尖山鐵礦大型排土場綜合治理實踐

郭瑞峰， 張德勝， 薄建芬

（太原鋼鐵（集團）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t/a，采剝量5 000萬t/a。尖山鐵礦排土場分南部排土場和北部排土場，排土場最終排土容積為4.97億m3，為國際上第一個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t、總排巖高度達370 m的超大型露天排土場。排土場為建立在軟弱溝谷地基上的4個汽車排土臺階與2個膠帶排土臺階組合形成的自下而上由外向里分階段后退式多臺階覆蓋土場，存在地基軟弱、排土強度大、高度高、地形復(fù)雜等特點。南排土場為尖山鐵礦的主排土場，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)生過大面積土場滑塌事故，安全生產(chǎn)威脅較大。

為確保排土場的安全運行，尖山鐵礦結(jié)合排土場實際情況，總結(jié)提煉出有效的治理措施，使南部排土場使用和管理處于受控狀態(tài)，降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，保護附近居民財產(chǎn)和人身安全。

1 排土場治理思路

南排土場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，原有土場中，各種巖性、塊度的料石無組織混排，為避免作為排土場地基可能發(fā)生的破壞，需要對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）進行控制，最重要的方面在于對排土場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)面積和范圍過大，地基基礎(chǔ)軟弱，特別是排土場整體上已經(jīng)形成的東、西、北三向受周邊山體阻擋和挾持，該方向上相對較穩(wěn)定，但南側(cè)凌空，坡腳積水，因而主要采取排土過程中的坡頂設(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)定加強措施，同時控制排土速度。因此，南排土場治理設(shè)計采取以下思路：

1）排土工藝優(yōu)化：針對待排場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)對下游危害；排土場形成后便成為預(yù)先埋設(shè)的抗滑擋墻，同時將改善水的排泄和排土場內(nèi)部的疏干兩個方面。

3）針對終了形態(tài)形成的1820m、1760m、1670 m、1 630 m、1 585 m和1 540 m六個階段臺階（1 670 m臺階以下部分土場為汽車直排部分土場，1 820～1 760 m階段和1 760～1 670 m階段土場為膠帶土場）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）針對排土場終了形態(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 排土場治理措施

針對正在運行使用的尖山南排土場生產(chǎn)建設(shè)實際和地形地貌特點，根據(jù)“經(jīng)濟實用，安全可靠”的工程設(shè)計原則，采用“上截中排下攔內(nèi)導(dǎo)”的綜合治理模式細化排土工藝。“上截”即在排土場上游山體設(shè)置截水溝，攔截外圍匯流；“中排”即改變現(xiàn)有排土方式，使排渣平臺形成外高內(nèi)低，坡度為2°～3°的反坡，并在各級平臺內(nèi)側(cè)修建排水溝，將徑流排出堆土場；“下攔”即在堆渣平臺下部基礎(chǔ)構(gòu)建預(yù)埋碾壓攔石壩，增強渣土坡體的穩(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底部蓄積和增強底層土場穩(wěn)定性。同時，在不進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)整土場升成過程的時空關(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

基于對南排土場原始地形的整理分析表明，在經(jīng)過北及北西側(cè)的山體匯流，整個南排土場的地下徑流網(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)化第一個關(guān)鍵是因地制宜，不改變原有地形的條件下，通過在正常排土作業(yè)開始前，在通道中先排放大塊、巖性堅硬、耐水性好的廢石形成排土場滲流通道。這樣，在排土場堆高和向前推進的過程中，北部、北東部山體匯集水流以及排土場自身表面匯水下滲后，可以繼續(xù)沿此通道及時排泄，最終從坡腳下游出露，不會在排土場底部蓄積。

2.2 預(yù)埋碾壓欄石壩

南排土場橫跨寺溝西溝和都交曲溝等多條SN走向的溝谷及山梁。利用巖性堅硬、耐水性好的廢石料采用裝載機和推土機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)對下游危害，又有利于增加排土場的庫容。

2.3 調(diào)整排土程序

排土場運營使用期間，排棄物料不可能瞬時一次施加，也不可能在完成一個排土臺階后，給地基土體留下足夠的固結(jié)時間，然后再形成另一排土臺階（雖然是可以控制的，這種逐臺階排棄，時間上不規(guī)則間歇與非穩(wěn)定排棄強度的狀況，很難把握地基土體中超孔隙壓力隨時間與加載間的消長，因而地基土體強度與變形十分復(fù)雜對于軟弱的黃土地基，排土場的形成過程是不均勻、局部非規(guī)則、間隔循環(huán)的加載過程，必然會導(dǎo)致土場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、抗壓強度值增高，抗剪強度降低等；如排土強度適當，則是基礎(chǔ)土體孔隙水逐漸擠出，地基軟巖被壓實固結(jié)，地基強度增長。因而從排土工藝層面來控制，是加強南排土場安全儲備的關(guān)鍵和有效的措施。礦山排土場工程中表現(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)整土場升成過程的時空關(guān)系，控制排土速度。

2.4 截、排水設(shè)計

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

山體截水：為了防止降雨積水直接從排土場周邊原始山體匯流入排土場內(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截水溝引導(dǎo)道排土場下游。

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自身力學(xué)強度參數(shù)和在排土場與黃土地基中形成軟化弱層，有必要在排土平臺上修筑坡面排水溝。坡面排水溝設(shè)置修筑在臺階坡腳處，并配套2%左右的反坡，使堆土平臺呈外高內(nèi)低、坡度為2°～3°的反坡，將降雨匯水從排土場上引出，減少沿土場表面的雨水外流和下滲。

2.5 隔離帶

南排土場北區(qū)、西區(qū)、南區(qū)坡腳，私人選礦點和掏挖排土場坡腳和從排土坡腳邊沿通行屢禁不止，考慮排棄過程中的滾石以及坡腳掏挖對邊坡穩(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志。

3 取得的效果

尖山鐵礦在排土場治理方面進行了大量的探索與實踐，成功解決了建立在黃土軟弱地基上的一系列影響排土場安全生產(chǎn)的問題，實現(xiàn)黃土軟弱地基上的大面積高堆置高強度長周期安全排巖，自2009年以來未出現(xiàn)任何滑坡、沉降等事故，排土場運行良好，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益、安全效益及環(huán)境效益，同時給國內(nèi)同行提供了寶貴的經(jīng)驗。