張長鎖 劉建博

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

露天采場和排土場是露天礦山開采過程中不可或缺的組成部分，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)、周邊環(huán)境以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，眾多學(xué)者針對露天采場和排土場穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。如陳峰等[1]利用極限平衡理論計(jì)算了排土場的極限堆置高度，并通過FLAC3D軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。魏朝爽等[2]通過FLAC3D非線性數(shù)值模擬分析了堆排高度對排土場穩(wěn)定性的影響。黃建君等[3]進(jìn)行了排土場堆排設(shè)計(jì)，并使用FLAC2D和極限平衡法評估了在不同工況下的穩(wěn)定性。藍(lán)秋華[4]利用赤平投影法和極限平衡法分析了采場邊坡的穩(wěn)定性。董賀偉[5]使用GeoStudio軟件的SLOPE/W模塊計(jì)算了某鐵礦邊坡在不同工況下的安全系數(shù)，并比較了不同計(jì)算方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。洪儒寶等[6]以某露天大型鉬礦為研究對象，總結(jié)提出礦山邊坡破壞模式，考慮巖體非均勻性和各向異性，運(yùn)用平面滑動、楔形體、圓弧形和傾倒破壞四種方法建立地質(zhì)模型，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并提出防治措施。孟中華等[7]采用極限平衡法對某銅鉬礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，確定了現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，為礦山采場今后的決策提供了依據(jù)。目前研究大多針對單一排土場或露天采場邊坡穩(wěn)定性，而露天礦在開采過程中，經(jīng)常會因?yàn)閳龅氐南拗坪团磐恋男枨?，將排土場設(shè)置在露天采場的周邊，從而形成露天采場-排土場聯(lián)合邊坡，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)安全，因此，有必要針對露天采場-排土場聯(lián)合邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究，確保礦山安全開采。

某露天金礦按照已有開采設(shè)計(jì)，露天采場已基本采至設(shè)計(jì)最終境界，排土場也達(dá)到設(shè)計(jì)庫容，礦山即將閉坑。為延長服務(wù)期限，近年來對該礦山進(jìn)行了資源的補(bǔ)充勘探，并于露天采場上盤和深部發(fā)現(xiàn)接續(xù)資源，計(jì)劃對此部分資源進(jìn)行擴(kuò)界開采。礦山擴(kuò)界開采設(shè)計(jì)時(shí)，因現(xiàn)有排土場容量已經(jīng)飽和且征地較為困難，為節(jié)省征地費(fèi)用，設(shè)計(jì)對現(xiàn)有排土場增高擴(kuò)容，考慮設(shè)計(jì)方案的安全性，有必要對擴(kuò)界后的采場邊坡和增高后的排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。因排土場距離露天采場較近，邊坡穩(wěn)定性分析典型剖面選擇最容易發(fā)生失穩(wěn)的露天采場-排土場聯(lián)合剖面。本文結(jié)合本礦山實(shí)際情況，采用極限平衡法，選取典型剖面對露天采場邊坡頂部地表有無堆排廢石時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，對露天采場排土場聯(lián)合邊坡排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為礦山的擴(kuò)界工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦山現(xiàn)狀

礦山位于內(nèi)蒙古北部低山丘陵區(qū)，地形較為平坦，總體地勢東偏北高、西北和東南漸低，海拔高程一般在1 005～1 044 m，切割深度小于20 m，相對高差39 m。地層巖性為絹云母石英片巖、綠泥石英片巖、黑云母花崗巖，地形低洼處沉積新近系上新統(tǒng)泥巖夾砂礫巖及薄層第四系殘坡積物，丘陵頂部基巖裸露。

礦山生產(chǎn)規(guī)模為250萬t/a，已正常生產(chǎn)9a，目前形成狹長型露天采坑1個(gè)，采坑地表長1 960 m、寬450 m、封閉圈標(biāo)高994 m。有兩個(gè)坑底，北坑底標(biāo)高921 m，已達(dá)到設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高。最終邊坡角約42°；南坑底標(biāo)高932 m，已經(jīng)接近設(shè)計(jì)開采最終標(biāo)高，最終邊坡角約43°。

排土場位于露天采場東北側(cè)，緊鄰露天采場，占地面積87.7萬m2，廢石堆場高度50 m(1 030～1 080 m)，堆存廢石2 890萬m3，設(shè)計(jì)庫容已經(jīng)飽和。

