郭瑞峰， 張德勝， 薄建芬

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司礦業(yè)分公司尖山鐵礦， 山西 太原 030304）

尖山鐵礦是黑色大型露天礦山之一，礦山開采規(guī)模900萬(wàn)t/a，采剝量5 000萬(wàn)t/a。尖山鐵礦排土場(chǎng)分南部排土場(chǎng)和北部排土場(chǎng)，排土場(chǎng)最終排土容積為4.97億m3，為國(guó)際上第一個(gè)建立在黃土高原上多溝谷復(fù)雜地形不均勻大厚度的黃土軟弱地基基礎(chǔ)上的汽車排土與膠帶排土組合形成的年受巖能力超5 000萬(wàn)t、總排巖高度達(dá)370 m的超大型露天排土場(chǎng)。排土場(chǎng)為建立在軟弱溝谷地基上的4個(gè)汽車排土臺(tái)階與2個(gè)膠帶排土臺(tái)階組合形成的自下而上由外向里分階段后退式多臺(tái)階覆蓋土場(chǎng)，存在地基軟弱、排土強(qiáng)度大、高度高、地形復(fù)雜等特點(diǎn)。南排土場(chǎng)為尖山鐵礦的主排土場(chǎng)，該區(qū)域地基地形條件較差，地表普遍分布濕陷性黃土和粉質(zhì)黏土，曾發(fā)生過(guò)大面積土場(chǎng)滑塌事故，安全生產(chǎn)威脅較大。

為確保排土場(chǎng)的安全運(yùn)行，尖山鐵礦結(jié)合排土場(chǎng)實(shí)際情況，總結(jié)提煉出有效的治理措施，使南部排土場(chǎng)使用和管理處于受控狀態(tài)，降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，保護(hù)附近居民財(cái)產(chǎn)和人身安全。

1 排土場(chǎng)治理思路

南排土場(chǎng)南部濕陷性黃土和粉質(zhì)黏土普遍分布，地基地形條件較差，原有土場(chǎng)中，各種巖性、塊度的料石無(wú)組織混排，為避免作為排土場(chǎng)地基可能發(fā)生的破壞，需要對(duì)影響上部排土體和下部地基穩(wěn)定性的因素（主要是地表水及其匯流）進(jìn)行控制，最重要的方面在于對(duì)排土場(chǎng)及周圍山體水流的截、排、引、導(dǎo)。具體表現(xiàn)在：北區(qū)，分析地表水的匯流，做好防、截設(shè)施，兼之局部的警示隔離；南區(qū)，一方面由于排土體自身的北部位置較高，棄土大部分為巖塊，而南區(qū)面積和范圍過(guò)大，地基基礎(chǔ)軟弱，特別是排土場(chǎng)整體上已經(jīng)形成的東、西、北三向受周邊山體阻擋和挾持，該方向上相對(duì)較穩(wěn)定，但南側(cè)凌空，坡腳積水，因而主要采取排土過(guò)程中的坡頂設(shè)置截水溝、坡腳設(shè)置排水盲溝排疏積水、并預(yù)先留設(shè)內(nèi)部攔渣壩和大塊石填壓坡腳的穩(wěn)定加強(qiáng)措施，同時(shí)控制排土速度。因此，南排土場(chǎng)治理設(shè)計(jì)采取以下思路：

1）排土工藝優(yōu)化：針對(duì)待排場(chǎng)地上水流的排泄通道分布特征，在正常排土作業(yè)開始前，利用排棄料堆放大塊廢石；控制排土速度，給予地基土充分地固結(jié)沉降。

2）在溝谷修筑攔石壩，其作用主要體現(xiàn)在減緩整體破壞的規(guī)模，預(yù)防失穩(wěn)對(duì)下游危害；排土場(chǎng)形成后便成為預(yù)先埋設(shè)的抗滑擋墻，同時(shí)將改善水的排泄和排土場(chǎng)內(nèi)部的疏干兩個(gè)方面。

