排土場(chǎng)土石混合體強(qiáng)度重構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律及時(shí)效穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

羅偉

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699）

排土場(chǎng)土石混合體強(qiáng)度重構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律及時(shí)效穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

羅偉

（云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行土石混合體物時(shí)效強(qiáng)度的測(cè)試，并根據(jù)力學(xué)參數(shù)時(shí)空分布建立模型進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，揭示了排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中的時(shí)效穩(wěn)定性變化規(guī)律。

土石混合體；重構(gòu)；時(shí)空分布；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1 土石混合體強(qiáng)度重構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律

排土場(chǎng)隨著高度增加，在垂直方向上排土場(chǎng)的土石混合體中的每一點(diǎn)都受到上覆應(yīng)力，在該應(yīng)力作用下，將直接導(dǎo)致排土場(chǎng)的密度發(fā)生變化，但這種變化是和時(shí)間有一定的函數(shù)關(guān)系的[1]。

土石混合體重構(gòu)程度主要受到上覆壓力的影響，在上覆壓力的作用下，土石混合體中的孔隙和裂隙中的部分空氣被壓出，但是當(dāng)土石混合體的規(guī)模巨大時(shí)，由于孔隙和裂隙中的空氣難以被上覆壓力一次性快速壓出，剩余部分空氣只能在孔隙和裂隙中被壓縮，氣體壓強(qiáng)增大，從而抵抗上覆壓力；當(dāng)土石混合體在極限載荷作用下發(fā)生破壞時(shí)，破壞剪切面上的孔隙中的壓縮空氣會(huì)減弱剪切面上的正應(yīng)力，從而使其更容易發(fā)生破壞；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，由于土石混合體中的氣體與大氣的壓強(qiáng)差，土石混合體中的空氣會(huì)在上覆壓力加強(qiáng)的作用下逐漸排出，從而導(dǎo)致土石混合體密度變大，重構(gòu)增強(qiáng)，最終混合體重構(gòu)強(qiáng)度變大。通過(guò)上述土石混合體重構(gòu)強(qiáng)度分析，得到土石混合體的重構(gòu)程度一方面受到上覆壓力的作用，并且這一作用最直接導(dǎo)致土石混合體密度變大，強(qiáng)度提高；另一方面，在土石混合體的規(guī)模巨大的情況下，由于土石密封阻滯作用，土石混合體中的空氣難以排出，會(huì)造成土石混合體重構(gòu)停滯，并且土石混合體中的壓縮空氣會(huì)加劇其破壞，構(gòu)成排土場(chǎng)不穩(wěn)定的一種因素，但是隨著時(shí)間的進(jìn)行和上覆壓力逐增作用，土石混合體中的空氣會(huì)逐漸排出，重構(gòu)逐漸加強(qiáng)[2]。

排土場(chǎng)的高度隨時(shí)間的變化率與開(kāi)采作業(yè)的強(qiáng)度和排土作業(yè)的強(qiáng)度有關(guān)，由于排土場(chǎng)的土石混合體被上覆壓力壓實(shí)的過(guò)程中具有蠕變時(shí)效特性[3-5]，如果排土場(chǎng)的高度增加過(guò)快，土石混合體不能被立即壓實(shí)，這種不能被立即壓實(shí)的特性是受到多種因素導(dǎo)致的，主要包括土石物料本身的蠕變特性、土石混合體中的空氣難以被壓出特性，排土場(chǎng)工程機(jī)械作業(yè)持續(xù)震動(dòng)特性等[6-7]，這將使得土石混合體重構(gòu)不充分，不能達(dá)到重構(gòu)強(qiáng)度上限，難以承受上覆重力，導(dǎo)致排土場(chǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。但是土石混合體“不能被立即壓實(shí)”特性本身是含有時(shí)間特征的，當(dāng)排土速率減小時(shí)，高度增長(zhǎng)率減小，土石混合體的“不能被立即壓實(shí)”特性減弱[8-9]，因此，這種特性可定義為土石混合體重構(gòu)強(qiáng)度的時(shí)效特性。

2 不同重構(gòu)壓力下抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的核心參數(shù)，而黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ是抗剪強(qiáng)度的2個(gè)主要參數(shù)[10]。黏聚力是巖土體顆粒之間的膠結(jié)方式和連接強(qiáng)度所提供的聚合力，內(nèi)摩擦角則反映了巖土體顆粒之間的咬合、摩擦特性[11]，二者的綜合作用體現(xiàn)了巖土體抵抗剪切應(yīng)力的能力。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，探索不同重構(gòu)壓力下土石混合體重構(gòu)抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2.1 試樣制備

