王婉青，楊 溢，陳 印，李凌峰

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

排土場(chǎng)堆置參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

王婉青，楊 溢，陳 印，李凌峰

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

以某礦山為背景，在增加排土場(chǎng)容量和保證邊坡穩(wěn)定性的前提下對(duì)排土場(chǎng)堆置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用3DM ine軟件對(duì)優(yōu)化后的排土場(chǎng)進(jìn)行建模，并利用Slide軟件對(duì)排土場(chǎng)的兩個(gè)典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，最終得到最佳的排土場(chǎng)堆置參數(shù):排土場(chǎng)第一臺(tái)階高度為10 m，其余臺(tái)階高度為20 m，臺(tái)階總高度250 m；最小工作平盤(pán)寬度第一臺(tái)階50 m，其他臺(tái)階55 m；臺(tái)階坡面角30 （o），最終邊坡腳15 （o），排土場(chǎng)容量2.07×108 m3，較以前增加3.1×107 m3；通過(guò)bishop法和janbu法對(duì)兩個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分別得出邊坡安全系數(shù)A-A'剖面1.319、1.265，B-B'剖面1.389、1.347，均大于1.15，設(shè)計(jì)參數(shù)合理可靠。

排土場(chǎng)；堆置參數(shù)；穩(wěn)定性分析；安全系數(shù)

0 前 言

增大排土場(chǎng)的廢石堆排量成了幾乎所有礦山的追逐目標(biāo)。然而隨著排土場(chǎng)容量的增加，排土場(chǎng)高度也不斷增加，這無(wú)疑增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。因此在保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化排土場(chǎng)參數(shù)，增加排土場(chǎng)容量，對(duì)礦山來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。

對(duì)此許多專(zhuān)家及學(xué)者對(duì)排土場(chǎng)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行了不同方法和角度的研究。任紅崗等［3］有效利用地形優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)了排土場(chǎng)穩(wěn)定性；羅陽(yáng)華等［4］認(rèn)識(shí)了不同堆置方式時(shí)空效應(yīng)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響；周杰等［5］考慮到黃土基底排土場(chǎng)固有特性，在滿(mǎn)足排土工藝及穩(wěn)定性要求的前提下確定臺(tái)階高度和平盤(pán)寬度，然后通過(guò)對(duì)組合臺(tái)階及邊坡總體的穩(wěn)定性進(jìn)行循環(huán)分析，逐步優(yōu)化排土場(chǎng)的排土參數(shù)。郭成等［6］應(yīng)用HH-SLOPE軟件分別計(jì)算排土場(chǎng)在不同臺(tái)階高度和平臺(tái)寬度下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，并運(yùn)用Matlab軟件對(duì)臺(tái)階高度和安全系數(shù)及平臺(tái)寬度和安全系數(shù)進(jìn)行回歸計(jì)算，逐步優(yōu)化排土場(chǎng)的堆置要素。汪勇［7］從安全與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的角度，建立起了確定露天礦排土場(chǎng)合理臺(tái)階高度的穩(wěn)定性分析模型，并通過(guò)開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件確定了鳳凰山銅礦金牛露天采場(chǎng)排土場(chǎng)合理臺(tái)階高度?？偟膩?lái)看，目前排土場(chǎng)堆置參數(shù)的優(yōu)化主要基于邊坡穩(wěn)定性和提高排土場(chǎng)容量。本文通過(guò)查閱相關(guān)的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)排土場(chǎng)堆置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并運(yùn)用3Dmine軟件對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出排土場(chǎng)釋放容量的大小，最后利用Slide邊坡工程軟件對(duì)排土場(chǎng)兩個(gè)典型剖面進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算，既增加了排土場(chǎng)容量，又使安全系數(shù)在安全范圍內(nèi)。

