超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體塊度分布規(guī)律及其強(qiáng)度變化特性研究

趙東寅

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

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超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體塊度分布規(guī)律及其強(qiáng)度變化特性研究

趙東寅

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體物料具有典型的空間分級(jí)特征，其堆體的強(qiáng)度特性及穩(wěn)定性主要受堆積物料塊度空間分布特性的控制。因此，考察超高階排土場(chǎng)堆積散體塊度分布規(guī)律，研究其堆體物理力學(xué)性質(zhì)，分析其發(fā)生失穩(wěn)破壞的模式，是確定排土場(chǎng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。紫金山北口排土場(chǎng)總高520 m，屬典型的超高臺(tái)階排土場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定并分析其散體物料塊度分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，制定了堆積散體物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)粒度的級(jí)配方案，探究了排土場(chǎng)堆積體強(qiáng)度特征與散體物料塊度組成的直接關(guān)系，揭示其內(nèi)部演化規(guī)律，為該排土場(chǎng)制定合理的排土規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

超高臺(tái)階排土場(chǎng) 散體物料 塊度分布 強(qiáng)度特性

隨著礦山資源的快速開發(fā)，我國(guó)排土場(chǎng)、矸石山等占地面積逐年加大，而目前可支撐的復(fù)墾率僅6%左右，導(dǎo)致近年來國(guó)內(nèi)排土場(chǎng)面積呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，發(fā)展高臺(tái)階排土工藝、建設(shè)超高臺(tái)階排土場(chǎng)成為解決這一難題的重要途徑。但是，作為一種特殊的工程地質(zhì)體，超高臺(tái)階排土場(chǎng)潛在著一系列地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間的生命財(cái)產(chǎn)安全。

紫金山銅礦北口排土場(chǎng)位于紫金山露天采礦場(chǎng)北面的1#溝、2#溝及大巖里溝區(qū)域，距西南側(cè)江山崠大壩約1 km，為一級(jí)排土場(chǎng)，主要排放基建和生產(chǎn)期間剝離廢石及江山崠排土場(chǎng)二次搬運(yùn)廢石等。北口排土場(chǎng)東西長(zhǎng)1 737 m，南北寬1 673 m，排土臺(tái)階設(shè)計(jì)最低標(biāo)高430 m，最大標(biāo)高950 m，排土總高度520 m，目前實(shí)際形成的最低排土臺(tái)階520 m，最高排土臺(tái)階910 m，屬典型的超高臺(tái)階排土場(chǎng)。

北口排土場(chǎng)采用壓坡式多臺(tái)階順排，先期剝離的表土堆置在上部臺(tái)階，堅(jiān)硬巖石堆置在下部臺(tái)階。雖然在臺(tái)階最終形成后各臺(tái)階的相對(duì)高度不大，但是在排土場(chǎng)最終形態(tài)未形成前，堆置過程中下層臺(tái)階的暴露邊坡高度很大，不可避免地形成單段高臺(tái)階，如果排土場(chǎng)堆積散體塊度分布不合理，物理力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，則會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降、臺(tái)階面開裂、坡面凸出等致災(zāi)隱患。在外部作業(yè)環(huán)境及受力條件變化時(shí)，極有可能出現(xiàn)坡面滑移，存在發(fā)生局部滑坡、坍塌、泥石流等災(zāi)害的可能，對(duì)作業(yè)人員、設(shè)備及附近尾礦壩構(gòu)成安全威脅。因此，需要深入研究該排土場(chǎng)堆積散體的塊度分布規(guī)律，掌握其力學(xué)穩(wěn)定性特征，為調(diào)整后續(xù)建設(shè)規(guī)劃提供重要參考。

1 排土場(chǎng)堆積散體粒徑測(cè)定

與一般的土質(zhì)邊坡不同，排土場(chǎng)的堆積散體隨著高度的變化具有顯著的粒度分級(jí)現(xiàn)象。利用大型三軸直剪儀實(shí)驗(yàn)可較系統(tǒng)地研究排土場(chǎng)不同高度散體物料塊度組成與強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，揭示排土場(chǎng)內(nèi)部散體物料的物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，一方面為排土場(chǎng)散體物料力學(xué)特性研究提供一定的參考和依據(jù)，另一方也為紫金北口排土場(chǎng)的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。北口排土場(chǎng)形態(tài)如圖1所示。

圖1 北口排土場(chǎng)

1.1 采樣方案

所測(cè)試樣均采自北口排土場(chǎng)坡面，采樣方案為：首先用卷尺量測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)總高度(受生產(chǎn)條件限制，總高度取80 m)，將總高度(自坡底向坡頂)按每10 m進(jìn)行等分，每一等分點(diǎn)作為取樣的代表點(diǎn)，在每個(gè)代表點(diǎn)處取約200 kg物料作為試驗(yàn)原樣并做好高度記錄。采樣方案如圖2所示。