對(duì)于土石混合體抗剪強(qiáng)度的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)采用便攜式壓力實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行不同重構(gòu)壓力、時(shí)間條件下的試樣制備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及0.125 MPa下制備的土石混合體巖樣如圖1。整套設(shè)備包括液壓系統(tǒng)、重構(gòu)容腔、壓力表等主要部件，將松散巖體裝入重構(gòu)容腔中，并進(jìn)行適當(dāng)攪拌，保證土石混合體在重構(gòu)容腔中分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)偏載的情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及0.125 MPa下制備的土石混合體巖樣

2.2 黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ的測(cè)定

對(duì)0.125 MPa壓力下的土石混合體重構(gòu)巖樣進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，從重構(gòu)巖樣中制取4個(gè)剪切巖樣，分別進(jìn)行50、100、150、200 kPa 4個(gè)垂向荷載下的直剪實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直剪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2。

綜合4個(gè)不同垂向荷載條件下的直剪數(shù)據(jù)最大值，進(jìn)行回歸分析，得到該組巖樣的黏聚力為6.76 kPa，內(nèi)摩擦角為36.83°，土石混合體重構(gòu)巖樣（0.125 MPa）直剪結(jié)果如圖3所示。

按照相同的實(shí)驗(yàn)方法和研究思路，依次對(duì)0.25、0.375、0.5、0.7、0.9、1 MPa這6個(gè)壓力級(jí)別下的土石混合體的重構(gòu)巖樣進(jìn)行了直剪實(shí)驗(yàn)

匯總所有的重構(gòu)壓力下的土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 直剪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖3 土石混合體重構(gòu)巖樣（0.125 MPa）直剪結(jié)果

表1 土石混合體重構(gòu)巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)表1中土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行回歸分析，揭示重構(gòu)壓力對(duì)于土石混合體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，回歸分析結(jié)果如圖4。

從圖4可以看出，土石混合體的黏聚力C與重構(gòu)壓力呈現(xiàn)良好的函數(shù)關(guān)系，黏聚力C與重構(gòu)壓力呈二次函數(shù)關(guān)系遞增；而內(nèi)摩擦角與重構(gòu)壓力并沒(méi)表現(xiàn)出明顯的函數(shù)關(guān)系。

3 排土場(chǎng)土石混合體邊坡時(shí)效穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與重構(gòu)壓力的耦合關(guān)系曲線

對(duì)于土石混合體邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，需要結(jié)合排土場(chǎng)的排棄方案，并根據(jù)排土場(chǎng)臺(tái)階的層位和堆載時(shí)間進(jìn)行分區(qū)賦參數(shù)，然后通過(guò)數(shù)值模擬，得到土石混合體排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。這種分層或者分區(qū)賦參數(shù)的方法可以提高土石混合體邊坡巖層力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性，避免因單一參數(shù)賦值所造成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)誤差。本文基于2種主要的排土方案分別進(jìn)行排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以揭示排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中的時(shí)效穩(wěn)定性變化規(guī)律。

3.1 多臺(tái)階平行推進(jìn)排土方案

分區(qū)開(kāi)采的近水平大型露天煤礦，外排土場(chǎng)和內(nèi)排土場(chǎng)的排土場(chǎng)方案多數(shù)采用原地起坡，達(dá)到設(shè)計(jì)的高度之后，多個(gè)排土臺(tái)階平行向前推進(jìn)，直至最終的排土境界。多臺(tái)階平行推進(jìn)排土方案如圖5。在排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)推進(jìn)過(guò)程中，由于排土順序和排土層位的差異，造成不同區(qū)域的土石混合體的力學(xué)參數(shù)也有所不同，重構(gòu)實(shí)驗(yàn)所揭示的規(guī)律，對(duì)不同層位的參數(shù)的進(jìn)行分區(qū)賦參數(shù)，然后對(duì)排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，得到土石混合體排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。

根據(jù)圖5，排土場(chǎng)從Ⅰ層至N層，土石混合體所受的重構(gòu)壓力隨著層數(shù)增加呈線性遞增，相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)也不斷變化，當(dāng)排土場(chǎng)臺(tái)階達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，按照?qǐng)D5中的1～n的排土順序逐步排土，并對(duì)每個(gè)階段的排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同排土階段的穩(wěn)定性分析結(jié)果，如圖6所示。

圖5 多臺(tái)階平行推進(jìn)排土方案

圖6 不同排土階段時(shí)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性分析結(jié)果

不同高度的排土場(chǎng)在從1～n的排土過(guò)程中，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖7。

圖7 排土作業(yè)過(guò)程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)