1 工程概況

該礦山是云南省某大型露天礦山，年產(chǎn)量480萬(wàn)t，平均剝采比0.876 m3/t，排土場(chǎng)位于露天礦南部境界外，小龍?zhí)杜璧啬喜繙瞎戎校饕赡隙礈辖M成，利用溝谷進(jìn)行排土。底部境界距離現(xiàn)采場(chǎng)地表境界約3.0 km，地表境界范圍標(biāo)高1 200 ～ 1 500 m，東西長(zhǎng)約3 km，南北寬約1.03 km，面積近3.07 km2，最終排棄高度300 m，排土場(chǎng)最終邊坡角15 （o），排土臺(tái)階坡面角30 （o），最終平盤(pán)寬度20 m，排土臺(tái)階高度10 m。流域匯水區(qū)范圍山頂呈渾圓狀，最高點(diǎn)老尖山高程1 878 m，最低點(diǎn)南洞溝溝囗高程1 190 m，相對(duì)高差688 m。該區(qū)域地震烈度為5 （o），地形坡度一般10 （o） ～ 15 （o）。洞溝谷流域內(nèi)泉水點(diǎn)出露較多，為常年流水溝，旱季由泉水補(bǔ)給，雨季匯集地表水流，該溝屬壯年—老年期溝谷，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

目前該排土場(chǎng)先采用的排棄方式為自卸汽車(chē)—推土機(jī)排棄方式，臺(tái)階高度10 m，排棄總高度210 m，工作平盤(pán)寬度20 m，臺(tái)階坡面角30 （o），最終邊坡角15（o）。然而現(xiàn)今該礦山正在進(jìn)行擴(kuò)建，將年產(chǎn)量從480萬(wàn)t提高至650萬(wàn)t，因此對(duì)于排土場(chǎng)容量的需求也加大，基于此，本文將在滿(mǎn)足礦山剝離需求的情況下，優(yōu)化排土場(chǎng)堆置參數(shù)，增加排土場(chǎng)實(shí)方容量。

2 排土場(chǎng)參數(shù)確定

排土場(chǎng)排棄物料主要為第四系表土和泥灰?guī)r，二者比例約為1∶4，排土場(chǎng)基底存在大約0 ～ 20 m的軟弱層，軟弱層之下為基巖巖組層，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位大剪實(shí)驗(yàn)得出混合排棄物料的力學(xué)參數(shù)，如下表1所示。

表1 排土場(chǎng)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表1計(jì)算出排土場(chǎng)臺(tái)階高度、極限堆高、工作平臺(tái)寬度。

2.1 確定堆置極限高度

隨著排土作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)基底處于極限狀態(tài)，失去承載能力，產(chǎn)生塑性變形和位移時(shí)，計(jì)算排土場(chǎng)極限高度的公式為［8］：

式中 H2——排土場(chǎng)極限高度，m。

C——表土層粘結(jié)強(qiáng)度，74 kPa；

φ——內(nèi)摩擦角，取38.8（o）；

γ——排土場(chǎng)物料的容重，由平均取樣為1.89t/m3。

因此，排土場(chǎng)設(shè)計(jì)總高度不得大于259.9 m，本文取250 m。

2.2 確定排土工作平臺(tái)寬度

根據(jù)排土場(chǎng)運(yùn)輸車(chē)輛的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)彎半徑和后橋中心至排土臺(tái)階邊線距離確定合適的排土場(chǎng)工作平臺(tái)寬度，依據(jù)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，最小排土平盤(pán)寬度組成如圖1所示。

最小工作平盤(pán)計(jì)算公式：

式中 A——排土平盤(pán)寬度，m；

C——大塊石滾落距離，當(dāng)臺(tái)階高度為10 m

時(shí)C取15 m，當(dāng)臺(tái)階高度為20 m時(shí)C取20 m；

圖1 最小排土平盤(pán)寬度組成

R——自卸汽車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑，9.4 m；

L——自卸汽車(chē)的長(zhǎng)度，7.3 m；

F——自卸汽車(chē)后橋中心至排土臺(tái)階邊線距

離，為1 ～ 2 m，這里取2 m。

把上述數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算可得：

臺(tái)階高度為20 m時(shí)，平臺(tái)寬度為：A = 20 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 55.40 m，這里取55m；

臺(tái)階高度為10 m時(shí)，平臺(tái)寬度為：A = 15 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 50.40 m，這里取50 m；

根據(jù)計(jì)算可知排土工作平臺(tái)為第一臺(tái)階50 m，其余臺(tái)階55 m。

2.3 確定其他參數(shù)

