尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排穩(wěn)定性與邊坡參數(shù)優(yōu)化研究

朱遠樂，唐紹輝，蘇 偉

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

尾礦壩作為礦山工程采、選、尾三大控制性工程之一，是礦山事故發(fā)生高頻區(qū)域[1-2]。排土場為礦山采礦固廢的堆存場所，其容納了礦山基建期剝離的表土層、風(fēng)化巖土以及露天礦山或地下礦山采礦廢石及部分貧礦等[3]，排土場與尾礦壩的安全與否將直接導(dǎo)致礦山工程重大安全事故的發(fā)生，影響礦山企業(yè)的正常生產(chǎn)，同時造成重大人員傷亡與財產(chǎn)損失等[4- 5]。目前國內(nèi)、國外的學(xué)者分別對尾礦壩、排土場工程領(lǐng)域進行了廣泛研究，獲得了可喜的成果。

目前新建尾礦壩以及排土場的審批程序和要求越來越嚴(yán)格，且由于地形條件、下游情況、征地、環(huán)保等問題無法同時新建尾礦壩和排土場，且單獨新建尾礦壩和排土場的費用較高，若地形條件不好，這兩項的費用將會大大的占用礦山投資的費用?；谏鲜鲈颍陙韲鴥?nèi)外學(xué)者，對尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排技術(shù)進行了研究[6-7]，唐飛[8]通過分析工程實踐中排土廢石和尾礦的聯(lián)合堆排經(jīng)驗，提出了一種將尾礦壩和排土場聯(lián)合在一起共同堆排的技術(shù)；王曉民等[9]分析了將停用的尾礦壩經(jīng)過技術(shù)設(shè)計后改建為排土場堆排礦山廢石技術(shù)，并將此項技術(shù)運用到實際工程中；李全明[10]通過總結(jié)尾礦壩、排土場工程的特點，提出了尾礦壩上覆排土場條件下的危險源辨識方法，同時研究了類似工程的安全評估技術(shù)。為保證尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排的安全性，通過分析現(xiàn)狀條件下尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排整體的穩(wěn)定性，提出了排土場卸荷堆排，同時優(yōu)化其外坡的邊坡角以達到尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排場所的整體安全。

1 排土場-尾礦壩設(shè)計及現(xiàn)狀情況

排土場設(shè)計：湖南某錫礦所屬排土場位于其選礦廠以西的沖溝內(nèi)、露天采場西南部，其北部即上游為尾礦壩，排土場和尾礦庫是互相連在一起的，利用基建廢石筑尾礦庫的初期壩。設(shè)計排土堆置高度為120 m(+520～+640 m)，階段高度6 m，臺階寬度2 m，每隔4個平臺留設(shè)一個7 m寬平臺，整體邊坡角為16°。在廢石場邊坡外30 m處設(shè)置攔石壩，攔石壩長30 m，高6 m。廢石場四周設(shè)截水溝，攔石壩下方設(shè)沉泥池，沉泥池定期清理。

尾礦壩設(shè)計：排土場上游為礦山所屬尾礦庫，排土場從尾礦壩下游壩坡往外堆排，尾礦壩為一次性筑壩，壩型為碾壓土石混合料壩，尾礦壩壩頂標(biāo)高+638.0 m，壩頂寬5.0 m，上游壩坡坡比1∶2.0，下游壩坡坡比1∶2.5，總壩高63.0 m，總庫容約為3.475 0×106m3，尾礦庫為三等庫。尾礦壩-排土場相互位置關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 尾礦壩-排土場相互位置關(guān)系示意圖Fig.1 Position diagram of tailing pond-waste dump heaping

排土場現(xiàn)狀：排土場現(xiàn)狀與設(shè)計不符，排土場坡底往東偏移，由+520 m提升至+533 m，頂部標(biāo)高超高8 m，部分臺階高度有所不同排土堆置高度約115 m(+533～+648 m)，排土場實際占地面積約8.8×104m2，總堆置量約3.750×106m3。共形成有11個平臺，臺階寬度不一，為3～14 m，臺階高度為5～10 m；排土場整體邊坡角為25°～26°，其中南側(cè)局部邊坡角達到33°；排土場東西長327 m、南北寬410 m，平均堆厚42.6 m。

尾礦壩現(xiàn)狀：尾礦壩壩體均按設(shè)計施工。壩頂表層40～50 cm進行了水泥硬化，作為汽車及其他施工設(shè)備的道路。道路內(nèi)側(cè)設(shè)有欄桿，欄桿距內(nèi)坡約 1.2 m，內(nèi)坡表面硬化處理。

2 計算方法、參數(shù)及剖面選擇

對比國內(nèi)外礦山排土場安全系數(shù)，分別計算尾礦壩-排土場在三種不同工況下的穩(wěn)定性，工況一為自然狀態(tài)條件，工況二為暴雨狀態(tài)條件，工況三為地震力條件，要求三種工況條件下，安全系數(shù)均不小于1.2[11]。