從圖7可知，隨著排土場(chǎng)高度H的不斷增大，穩(wěn)定系數(shù)Fs呈加速降低趨勢(shì)。當(dāng)完成1區(qū)的排土作業(yè)時(shí)，整體邊坡角降低，邊坡穩(wěn)定系數(shù)大幅提升；依次進(jìn)行2～n區(qū)域的排土作業(yè)時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈線性降低。分析結(jié)果顯示，危險(xiǎn)區(qū)域總是集中在排土臺(tái)階表層，這部分物料的重構(gòu)強(qiáng)度最低，容易發(fā)生滑塌。

3.2 逐層排土方案

對(duì)于特殊地形區(qū)域的外排土場(chǎng)，由于排土場(chǎng)地的限制，不具備原地起坡、多層平行推進(jìn)的條件，這種情況下，排土場(chǎng)自下而上采用逐層排棄，下一層排土任務(wù)完成之后，然后進(jìn)行上一層排土作業(yè)，整個(gè)排土場(chǎng)順序如圖8所示。

圖8 排土場(chǎng)逐層排土方案

對(duì)逐層排土方案進(jìn)行分區(qū)賦值，然后進(jìn)行土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析，不同排土場(chǎng)階段的穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 逐層排土過(guò)程中的穩(wěn)定性分析結(jié)果

從圖9可以看出隨著排棄層數(shù)的增加，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性逐漸增加，當(dāng)達(dá)到最大排土場(chǎng)層數(shù)時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了突降。而且最危險(xiǎn)滑面集中在最上部松散排土臺(tái)階。

綜合2種排土方案在動(dòng)態(tài)排土過(guò)程中的時(shí)效穩(wěn)定系數(shù)可以看出，在動(dòng)態(tài)排棄過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均是先增長(zhǎng)后減小，危險(xiǎn)滑面主要集中在排土場(chǎng)邊坡表層，因此，在排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)排棄過(guò)程中，應(yīng)該注意表層邊坡的變形、沉降甚至滑移問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于不同重構(gòu)壓力下土石混合體重構(gòu)抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，分析探索得出了排土場(chǎng)的作業(yè)程序和不同層位土石混合體力學(xué)強(qiáng)度的分布規(guī)律，分別對(duì)多層平行推進(jìn)排土和逐層排土這2種方案的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到了動(dòng)態(tài)排土過(guò)程中的穩(wěn)定性變化規(guī)律，為排土場(chǎng)作業(yè)方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

［1］尚濤，舒繼森，才慶祥，等.露天煤礦端幫采煤與露天采排工程的時(shí)空關(guān)系［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30（l）：27-29.

［2］高峰，謝和平，趙鵬.巖石塊度分布的分形性質(zhì)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1994，13（3）：240-246.

［3］謝學(xué)斌，潘長(zhǎng)良.排土場(chǎng)散體巖石粒度分布與剪切強(qiáng)度的分形特征［J］.巖土力學(xué)，2004，25（2）：287-291.

［4］劉漢龍，秦紅玉，高玉峰，等.堆石粗粒料顆粒破碎試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（4）：562-566.

［5］黃廣龍，周建，龔曉南.礦山排土場(chǎng)散體巖土的強(qiáng)度變形特性［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版)，2000，34（1）：54-58.

［6］盛建龍，劉新波，朱瑞賡.分形理論及巖石破碎的分形特征［J］.武漢冶金科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，22（1）：6-8.

［7］梁軍，劉漢龍，高玉峰.堆石蠕變機(jī)理分析與顆粒破碎特性研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（3）：479-483.

［8］高玉峰，張兵，劉偉，等.堆石料顆粒破碎特征的大型三軸試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（5）：1237-1246.

［9］孔德志，張其光，張丙印，等.人工堆石料的顆粒破碎率［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版)，2009，49（6).

［10］張家銘，張凌，蔣國(guó)盛，等.剪切作用下鈣質(zhì)砂顆粒破碎試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（10）：2789-2793.

［11］趙光思，周國(guó)慶，朱鋒盼，等.顆粒破碎影響砂直剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（3）：291-294.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Soil-rock m ixture reconstruction spatial and temporal distribution law and stability evaluation

LUOWei
(Yunnan Province Xiaolongtan Mining Bureau,Kaiyuan 661699,China)

The mine carries out the test of soil-rock mixture strength by experiment,establishes the model to carry out stability evaluation according tomechanical parameters,and reveals the effectiveness stability variation law in the dynamic development of the dump.

soil-rock mixture;reconstruction;spatial and temporal distribution;stability evaluation

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0036－04

2017-06-20

羅 偉（1982—），男，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局采礦工程師。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.009

羅偉.排土場(chǎng)土石混合體強(qiáng)度重構(gòu)時(shí)空分布規(guī)律及時(shí)效穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：36-39.