依據(jù)采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)［9］，由排土物料的類(lèi)型及相似礦山的經(jīng)驗(yàn)值確定排土場(chǎng)臺(tái)階高度為20 m。然而對(duì)于排土場(chǎng)第一臺(tái)階來(lái)說(shuō)，由于他是之后所有排土臺(tái)階的基礎(chǔ)，因此高度取值應(yīng)相對(duì)保守些，參照《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定［8］，為了安全考慮這里取10 m?；凇堵短觳傻V手冊(cè)》［10］的規(guī)定，排土臺(tái)階坡面角應(yīng)與排棄物料自然安息角相等，由于該排土場(chǎng)的排棄物料為泥灰?guī)r，其自然安息角為30 （o），因此確定臺(tái)階坡面角為30 （o），最終邊坡角確定為15（o）［8］。

3 排土場(chǎng)容量計(jì)算及邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 排土場(chǎng)容量計(jì)算

依據(jù)排土場(chǎng)堆置參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，利用3Dmine礦業(yè)工程軟件對(duì)排土場(chǎng)地表及排土臺(tái)階進(jìn)行數(shù)值模擬，并且利用排土場(chǎng)臺(tái)階塊體模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)排土場(chǎng)每個(gè)臺(tái)階實(shí)方容量的計(jì)算，見(jiàn)表2。排土場(chǎng)總?cè)萘繛?.07×108 m3，比排土場(chǎng)原設(shè)計(jì)的容量1.76×108 m3增加實(shí)方容量3.1×107 m3。

3.2 基于Slide軟件的邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 Slide軟件簡(jiǎn)介

Slide 邊坡工程軟件是由加拿大 RocScience 公司研制開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)能用來(lái)計(jì)算巖石或土質(zhì)二維邊坡的軟件，該軟件的應(yīng)用是建立在極限平衡上的豎向條分法（如Bishop、Janbu、Fellenius等方法）來(lái)搜索邊坡的最危險(xiǎn)滑面，并計(jì)算出這個(gè)滑面的安全系數(shù)，該軟件非常便于操作應(yīng)用，即使復(fù)雜的模型也可以迅速簡(jiǎn)便的建立和計(jì)算分析；外界荷載、地下水、支撐物都可以用不同的方式模擬［11-12］。

表2 3Dmine臺(tái)階塊體模型報(bào)告結(jié)果

3.2.2 邊坡建模

依據(jù)排土場(chǎng)建模結(jié)果，為確保排土場(chǎng)整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果合理可靠，本文將選取排土場(chǎng)臨空面最長(zhǎng)、地基最陡、負(fù)荷相對(duì)較大的兩個(gè)斷面作為典型的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，若這兩個(gè)剖面安全系數(shù)均在安全范圍內(nèi)，那么則可以判定此排土場(chǎng)其他邊坡也處于穩(wěn)定狀態(tài)，具體剖面位置見(jiàn)圖2。

圖2 排土場(chǎng)剖面位置示意

利用Slide軟件摩爾庫(kù)倫模型對(duì)A-A'剖面和B-B'剖面進(jìn)行建模，建?；緮?shù)據(jù)為本論文的優(yōu)化參數(shù)，第一臺(tái)階高度10 m、其他臺(tái)階高度20 m、臺(tái)階坡面角30 （o），最小工作平臺(tái)寬度第一臺(tái)階為50 m，其他臺(tái)階為55 m，排土場(chǎng)堆置總高度為250 m；由地質(zhì)報(bào)告可知該排土場(chǎng)地表軟弱層存在厚度為0 ～ 20 m之間，本次建模選用平均值10 m；利用以上參數(shù)完成的建模結(jié)果分別如圖3～4所示。

圖3 A-A'剖面建模示意

圖4 B-B'剖面建模示意

3.2.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)邊坡建模，對(duì)邊坡各個(gè)排棄物料依照表1進(jìn)行內(nèi)摩擦角和凝聚力賦值，由于該地區(qū)地震烈度為5 （o），參照《中國(guó)國(guó)家地震烈度表》的烈度地震峰值加速度為0.31 m/s2，即重力加速度的0.031倍，選用常用的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，bishop法和janbu法對(duì)兩個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，搜索出潛在的最危險(xiǎn)滑面并計(jì)算出該滑面的安全系數(shù)，結(jié)果如圖5 ～ 8所示，并整理數(shù)據(jù)如下表3～4所示。