在邊坡穩(wěn)定性分析中，使用瑞典圓弧法、修正的簡布法、Spencer法、Morgenstern-Price法和Bishop法等極限平衡條分法得到的穩(wěn)定性系數(shù)較合理和可靠[12]。

綜合分析現(xiàn)有地質(zhì)資料，部分不明確的參數(shù)，本著安全的原則，參照類似礦山類比選取。推薦排土場穩(wěn)定性分析和地基穩(wěn)定性計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體強度參數(shù)表Table 1 Strength parameters of rocks and soils

為系統(tǒng)模擬分析排土場邊坡穩(wěn)定性狀況，根據(jù)邊坡巖體工程地質(zhì)特征、邊坡布置情況，在不同位置選取3個具有代表性的剖面建立計算模型，其中2號剖面的斷面圖如圖2所示。

3 聯(lián)合堆存穩(wěn)定性分析

參照《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》，將該排土場定為二級排土場。排土場現(xiàn)狀存在如下問題：

(1)排土場未按設(shè)計建造攔石壩；

(2)排土場未做專項安全現(xiàn)狀評價報告；

(3)按設(shè)計方案排土場已超高；

(4)排土場邊坡角控制不到位，局部邊坡過陡。

計算尾礦壩-排土場在三種不同工況下的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性計算簡圖見圖3、圖4，采用多種穩(wěn)定性計算方法計算的穩(wěn)定性結(jié)果見表2、表3。

尾礦壩-排土場3個剖面、3種不同工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，工況一條件下，尾礦壩-排土場整體穩(wěn)定性較好；工況二條件下，尾礦壩-排土場整體穩(wěn)定性符合要求，安全儲備較?。还r三條件下，1剖面整體穩(wěn)定性安全儲備不足，其余符合要求。3種工況條件下，尾礦壩-排土場局部均會發(fā)生破壞，失穩(wěn)部位主要集中在+575～+592 m標(biāo)高處。

參照國內(nèi)外工程經(jīng)驗及鐵道部運輸局推薦的法向和切向回彈系數(shù)[13]，綜合選取尾礦壩-排土場邊坡滾石的模型參數(shù)，取切向回彈系數(shù)Rt取0.82，法向回彈系數(shù)Rn取0.32，坡面摩擦角取30°。滾石初始平動速度為0～1.5 m/s，轉(zhuǎn)動速度0～2 rad/s。為保證邊坡下方平臺及作業(yè)面安全，按最不利的原則，取初始平動速度1.5 m/s，轉(zhuǎn)動速度2 rad /s，來進行分析，隨機模擬的滾石數(shù)為50個。

圖2 2#典型剖面斷面圖Fi.2 No.2 section

圖3 瑞典圓弧法計算結(jié)果圖(工況1、剖面3)Fig.3 The results of calculation using the Swedish arc method (Condition1, No. 3 section)

圖4 瑞典圓弧法計算結(jié)果圖(工況1、剖面1)Fig.4 The results of calculation using the Swedish arc method (Condition1, No. 1 section)

剖面編號邊坡安全系數(shù)瑞典圓弧法畢肖普法簡布法Spencer法M-P法平均值1整體1.2961.3401.3581.3371.3351.333最小值1.2361.2431.2471.2391.2371.240最小值位置575～590 m575～590 m575～590 m575～590 m575～590 m2整體1.6271.6021.6221.6011.6011.611最小值1.0061.0021.0131.0061.0061.007最小值位置575～592 m575～592 m575～592 m575～592 m575～592 m3整體1.4251.4971.4991.4931.4911.481最小值1.1421.1621.1751.1591.1561.159最小值位置546～563 m575～590 m575～590 m575～590 m575～590 m

表3 邊坡整體安全系數(shù)計算結(jié)果表(工況2)Table 3 Calculation results of the overall safety factor of the slope (Condition 2)

采用Rocfall軟件對尾礦壩-排土場邊坡滾石進行了分析研究。計算結(jié)果表明，尾礦壩-排土場現(xiàn)狀臺階的各剖面邊坡參數(shù)基本能有效攔截上方滾石。

4 堆存邊坡坡形參數(shù)優(yōu)化

通過計算：尾礦壩-排土場整體上基本穩(wěn)定，但剖面1在暴雨狀態(tài)下和地震應(yīng)力作用下平均安全系數(shù)最低，剖面3邊坡分別在暴雨狀態(tài)下平均安全系數(shù)最低，存在安全隱患，對其進行處理。