1.2 擴(kuò)界設(shè)計(jì)方案

為了充分回收露天境界上盤和坑底新探獲資源，設(shè)計(jì)對現(xiàn)狀露天采場上盤進(jìn)行擴(kuò)界，擴(kuò)界后露天采場坑底標(biāo)高832 m，上口尺寸：南北長2 000 m，東西寬515 m；下口尺寸：120 m×35 m。邊坡最高標(biāo)高1 044.5 m，最大邊坡高度197 m；采場封閉圈標(biāo)高994 m，大部分為凹陷露天開采。

為減少征地費(fèi)用，設(shè)計(jì)在現(xiàn)排土場基礎(chǔ)上進(jìn)行加高擴(kuò)容，排土場頂部標(biāo)高由1 080 m增高至1 120 m，新增容積1 025萬m3，滿足露天采場擴(kuò)界排土容量需求。

1.3 聯(lián)合邊坡描述

露天采場設(shè)計(jì)臺階高度9 m，局部并段為18 m，臺階坡面角65°，每隔2～3個(gè)臺階設(shè)清掃平臺，清掃平臺寬度為8 m，安全平臺寬度為3～6 m。坡頂標(biāo)高1 029 m，坡底標(biāo)高868 m，最終邊坡角38°，運(yùn)輸?shù)缆穼挾?2.5 m，坡度8%。

排土場堆置臺階高度10 m，邊坡總高度104 m(1 016～1 120 m)，現(xiàn)有平臺寬度6 m，增高擴(kuò)容平臺寬度15 m，臺階坡面角25°，最終邊坡角18°。

根據(jù)《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50421—2018)規(guī)定，排土場與采場之間已預(yù)留出足夠安全距離，排土場坡腳距離露天開采境界75 m。根據(jù)圖2所示，擴(kuò)界后形成了露天采場-排土場聯(lián)合邊坡，本次分析剖面位置為圖2中A-A′，剖面如圖3所示。

2 露天采場-排土場聯(lián)合邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 露天采場、排土場邊坡物理力學(xué)性質(zhì)

巖石物理力學(xué)性質(zhì)是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵，根據(jù)礦山進(jìn)行的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況、工程地質(zhì)條件，采用H-B準(zhǔn)則參數(shù)過渡方法、費(fèi)辛柯法、Georgi法、巖體質(zhì)量分類法、經(jīng)驗(yàn)折減法，綜合確定礦區(qū)邊坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 邊坡計(jì)算所用巖石物理力學(xué)參數(shù)

排土場坡體是由土沙和巖石混合物料堆排而成，分車排棄的土沙和巖石，在順臺階坡面上分層不明顯，松散體又經(jīng)壓實(shí)已產(chǎn)生凝聚力。根據(jù)《巖土勘查報(bào)告》，并參照類似礦山巖土物理力學(xué)參數(shù)，針對排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算的巖土物理力學(xué)參數(shù)選擇，見表1。

2.2 邊坡安全系數(shù)確定及判別標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 露天采場邊坡安全系數(shù)

《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)中指出，根據(jù)發(fā)生或可能發(fā)生滑坡崩塌所造成災(zāi)害(人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失)的嚴(yán)重程度，將露天礦邊坡按表2劃分為三種危害等級；根據(jù)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)邊坡高度和邊坡災(zāi)害等級按表3劃分邊坡工程安全等級。最終在確定邊坡安全等級后，不同等級邊坡在不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)滿足表4。

表2 邊坡危害等級

表3 邊坡工程安全等級劃分

表4 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)

經(jīng)過上述綜合分析，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，考慮該邊坡下方設(shè)備與人員的安全，根據(jù)表2邊坡危害等級劃分，此處的邊坡危害等級為Ⅰ級。礦區(qū)內(nèi)最終邊坡高度為120～200 m，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中表3邊坡工程安全等級劃分的規(guī)定，此處的邊坡工程安全等級定為Ⅰ級。

結(jié)合表4和礦山實(shí)際情況，確定礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析的安全系數(shù)取值分別為：

荷載組合Ⅰ：[K]=1.20

荷載組合Ⅱ：[K]=1.18

荷載組合Ⅲ：[K]=1.15

2.2.2 排土場邊坡安全系數(shù)