圖5 A-A'剖面bishop法計(jì)算結(jié)果

圖6 A-A剖面janbu法計(jì)算結(jié)果

圖7 B-B剖面bishop法計(jì)算結(jié)果

圖8 B-B剖面janbu法計(jì)算結(jié)果

表3 A-A'剖面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 B-B'剖面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3～4數(shù)據(jù)可知，bishop法計(jì)算結(jié)果略大于janbu法計(jì)算結(jié)果，為邊坡穩(wěn)定性分析考慮，安全系數(shù)取較小的數(shù)據(jù)作為最終判斷依據(jù)，則A-A剖面最小安全系數(shù)為1.265，B-B剖面最小安全系數(shù)1.347。參照《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，該排土從經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后為一級(jí)排土場(chǎng)，在《金屬非金屬礦山排土場(chǎng)安全生產(chǎn)規(guī)則》中指出，一級(jí)排土場(chǎng)安全系數(shù)應(yīng)大于1.15［13］，以上計(jì)算結(jié)果均大于1.15，證明排土場(chǎng)參數(shù)是合理可靠的。

4 結(jié) 論

利用極限高度驗(yàn)算公式得出排土場(chǎng)極限高度不得大于259 m，本文為實(shí)現(xiàn)排土場(chǎng)容量接近最大化選取總高度250 m，依據(jù)排棄物料力學(xué)特性并結(jié)合同類(lèi)型排土場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)值確定排土臺(tái)階高度：第一臺(tái)階10 m，其余20 m，通過(guò)臺(tái)階高度和礦山運(yùn)輸汽車(chē)尺寸確定最小工作平盤(pán)寬度為第一臺(tái)階50 m，其余55 m。根據(jù)排棄物料力學(xué)性質(zhì)確定排土場(chǎng)臺(tái)階坡面角為30 （o），最終邊坡腳15 （o）。

利用3Dmine軟件對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)排土場(chǎng)實(shí)方容量的計(jì)算，最終得出排土場(chǎng)總?cè)萘繛?.07×108 m3，比排土場(chǎng)原先設(shè)計(jì)的容量1.76×108 m3增加實(shí)方容量3.1×107 m3。

利用Slide軟件對(duì)排土場(chǎng)兩個(gè)典型剖面進(jìn)行安全穩(wěn)定性驗(yàn)算，最終得出A-A剖面最小安全系數(shù)為1.452，B-B剖面最小安全系數(shù)為1.544，以上數(shù)值均大于排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范的最低要求1.15，因此優(yōu)化參數(shù)合理可靠。

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Parameter Optim ization and Stability Analysis of Waste Dump

WANG Wanqing，YANG Yi，CHEN Yin，LI Lingfeng
（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

This paper takes the background of a m ining enterprise ， In the prem ise of increasing the capacity of the waste dump and ensuring the stability of the slope， optim izing the parameters of the waste dump ，3DM ine software is used to model the optim ized dump site， and Slide software is used to analyze the stability of two typical prof les of the dump， fnally get the best parameters of the waste dump :the f rst step height is 10 m，the rest steps height are 20 m，the totally height of steps is 250 m； the m inimum working Berm Width of f rst step is 50 m， other steps are 55 m；the angle of bench slope is 30 （o）， and the angle of ultimate slope is 15 （o），the capacity of waste dump is 2.07×108 m3than the previous increase of 3.1 x 107 m3；Stability analysis of two sections by Bishop and Janbu. Parameter optimization and stability analysis of dump siteIt is concluded that the slope safety factor of A-A' section are 1.319、1.347 respectively， and the safety factor of B-B' section are 1.389 and 1.347 respectively， both of which are great than 1.15，and the design parameters are reasonable and reliable.

Waste dumpf；Stacking parameters；Stability analysis；Safety factor

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.015

2016 - 04 - 29

王婉青（1992-），女，在讀碩士研究生，研究方向：安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)，手機(jī)：15808883250，E-mail：514347757@ qq. com；通訊作者：楊溢（1965-），博士，教授，研究方向：巖土及爆破工程，E-mail：kggtyy@163. com.