根據(jù)最不利原則，調(diào)整尾礦壩-排土場邊坡坡形參數(shù)，對其進行優(yōu)化使其安全系數(shù)在各工況條件均能下達到1.2。

剖面1不穩(wěn)定坡段邊坡角為26°，該剖面邊坡巖體條件分別對應(yīng)邊坡角為25°、24°進行優(yōu)化；剖面2不穩(wěn)定坡段邊坡角為27°，該剖面邊坡巖體條件分別對應(yīng)邊坡角為26°進行優(yōu)化；剖面3不滿足規(guī)范邊坡段邊坡角為33°，該剖面邊坡巖體條件分別對應(yīng)邊坡角為29°、28.5°進行優(yōu)化。分別對各剖面各優(yōu)化的邊坡角在暴雨(工況2)、地震狀態(tài)下(工況3)穩(wěn)定性進行計算分析，部分計算結(jié)果如圖5、圖6、表4、表5所示。

圖5 瑞典圓弧法計算結(jié)果圖(26°、剖面2、工況3)Fig.5 The results of the calculation using the Swedish arc method (26°, No. 2 section, Condition 3)

圖6 瑞典圓弧法計算結(jié)果圖(29°、剖面3、工況3)Fig.6 The results of the calculation using the Swedish arc method (29°, No. 3 section Condition 3)

剖面邊坡角/(°)邊坡安全系數(shù)瑞典圓弧法畢肖普法簡布法Spencer法M-P法平均值剖面125.51.2701.3471.3401.3481.3451.330251.2861.3591.3571.3571.3571.343241.3261.3781.3931.3761.3771.370剖面2261.2781.3011.3181.2981.2981.299剖面3291.1751.1991.2111.1941.1971.19528.51.1811.2051.2161.2001.2031.201

表5 邊坡整體安全系數(shù)計算結(jié)果表(工況3)

計算結(jié)果表明：

(1)當(dāng)1剖面滑坡段邊坡角為25.5°時，在三種工況狀態(tài)下安全系數(shù)均能達到規(guī)范要求，即邊坡安全大于1.2；通過計算可知，需要調(diào)整的邊坡區(qū)段為+575～+615 m；

(2)當(dāng)剖面2滑坡段邊坡角為26°時，在三種工況狀態(tài)下安全系數(shù)均能達到規(guī)范要求，即邊坡安全大于1.2。通過計算對比可以發(fā)現(xiàn)，治理部位為+575～+598 m，治理方式采用尾礦壩-排土場聯(lián)合體中邊坡卸荷的方法，降低局部邊坡角；

(3)當(dāng)剖面3滑坡段邊坡角為28.5°時，該段邊坡在三種工況狀態(tài)下安全系數(shù)均能達到規(guī)范要求，即邊坡安全系數(shù)大于1.2。

經(jīng)計算分析可知：尾礦壩-排土場邊坡需要卸載區(qū)域為+575～+625 m。涉及+575～+590 m、+590～+598 m、+598～+605 m、+605～+615 m、+615～+625 m、+625～+635 m等臺階。通過對邊坡規(guī)范化和卸荷，排土場新增+586 m平臺，去除+590 m平臺；相應(yīng)的去除+575～+590 m和+590～+598 m臺階，新形成+575～+586 m和+586～+598 m臺階。

邊坡規(guī)范化和卸荷后+575 m、+586 m、+598 m、+605 m、+615 m和+625 m平臺新修區(qū)域的平臺寬基本達到5 m；各平臺形成反坡，利于平臺水排入平臺水溝內(nèi)。+575～ +590 m、+590～+598 m、+598～+605 m、+605～+615 m、+615～+625 m、+625～+635 m臺階的卸荷區(qū)域坡面角約為37°或小于37°。

排土場卸載土石方共計2.95×104m3。為利于排水，排土場各平臺設(shè)置2%逆坡。經(jīng)卸荷后，排土場邊坡角均滿足穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)狀條件尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排體排土場部分堆高已超設(shè)計標(biāo)高，排土場邊坡角控制達不到設(shè)計要求，局部邊坡過陡，現(xiàn)狀條件尾礦壩-排土場的整體穩(wěn)定性分析中地震工況條件下穩(wěn)定性安全儲備不足。

(2)尾礦壩-排土場滾石邊坡分析中，聯(lián)合堆排體外坡臺階的各剖面邊坡參數(shù)基本能有效攔截上方滾石，對聯(lián)合堆排體各剖面的外坡邊坡參數(shù)進行了優(yōu)化，剖面1優(yōu)化后的外坡邊坡角為25.5°，剖面2優(yōu)化后的外坡邊坡角為26°，剖面3優(yōu)化后的外坡邊坡角為28.5°。

(3)對尾礦壩-排土場聯(lián)合堆排體外坡坡角優(yōu)化后進行了卸荷設(shè)計，卸荷后形成6個平臺，平臺寬度為5.0 m，排土場卸載土石方共計2.95×104m3。