《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)中根據(jù)單個(gè)排土場容積和堆置高度按照表5對排土場等級劃分為四級，本次設(shè)計(jì)排土場等級為二級。排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K按表6選取。

表5 排土場等級分級

表6 排土場整體安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)

排土場主要為人工堆積的散體結(jié)構(gòu)，邊坡無結(jié)構(gòu)面發(fā)育，受雨水、地震影響較大，根據(jù)排土場等級及邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等情況，確定的許用安全系數(shù)[K]：

正常工況：[K]=1.20；

地震或降雨工況：[K]=1.15

2.3 計(jì)算方法

極限平衡法通過分析巖土體在破壞時(shí)刻的力的平衡條件來求解穩(wěn)定性系數(shù)。破壞準(zhǔn)則使用莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，即：

τf=c′+σ′tanφ′=c′+(σ-μ)tanφ′

(1)

式中：τf-破壞面上的剪應(yīng)力；c′-巖土體的有效粘聚力；σ′、σ-破壞面法向上的有效應(yīng)力和總應(yīng)力；φ′-巖土體的有效內(nèi)摩擦角；μ-孔隙水壓力。

大部分極限平衡分析方法采用垂直條塊劃分方案(圖4)，每一條塊均作為剛體。由于問題的靜不定性，極限平衡法需要引入一些簡化假定，使問題變得靜定可解。不同極限平衡分析方法之間的主要差別在于條塊之間作用力的處理方法或假定不同，以及由此導(dǎo)致的平衡條件數(shù)的不同。條間力假定分為三種類型：

1)不考慮條塊間作用力或僅考慮其中的一個(gè)。

2)假定條塊間力的作用方向或規(guī)定其垂直分量和水平分量的比值。

3)假定條塊間力的作用位置。

本次對聯(lián)合邊坡中露天采場邊坡采用簡化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對聯(lián)合邊坡中排土場邊坡采用不平衡推力法進(jìn)行分析。簡化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法是工程中分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題常用的兩種極限平衡方法，土質(zhì)邊坡最常見的破壞形式為圓弧形滑動，而采用不平衡推力法分析圓弧形滑動時(shí)，精度較高，因此采用不平衡推力法對排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

Slide是一款專門用于二維邊坡穩(wěn)定性分析的軟件，它基于極限平衡方法(Limit Equilibrium Method，LEM)來評估土質(zhì)或巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，因此本研究借助巖土邊坡分析軟件Slide對露天采場-排土場聯(lián)合邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 露天采場-排土場聯(lián)合邊坡采場邊坡計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)水文地質(zhì)報(bào)告，該區(qū)域雖有基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水及局部地段松散巖類孔隙水，但水量較小，地下水埋深較深，隨季節(jié)變化大，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)要求，本次研究爆破振動影響系數(shù)為0.05。

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，該區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，對照地震烈度為6度，屬地震微弱區(qū)，最終確定地震影響系數(shù)為0.075。

在上述工況條件下，分別采用簡化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法對露天采場最終邊坡和露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中露天采場邊坡進(jìn)行三種工況下(自重+地下水、自重+地下水+爆破振動力、自重+地下水+地震力)穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見圖5～10和表7。

表7 露天采場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

在考慮了影響邊坡穩(wěn)定的各種因素條件下，對采場最終邊坡及露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中露天采場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，由上述計(jì)算結(jié)果可知，在露天開采境界外未進(jìn)行排土?xí)r和進(jìn)行排土后，露天采場邊坡在三種工況下均達(dá)到了《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)規(guī)定的安全系數(shù)要求，即最終邊坡是穩(wěn)定的。分析計(jì)算表明，在此露天開采境界外預(yù)留出足夠的安全距離后，是否設(shè)排土場對露天采場邊坡穩(wěn)定性影響較小，排土場設(shè)置前后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化較小，擴(kuò)界設(shè)計(jì)保障了礦山的生產(chǎn)安全。