3）針對(duì)終了形態(tài)形成的1820m、1760m、1670 m、1 630 m、1 585 m和1 540 m六個(gè)階段臺(tái)階（1 670 m臺(tái)階以下部分土場(chǎng)為汽車直排部分土場(chǎng)，1 820～1 760 m階段和1 760～1 670 m階段土場(chǎng)為膠帶土場(chǎng)）形成坡面反坡，并在坡腳處修筑坡面截水溝，將坡面積水引導(dǎo)到坡體外。

4）針對(duì)排土場(chǎng)終了形態(tài)北、西部靠近山體，在交界山體上修筑截水溝，將坡面匯水從側(cè)面引導(dǎo)到下游。

5）周邊境界內(nèi)形成隔離帶。

2 排土場(chǎng)治理措施

針對(duì)正在運(yùn)行使用的尖山南排土場(chǎng)生產(chǎn)建設(shè)實(shí)際和地形地貌特點(diǎn)，根據(jù)“經(jīng)濟(jì)實(shí)用，安全可靠”的工程設(shè)計(jì)原則，采用“上截中排下攔內(nèi)導(dǎo)”的綜合治理模式細(xì)化排土工藝?！吧辖亍奔丛谂磐翀?chǎng)上游山體設(shè)置截水溝，攔截外圍匯流；“中排”即改變現(xiàn)有排土方式，使排渣平臺(tái)形成外高內(nèi)低，坡度為2°～3°的反坡，并在各級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)修建排水溝，將徑流排出堆土場(chǎng)；“下攔”即在堆渣平臺(tái)下部基礎(chǔ)構(gòu)建預(yù)埋碾壓攔石壩，增強(qiáng)渣土坡體的穩(wěn)定性?！皟?nèi)導(dǎo)”即預(yù)先在原始溝谷內(nèi)排放大塊耐水性廢石形成滲流通道，避免地下水在排土場(chǎng)底部蓄積和增強(qiáng)底層土場(chǎng)穩(wěn)定性。同時(shí)，在不進(jìn)行黃土地基換填的前提下，采用“調(diào)整排土程序，合理使用排土空間，調(diào)整土場(chǎng)升成過(guò)程的時(shí)空關(guān)系，控制排土速度”的工藝優(yōu)化措施。

2.1 地下滲流通道形成

基于對(duì)南排土場(chǎng)原始地形的整理分析表明，在經(jīng)過(guò)北及北西側(cè)的山體匯流，整個(gè)南排土場(chǎng)的地下徑流網(wǎng)絡(luò)基本呈北西至南東方向，最終以坡腳出露形式體現(xiàn)。因而，排土工藝首先保證地下排泄通道的暢通。預(yù)先在原始溝谷內(nèi)排放大塊耐水性廢石形成滲流通道。排土工藝的優(yōu)化第一個(gè)關(guān)鍵是因地制宜，不改變?cè)械匦蔚臈l件下，通過(guò)在正常排土作業(yè)開始前，在通道中先排放大塊、巖性堅(jiān)硬、耐水性好的廢石形成排土場(chǎng)滲流通道。這樣，在排土場(chǎng)堆高和向前推進(jìn)的過(guò)程中，北部、北東部山體匯集水流以及排土場(chǎng)自身表面匯水下滲后，可以繼續(xù)沿此通道及時(shí)排泄，最終從坡腳下游出露，不會(huì)在排土場(chǎng)底部蓄積。

2.2 預(yù)埋碾壓欄石壩

南排土場(chǎng)橫跨寺溝西溝和都交曲溝等多條SN走向的溝谷及山梁。利用巖性堅(jiān)硬、耐水性好的廢石料采用裝載機(jī)和推土機(jī)在排土線坡腳或坡內(nèi)部形成碾壓式預(yù)埋攔石壩，有利于邊坡的穩(wěn)定性，減緩整體破壞的規(guī)模，預(yù)防失穩(wěn)對(duì)下游危害，又有利于增加排土場(chǎng)的庫(kù)容。

