杜文秀　程建忠

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)有限公司巴潤礦業(yè)分公司)

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白云鄂博西礦排土場優(yōu)化方案設(shè)計(jì)與論證

杜文秀程建忠

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)有限公司巴潤礦業(yè)分公司)

排土場在自然堆放過程中，物料性質(zhì)、單臺階高度、堆積平臺預(yù)留寬度及整體邊坡角是影響排土場穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。針對白云鄂博西礦排土場的實(shí)際情況及基于排土工藝的要求，進(jìn)行了排土場優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明：基于特定巖性，單臺階高度為20m，可保證排土場的整體穩(wěn)定性，同時可節(jié)約運(yùn)距，達(dá)到降本增效的目的。

排土場穩(wěn)定性分析降本增效

白云鄂博西礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部，地處陰山山脈以北的烏蘭察布草原，是一座世界罕見的多金屬共生礦床，為包頭鋼鐵公司的主要原料基地。白云鄂博西礦在開采范圍內(nèi)形成了一個大型露天采場，地表長4 700m，寬約1 250m。采場礦石、巖石全部使用汽車直接運(yùn)往選廠破碎站和排土場。為確保該礦排土場的整體穩(wěn)定性，本研究對排土場的影響因素進(jìn)行分析，并對該礦排土場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　排土場現(xiàn)狀

白云鄂博西礦排土場原設(shè)計(jì)排土容積5 700萬m3，設(shè)計(jì)各排土臺階標(biāo)高分別為1 640，1 660，1 680，1 670m，最終堆置標(biāo)高1 700m，最大堆置高度50～90m。北廢巖排土場現(xiàn)已形成3個排土臺階，上部排土臺階頂面高程1 690m，中部排土臺階頂面高程1 670～1 673m，下部排土臺階頂面高程1 640～1 649m。其中，上部臺階僅完成初始路堤填筑，即將開始排土作業(yè)；中部臺階及下部臺階南部仍有部分排土空間。北廢巖排土場西側(cè)通過汽車排土自筑現(xiàn)已形成長約880m、寬約48m的固定道路連接各排土臺階，道路平均縱坡坡度5.6%?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，北廢巖排土場頂面平整，邊坡穩(wěn)定，無明顯沉陷、裂隙、溜坍、滑坡等現(xiàn)象。

2　排土場優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1排土場設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)容量

計(jì)算排土場所需容積需考慮沉降率、邊坡自然安息角、綜合邊坡角等主要因素，本研究北廢巖排土場加高設(shè)計(jì)采用原設(shè)計(jì)中的堆置參數(shù)：沉降系數(shù)15%，自然安息角32°，邊坡角25.46°，容積富余系數(shù)5%，松散系數(shù)1.6。

根據(jù)原設(shè)計(jì)中排土場邊坡參數(shù)，排土場加高至1 680m水平后，北廢巖排土場共形成2個排土臺階，即1 660，1 680m水平臺階，臺階高度均為20m，排土臺階間安全平臺寬20m。加高至1 680m水平后的排土場邊坡如圖1所示。根據(jù)排土場堆置要素及現(xiàn)狀，經(jīng)計(jì)算，北廢巖排土場加高至1 680m水平后的可用排土容積為560萬m3。

圖1　排土場邊坡示意

2.2排土工藝與調(diào)整方案

2.2.1排土工藝

北廢巖排土場延續(xù)原設(shè)計(jì)中的自卸汽車運(yùn)輸方案，廢石由自卸汽車運(yùn)至排土工作平臺卸載后，根據(jù)需要采用推土機(jī)將遺留于工作平臺的殘余剝離物推向階段邊幫。工作平臺隨排土的進(jìn)行而不斷擴(kuò)展，直至達(dá)到設(shè)計(jì)排土邊界。排土方式可采用邊緣排土與場地排土相結(jié)合的方式，除雨季采用場地排土外，其余季節(jié)采用邊緣排土。自卸汽車在確保安全的前提下，應(yīng)盡可能靠近階段邊緣。

2.2.2北廢巖排土場調(diào)整

目前，北廢巖排土場已升至1 690m水平，本研究設(shè)計(jì)不建議在該臺階繼續(xù)向北排土。北廢巖排土場中部臺階現(xiàn)狀標(biāo)高1 670～1 673m，尚未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高1 680m，存在一定的剩余容積，近期排土作業(yè)重點(diǎn)利用該部分空間進(jìn)行。

2.3排土場道路

為配合排土場加高，需對北廢巖排土場現(xiàn)有的道路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在北廢巖排土場西側(cè)新設(shè)置Ⅱ-2#道路，該道路起自北廢巖排土場現(xiàn)狀道路西側(cè)，向北延伸至排土場1 680m臺階。

2.4排土場穩(wěn)定性分析及對策2.4.1排土場工程地質(zhì)情況

排土場場區(qū)巖性以粉質(zhì)黏土為主，夾有黏土、黏土質(zhì)中—粗砂層、碎石層，向底部粗粒層次增多，直至板巖強(qiáng)風(fēng)化帶。北廢巖排土場所接納的排棄物主要為板巖及云母閃石巖等。排土場堆置體的物理力學(xué)性質(zhì)受巖石性質(zhì)、塊度組成、容重、濕度、垂直荷載等因素的影響。排土場物料經(jīng)壓實(shí)或膠結(jié)后，具有一定的黏結(jié)力，主要取決于細(xì)顆粒含量的大小，細(xì)顆粒巖土充填至巖塊之間的孔隙中經(jīng)壓實(shí)后便改變了原有松散體的性質(zhì)，顆粒間便產(chǎn)生了較小的內(nèi)聚力。內(nèi)摩擦角與巖土性質(zhì)及塊度組成有關(guān)，根據(jù)排土場巖石塊度的分布規(guī)律，不同層位的塊度組成不同，細(xì)顆粒多分布于排土場上部和中部，粗顆粒分布于排土場中部、下部，粗顆粒含量高，組成骨架的剛性提高，顆粒間的摩擦力占主導(dǎo)地位，摩擦力增大；反之，細(xì)顆粒含量增大，摩擦力便減小，但黏結(jié)力增大。在排土場下部堆集的大塊巖石幾乎不含細(xì)粒和其他黏性材料，故黏結(jié)力為0，但內(nèi)摩擦角較大，接近或等于排土場的安息角。