1.2 測(cè)定方法的選擇

目前根據(jù)排土場(chǎng)散體粒徑的大小，可采用沉降分析法、篩分法及直接量測(cè)法[1]。本文采用篩分法與直接測(cè)量法對(duì)該排土場(chǎng)散體顆粒進(jìn)行測(cè)試。

圖2 采樣方案示意

1.2.1 篩分法

結(jié)合紫金山北口排土場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試需求，選用0.5,2,5,10,20,30,40,50,60及80 mm等10種篩徑級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)篩。篩分試驗(yàn)結(jié)果示意見圖3。

圖3 篩分試驗(yàn)結(jié)果示意

1.2.2 直接測(cè)定法

直接測(cè)定法作為篩分法的一種配套手段，是確定(>100 mm)巖塊粒度的一種有效方法。其基本原理是：首先量取巖塊3個(gè)互相垂直方向的最大線性尺寸a，b，c，計(jì)算粒徑d和體積V，

(1)

(2)

式中，λl為巖塊尺寸線性系數(shù)。

本文對(duì)超過80 mm的顆粒采用直接測(cè)量法確定其當(dāng)量直徑。

1.3 堆積散體粒徑組成調(diào)查

紫金山排土場(chǎng)散體物料主要來自采場(chǎng)的爆破塊石，排土過程中受重力作用而產(chǎn)生自然分級(jí)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采樣、試驗(yàn)測(cè)定，排土場(chǎng)堆積散體物料的分級(jí)特性較為顯著，粒徑組成調(diào)查結(jié)果如表1。其中1-1剖面和2-2剖面的數(shù)據(jù)分別為按照采樣方案所設(shè)定的兩組平行調(diào)查結(jié)果。

2 堆積散體塊度分布規(guī)律

實(shí)踐中，常用不同粒度區(qū)間顆粒質(zhì)量的累計(jì)曲線表征松散介質(zhì)體的粒度組成。在質(zhì)量累計(jì)分布曲線圖中，橫坐標(biāo)為粒徑，縱坐標(biāo)是該粒徑尺度以下的巖土含量占總質(zhì)量的百分比。一般從質(zhì)量累計(jì)曲線的凸凹趨勢(shì)即可判斷出該散體介質(zhì)中的顆粒組成規(guī)律。

表1 排土場(chǎng)散體顆粒篩分結(jié)果

根據(jù)堆積散體粒徑組成調(diào)查結(jié)果，分別繪制1-1、2-2剖面各采樣點(diǎn)處試樣的粒度分布累計(jì)曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示：①高度較低的采樣點(diǎn)處(頂部以下40 m范圍內(nèi))塊度分布累計(jì)曲線呈上凸形，這表明排土場(chǎng)中該處的細(xì)顆粒較多；②高度較高的采樣點(diǎn)處(底部以上40 m范圍內(nèi))塊度分布累計(jì)曲線呈下凹型，表明排土場(chǎng)中該處的粗顆粒較多；③排土場(chǎng)中部和下部區(qū)域內(nèi)個(gè)別采樣點(diǎn)處的粒度分布累計(jì)曲線局部出現(xiàn)“緩平”段，分析認(rèn)為這是排土場(chǎng)堆積散體的中下部出現(xiàn)部分粒徑段缺失所致?？傮w而言，隨著測(cè)點(diǎn)自頂部向底部，曲線由凸變凹，與排土場(chǎng)堆積體的粒度分級(jí)特征相吻合。

圖4 堆積散體中各采樣點(diǎn)處塊度分布曲線

表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：北口排土場(chǎng)散體物料的不均勻系數(shù)Cu均在5以上，其土樣分級(jí)類型屬于不均勻土；曲率系數(shù)Cc分布在1～3，表明其散體粗粒料土樣分級(jí)類型總體良好，局部出現(xiàn)粒徑缺失現(xiàn)象，與表1分析結(jié)果相吻合。

表2 排土場(chǎng)散體物料粒度組成

3 排土場(chǎng)堆積體強(qiáng)度變化特性分析

由于排土場(chǎng)散體巖土力學(xué)性質(zhì)主要由其自身的巖土成分和塊度大小決定，粒徑級(jí)配(粗粒含量)是影響超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體介質(zhì)抗剪強(qiáng)度特性的主要因素[2-3]。

北口排土場(chǎng)散體物料為采場(chǎng)剝離廢石和地表第四紀(jì)土制備排土場(chǎng)散體物料堆積體模型試樣，采用應(yīng)力控制式大型直剪剪切儀作為該剪切實(shí)驗(yàn)的加載裝置，開展剪切強(qiáng)度特性試驗(yàn)，探究排土場(chǎng)堆積體強(qiáng)度特征與散體物料塊度組成的直接關(guān)系。

3.1 模型試樣級(jí)配方案

為研究排土場(chǎng)堆積散體物料中粗顆粒含量對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，將粗顆粒的含量設(shè)計(jì)為0%、15%、30%、45%、60%、75%等6個(gè)等級(jí)。以“等量代替法”縮尺進(jìn)行設(shè)計(jì)級(jí)配方案，如表3所示。

