置參數(shù)

馬路溝排土場面積約455 517.3 m2，主要地貌類型為：沖洪積形成的溝谷地貌和以基巖為主的侵蝕斜坡地段。前者多呈V字形溝谷，上游呈手指狀的4個支溝統(tǒng)一匯集在一起成馬路溝；溝寬一般20～50 m，寬處100～180 m，U型展布并形成溝谷臺地。溝谷總體呈葫蘆型里大口小的形態(tài)?；鶐r斜坡廣泛出露于溝谷兩側，坡度較陡，坡比多在1∶2以上。斜坡坡面除個別地段基巖裸露外，大多植被茂盛。

3 排土場穩(wěn)定性分析評價

3.1 排土場現(xiàn)狀評價

目前馬路溝排土場已排至1 300 m平臺。按照國家《有色金屬礦山排土場設計規(guī)范》(GB 50421—2007)，排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)宜取1.15～1.3，且根據(jù)保護對象等級而定。當被保護對象為失事后使村鎮(zhèn)或集中居民區(qū)遭受嚴重災害時，取1.3；當被保護對象為失事后沒造成人員傷亡或造成經(jīng)濟損失不大的次要建筑物時，取1.2；當被保護對象為失事后損失輕微時，取1.15。

為了解排土場邊坡在暴雨和爆破震動作用下的邊坡變形特征，根據(jù)相關規(guī)范要求，在靜力條件下采用極限平衡法[1]，以自重、自重+暴雨2種工況來評價排土場的穩(wěn)定性；在動力條件下采用Geo-studio軟件進行邊坡動力有限元分析[2]，以自重+爆破震動、自重+暴雨+爆破震動2種工況來評價排土場的穩(wěn)定性。

3.2 排土場各材料物理取值

馬路溝排土場材料組成主要有排水壩、堆渣、碎石土、基巖。依據(jù)地勘報告、初步設計資料，分析試算后確定各種材料的物理力學參數(shù)，見表2。

表2 排土場各材料物理參數(shù)計算取值

3.3 排土場靜力穩(wěn)定性分析評價

采用Geo-studio巖土分析軟件其中的SLOPE/W模塊進行排土場邊坡穩(wěn)定性分析[3]，運用QUAKE/W模塊進行爆破震動動態(tài)分析[4]。

3.3.1 自重工況

在該工況下，排土場處于自然靜力狀態(tài)，其穩(wěn)定性主要受上覆巖土自重的影響。軟件中，采用出口和入口的方式定義滑面，在SLOPE/W模塊中建立排土場二維模型，通過給各區(qū)域材料賦予參數(shù)后，采用極限平衡法計算出排土場在自然狀態(tài)下的危險滑面及安全系數(shù)。分別運用軟件中的Ordinary法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法計算安全系數(shù)，結果見表3。

表3 自然狀態(tài)下排土場安全系數(shù)

通過表3可知，不同方法所得的安全系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求，排土場在該工況下處于安全狀態(tài)。

3.3.2 自重+暴雨工況

在該工況下，降雨會使堆渣和碎石土的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，容重增大。依據(jù)金堆城露天礦排土場相關資料，不同飽和度材料的參數(shù)取值見表4。

在SLOPE/W模塊中，根據(jù)表4的數(shù)據(jù)調整不同飽和度下堆渣和碎石土的相關參數(shù)，進行排土場邊坡穩(wěn)定性分析，計算結果見表5。由表5可知，采用不同方法所得的安全系數(shù)均大于1.10，排土場在該工況下處于安全狀態(tài)。

3.4 排土場動力穩(wěn)定性分析評價

生產(chǎn)運行階段，排土場受到礦山生產(chǎn)爆破震動的影響，采用動力有限元方法分析其在爆破震動作用下的穩(wěn)定性。

表4 人工堆渣材料參數(shù)隨飽和度變化關系

表5 不同飽和度下排土場的安全系數(shù)

3.4.1 自重+爆破震動工況

通過監(jiān)測爆破震動對排土場穩(wěn)定性的影響，選取3組數(shù)據(jù)進行分析，其中第1組數(shù)據(jù)的Y向加速度最大，第2組數(shù)據(jù)的Y向頻率最大，第3組數(shù)據(jù)的Y向位移最大，見表6。

采用QUAKE/W模塊進行模擬動力分析，得出排土場在爆破震動后的應力分布與在爆破震動前的應力分布相似。再將模擬結果導入到SLOPE/W模塊中進行動力穩(wěn)定性分析，得出排土場的安全系數(shù)最小值為1.263 9，最大值為1.264 1，變化幅度較小，可以認為爆破對該排土場穩(wěn)定性影響較小，排土場處于安全狀態(tài)。

表6 用于排土場動力穩(wěn)定性分析的實測數(shù)據(jù)

3.4.2 自重+爆破震動+暴雨工況

以降雨導致材料飽和度為100%時計算排土場的穩(wěn)定性。將QUAKE/W模塊中分析的動力結果導入SLOPE/W模塊，根據(jù)表2修改堆渣和碎石土的材料參數(shù)進行排土場穩(wěn)定性分析。得出排土場安全系數(shù)最小值為1.157 72，最大值為1.157 92，變化幅度較小，因此排土場處于安全狀態(tài)。

4 結 論

(1)通過Geo-studio巖土分析軟件的SLOPE/W模塊，分析評價了排土場在靜力條件下的穩(wěn)定性，得出在靜力條件下排土場的安全系數(shù)大于1.15，處于安全狀態(tài)。

(2)利用QUAKE/W模塊，分析評價了爆破震動條件下排土場的穩(wěn)定性，得出排土場的安全系數(shù)為1.15～1.2，處于安全狀態(tài)。

分析結果表明，目前排土場是安全的。但在礦山運營過程中仍需對各排土場的爆破震動效應進行安全監(jiān)測，必要時應采取適當措施，避免在暴雨(或長時間降雨)和爆破震動的共同作用下，使排土場穩(wěn)定性接近臨界狀態(tài)，給礦山生產(chǎn)帶來危害，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

[1] 黃傳志.土體極限分析理論與應用[M].北京:人民交通出版社，2007.

[2] 朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].2版.北京:中國水利水電出版社,1998.

[3] JohnKrahn. Stability Modeling with SLOPE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

[4] JohnKrahn. Dynamic Modeling with QUAKE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

2014-11-06)

張國艷(1982—)，女，工程師，714102 陜西省渭南市華縣金堆城鎮(zhèn)。