此外，排土場堆置體的物理力學(xué)性質(zhì)還與濕度和含水量有顯著的關(guān)系，當(dāng)物料的濕度較小時，隨著濕度增加，黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角逐漸增大，濕度繼續(xù)增加則力學(xué)參數(shù)下降，直至飽和狀態(tài)時，強(qiáng)度喪失，致使對排土場穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。排土場堆置體不同深度上物料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角由于顆粒分布的不均勻性導(dǎo)致隨深度的變化而發(fā)生變化。排土場邊坡雖然在排棄物堆積的過程中由坡上至坡下有一定的分選，但總體來看水平層位上是均勻的。北廢巖排土場堆置體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1　堆置體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.4.2排土場穩(wěn)定性分析

北廢巖排土場在現(xiàn)有排土場的頂面進(jìn)行加高，加高高度符合原初步設(shè)計(jì)要求。但目前礦山所使用的最大車型為載重236t電傳動礦用自卸汽車，設(shè)備總重量大于原初步設(shè)計(jì)中采用的載重172t電動輪自卸汽車。因此需對排土場生產(chǎn)過程中的單臺階穩(wěn)定性進(jìn)行再次核定。236t電傳動礦用自卸汽車自重170.98t，額定載重236t，輪胎直徑3.5m，輪胎寬1.27m，在車輛進(jìn)行卸載時，后輪輪胎與地面接觸長度約1.6m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求需在排土臺階坡肩處設(shè)置底寬為4.6m的擋車堆。

北廢巖排土場滑坡破壞模式主要為圓弧型破壞，設(shè)計(jì)使用Slide軟件對排土場設(shè)計(jì)終了邊坡進(jìn)行搜索確定其最危險的滑動面，并采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法計(jì)算最危險滑動面的安全系數(shù)[1-3]。由于排土場周邊環(huán)境簡單，邊坡中的主要安全隱患在于大型自卸車(236t)進(jìn)行排土?xí)r，暫時性的集中荷載會對邊坡穩(wěn)定性造成較大影響，從而對車輛的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。工況1，正常工況時的臺階安全系數(shù)限值為1.15；工況2，特殊工況(正常工況+地震/正常工況+爆破震動)時的臺階安全系數(shù)限值為1.05。根據(jù)上述條件及選用的安全系數(shù)，在431kN/m2荷載條件下(236t)按照不同單臺階高度對排土場進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2　板巖單臺階及云母閃石巖單臺階高度及安全系數(shù)

由表2可知：①以板巖為主的廢巖排土場使用大型自卸車(236t)進(jìn)行排土?xí)r，正常工況時單臺階的最大安全高度為20m，特殊工況(正常工況+地震、正常工況+爆破振動)時單臺階的最大安全高度為30m；②以云母閃石巖為主的廢巖排土場使用大型自卸車(236t)進(jìn)行排土?xí)r，正常工況及特殊工況下均無法滿足單臺階穩(wěn)定性要求，可見云母閃石巖排土場不宜采用大型設(shè)備。

考慮到礦山部分排土工作采用小型設(shè)備作業(yè)，設(shè)計(jì)確定云母閃石巖采用載重40t的TL840型寬體自卸汽車等小型車輛進(jìn)行直排作業(yè)。TL840型寬體礦用自卸汽車自重12t，額定載重40t，輪胎直徑1.22m，輪胎寬0.4m。TL840型寬體礦用自卸汽車為雙后軸，后軸軸距1.4m，在車輛進(jìn)行卸載時，后輪輪胎與地面接觸長度約0.6m。根據(jù)規(guī)范要求需在排土臺階坡肩處設(shè)置底寬為2.0m的擋車堆。

根據(jù)上述條件，在250kN/m2荷載條件下(TL840)對云母閃石巖排土場進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3　云母閃石巖單臺階高度及安全系數(shù)

由表3可知：當(dāng)以云母閃石巖為主的廢巖排土場使用小型自卸汽車(TL840)進(jìn)行排土?xí)r，正常工況及特殊工況時單臺階的最大安全高度均為20m。

3　結(jié)　語

以白云鄂博西礦排土場為例，分析了影響該排土場封頂?shù)年P(guān)鍵因素，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，即北廢巖排土場在生產(chǎn)過程中，板巖集中排棄區(qū)域可采用載重236t自卸汽車進(jìn)行排土作業(yè)，云母閃石巖集中排棄區(qū)域應(yīng)采用載重40t以下的小型自卸汽車進(jìn)行排土作業(yè)。排土場穩(wěn)定性分析表明，當(dāng)排土高度為20m時，排土場臺階較穩(wěn)定，可見本研究提出的排土場優(yōu)化方案切實(shí)可行。

[1]周昌壽，杜競中，郭增濤，等.露天礦邊坡穩(wěn)定[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[2]孫玉科，楊志法.中國露天礦邊坡穩(wěn)定性研究[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[3]楊勝利，王云鵬.排土場穩(wěn)定性影響因素分析[J].露天采礦技術(shù)，2009(3)：4-7.

2016-06-13)

杜文秀(1985—)，男，工程師，014080 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市。