2.3 調(diào)整排土程序

排土場(chǎng)運(yùn)營(yíng)使用期間，排棄物料不可能瞬時(shí)一次施加，也不可能在完成一個(gè)排土臺(tái)階后，給地基土體留下足夠的固結(jié)時(shí)間，然后再形成另一排土臺(tái)階（雖然是可以控制的，這種逐臺(tái)階排棄，時(shí)間上不規(guī)則間歇與非穩(wěn)定排棄強(qiáng)度的狀況，很難把握地基土體中超孔隙壓力隨時(shí)間與加載間的消長(zhǎng)，因而地基土體強(qiáng)度與變形十分復(fù)雜對(duì)于軟弱的黃土地基，排土場(chǎng)的形成過(guò)程是不均勻、局部非規(guī)則、間隔循環(huán)的加載過(guò)程，必然會(huì)導(dǎo)致土場(chǎng)下黃土地基土體工程性質(zhì)的演變。如排棄土的驟然加載，引起地基軟巖孔隙壓力加大，孔隙比降低，含水量密度、飽和度、抗壓強(qiáng)度值增高，抗剪強(qiáng)度降低等；如排土強(qiáng)度適當(dāng)，則是基礎(chǔ)土體孔隙水逐漸擠出，地基軟巖被壓實(shí)固結(jié)，地基強(qiáng)度增長(zhǎng)。因而從排土工藝層面來(lái)控制，是加強(qiáng)南排土場(chǎng)安全儲(chǔ)備的關(guān)鍵和有效的措施。礦山排土場(chǎng)工程中表現(xiàn)為排土工藝措施的優(yōu)化，即：調(diào)整排土程序，合理使用排土空間，調(diào)整土場(chǎng)升成過(guò)程的時(shí)空關(guān)系，控制排土速度。

2.4 截、排水設(shè)計(jì)

為避免雨水匯流下滲浸泡土場(chǎng)主體（排土體、黃土地基），導(dǎo)致強(qiáng)度軟化，有必要對(duì)尖山鐵礦南排土場(chǎng)周圍山體和土場(chǎng)自身的降雨與徑流進(jìn)行控制，修筑必要的截水、排水設(shè)施，避免水對(duì)排土場(chǎng)造成的損害。

山體截水：為了防止降雨積水直接從排土場(chǎng)周邊原始山體匯流入排土場(chǎng)內(nèi)，在坡腳境界與山坡交界處外修筑截水溝，將山體匯水匯集并通過(guò)截水溝引導(dǎo)道排土場(chǎng)下游。

坡面排水：為了防止降雨直接從坡面滲透到坡體內(nèi)浸泡土體從而弱化土場(chǎng)自身力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)和在排土場(chǎng)與黃土地基中形成軟化弱層，有必要在排土平臺(tái)上修筑坡面排水溝。坡面排水溝設(shè)置修筑在臺(tái)階坡腳處，并配套2%左右的反坡，使堆土平臺(tái)呈外高內(nèi)低、坡度為2°～3°的反坡，將降雨匯水從排土場(chǎng)上引出，減少沿土場(chǎng)表面的雨水外流和下滲。

2.5 隔離帶

南排土場(chǎng)北區(qū)、西區(qū)、南區(qū)坡腳，私人選礦點(diǎn)和掏挖排土場(chǎng)坡腳和從排土坡腳邊沿通行屢禁不止，考慮排棄過(guò)程中的滾石以及坡腳掏挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采取在該區(qū)設(shè)置隔離區(qū)域，并建立明顯的警示標(biāo)志。

3 取得的效果

尖山鐵礦在排土場(chǎng)治理方面進(jìn)行了大量的探索與實(shí)踐，成功解決了建立在黃土軟弱地基上的一系列影響排土場(chǎng)安全生產(chǎn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)黃土軟弱地基上的大面積高堆置高強(qiáng)度長(zhǎng)周期安全排巖，自2009年以來(lái)未出現(xiàn)任何滑坡、沉降等事故，排土場(chǎng)運(yùn)行良好，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益及環(huán)境效益，同時(shí)給國(guó)內(nèi)同行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。