圖5 平均粒徑與排土場(chǎng)高度(h/H)的關(guān)系

圖6 中間粒徑D50與排土場(chǎng)高度(h/H)的關(guān)系

圖7 粗粒料(P>5 mm)與排土場(chǎng)高度(h/H)的關(guān)系

3.2 模型剪切加載實(shí)驗(yàn)

參照文獻(xiàn)[2-3]進(jìn)行模型剪切試驗(yàn)，剪切應(yīng)力-位移關(guān)系如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨粗粒含量逐漸減少，剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線逐漸變光滑，是因?yàn)殡S著細(xì)顆粒含量增多，顆粒間孔隙得到相互填充，顆粒擠得較緊；粗粒含量較高曲線相對(duì)不光滑，是因?yàn)榇诸w粒表現(xiàn)出明顯的骨架作用，相互架空形成較大的孔隙，隨著增壓的進(jìn)行，粗顆粒的咬合作用逐漸明顯，導(dǎo)致出現(xiàn)波動(dòng)。

表3 排土場(chǎng)散體物料堆積體模型試樣級(jí)配方案[2]

剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線總體呈指數(shù)變化。初始階段近似呈直線，由于散體物料較為松散，顆粒間發(fā)生擠壓、滑移，導(dǎo)致變形加大，屬?gòu)椥宰冃坞A段；隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，曲線較為平緩，松散物料逐漸壓密實(shí)，顆粒重排列，達(dá)到新的平衡，宏觀表現(xiàn)為持續(xù)變形，屬初始屈服階段；隨試驗(yàn)的進(jìn)一步進(jìn)行，細(xì)顆粒進(jìn)一步破壞，使得物料中不同粒徑的顆粒相互咬合、摩擦，導(dǎo)致物料強(qiáng)度再次增加，直至達(dá)到完全破壞，屬破壞階段。

圖8 不同粒徑含量剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線

由剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線圖，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則：τ=σtanφ+c，用最小二乘法進(jìn)行線性回歸,可得出散體試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表4。

表4 排土場(chǎng)散體物料抗剪強(qiáng)度參數(shù)

從表4可知，排土場(chǎng)散體物料黏聚力隨著粗顆粒含量增多，呈減小、增大、減小的特征，總體呈較小的趨勢(shì)；內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量增多而增大。

4 結(jié) 論

(1)北口排土場(chǎng)散體材料的顆粒分布曲線顯示，排土場(chǎng)的堆積散體總體屬于不均勻土，物料粒徑變化范圍較大，局部少數(shù)地區(qū)出現(xiàn)粒徑缺失現(xiàn)象。

(2)北口排土場(chǎng)散體中間粒徑、平均粒徑以及粗料含量隨排土場(chǎng)高度逐漸減小，表明排土場(chǎng)散體粒徑分級(jí)較為顯著，即：排土場(chǎng)頂部集中分布小顆粒，底部集中分布粗顆粒，中部集中分布中等顆粒。

(3)隨著粗顆粒含量的增加，排土場(chǎng)散體物料內(nèi)摩擦角逐漸變大；黏聚力顯現(xiàn)減小、增大、減小的特征，總體呈減小趨勢(shì)。

[1] 王光進(jìn).超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體介質(zhì)力學(xué)特性及邊坡穩(wěn)定性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[2] 張 春,吳 超.排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度對(duì)邊坡潛在滑動(dòng)面的影響[J].金屬礦山,2015(1):133-137.

[3] 王光進(jìn),楊春和,孔祥云,等.超高臺(tái)階排土場(chǎng)散體塊度分布規(guī)律及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究[J].巖土力學(xué),2012,33(10):3087-3092.

Study on the Size Distribution Regularity of Bulky Material and Its Strength Variable Characteristics of Ultra-high-bench Dumping-site

Zhao Dongyin

(Zijin Mining Group Co., Ltd.)

Typical spatial grading is the most apparent characteristic of the particle size of the bulk material in the ultra-high-bench dumping-site,its strength characteristics and stability are mainly controlled by the spatial distribution characteristics of the bulky blocks.So,analyzing the distribution regularity of the bulky rock in the ultra-high-bench dumping-site, and its mechanical characteristics and buckling failure mode are the determining the dumping-site Stability.The height of Zijin north dumping-site is 520 m,it belongs to the typical dumping-site with high steps.Based on the field test of the bulky material distribution of the north Dumping-site,the particle size ingredient of bulky material has been drawn up for the mechanical characteristics test. The relationship between the dumping-site strength parameters and the bulky material ingredient is thoroughly analyzed and the mechanical characteristics of the Zijin north dumping-site is determined.The study results of the paper can provide the guidelines for the development of the reasonable project plans of the dumping-site.

Ultra-high-bench dumping-site,Bulky material,Blocks distribution,Strength characteristics

2016-07-10)

趙東寅(1966—)，男，安全生產(chǎn)部總經(jīng)理，高級(jí)工程師，364200 福建省上杭縣。