2.4.2 露天采場-排土場聯(lián)合邊坡排土場邊坡計(jì)算結(jié)果

根據(jù)聯(lián)合邊坡排土場邊坡可能破壞形式，采用不平衡推力法對聯(lián)合邊坡中排土場邊坡進(jìn)行三種工況下(自重、自重+降雨、自重+地震)穩(wěn)定性分析，地震工況根據(jù)露天采場分析，選取地震影響系數(shù)為0.075；降雨工況按極端連續(xù)暴雨使排土場土體達(dá)到完全飽和，基巖滲透深度10 m的情況考慮，在工程實(shí)際情況中達(dá)到土體完全飽和的可能性極小，但根據(jù)以往工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，此極端情況下排土場穩(wěn)定性系數(shù)最低，考慮到聯(lián)合邊坡中排土場等級為二級，排土場邊坡破壞后果嚴(yán)重，為確保聯(lián)合邊坡中排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果安全可靠，本次穩(wěn)定性評價(jià)仍選取此種出現(xiàn)概率極小的工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，作為極端情況可能出現(xiàn)時(shí)的參考。

聯(lián)合邊坡典型剖面排土場邊坡在不同工況條件下的穩(wěn)定性分析結(jié)果見表8。

表8 露天采場-排土場聯(lián)合邊坡排土場邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果表

聯(lián)合邊坡最終狀態(tài)下，排土場邊坡在工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ時(shí)均大于許用安全系數(shù)，潛在滑面均位于人工堆積體下部三個(gè)臺階處，且破滑面為沿排土場與第四系交界面滑動，排土場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖11～13所示。

圖1 礦山現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of the mine

圖2 礦山擴(kuò)界設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design plan for mine expansion

圖3 聯(lián)合邊坡剖面Fig.3 Joint slope profile

圖4 條分法示意圖Fig.4 Schematic diagram of slice method

圖5 采場剖面荷載組合Ⅰ(自重+地下水)Fig.5 Load combination Ⅰ of mining area profile (Self weight+Groundwater)

圖6 采場剖面荷載組合Ⅱ(自重+地下水+爆破振動力)Fig.6 Load combination Ⅱ of mining area profile (Self weight+Groundwater+Blasting vibration force)

圖7 采場剖面荷載組合Ⅲ(自重+地下水+地震力)Fig.7 Load combination Ⅲ of mining area profile (Self weight+Groundwater+Seismic force)

圖8 聯(lián)合剖面荷載組合Ⅰ(自重+地下水)Fig.8 Joint profile load combination Ⅰ(Self weight+Groundwater)

圖9 聯(lián)合剖面荷載組合Ⅱ(自重+地下水+爆破振動力)Fig.9 Joint profile load combination Ⅱ(Self weight+Groundwater+Blasting vibration force)

圖10 聯(lián)合剖面荷載組合Ⅲ(自重+地下水+地震力)Fig.10 Joint Profile load combination Ⅲ(Self weight+Groundwater+Seismic force)

圖11 工況Ⅰ時(shí)排土場邊坡穩(wěn)定性分析圖(F=2.010)Fig.11 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅰ(F=2.010)

圖12 工況Ⅱ時(shí)排土場邊坡穩(wěn)定性分析圖(F=1.553)Fig.12 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅱ(F=1.553)

圖13 工況Ⅲ時(shí)安全系數(shù)穩(wěn)定性分析圖(F=1.663)Fig.13 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅲ(F=1.663)

通過以上分析可知，露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于安全許用系數(shù)，設(shè)計(jì)排土場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

1)露天采場和排土場邊界相距75 m，防護(hù)距離符合《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)的規(guī)定，且分析計(jì)算結(jié)果表明，露天采場及排土場邊坡穩(wěn)定性不會產(chǎn)生相互影響。

2)以露天采場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為指標(biāo)，采用極限平衡方法對露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中露天采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，論證設(shè)計(jì)方案給出的聯(lián)合邊坡露天采場邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，露天采場邊坡在上部有無堆排廢石時(shí)，采場邊坡在三種工況下均達(dá)到了《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)規(guī)定的安全系數(shù)要求，即露天采場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)以排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為指標(biāo)，采用極限平衡法對露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中排土場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，論證了設(shè)計(jì)方案給出的聯(lián)合邊坡排土場邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，露天采場-排土場聯(lián)合邊坡中的排土場邊坡在不同工況下均達(dá)到了《有色金屬礦山排土場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50421—2018)規(guī)定的安全系數(shù)要求，即排土場處于穩(wěn)定狀態(tài)。