矿山排土场稳定性主动调控机制研究

米子军

(太原钢铁(集团)有限公司岚县矿业公司，山西 岚县 030027)

·采矿工程·

矿山排土场稳定性主动调控机制研究

米子军

(太原钢铁(集团)有限公司岚县矿业公司，山西 岚县 030027)

矿山排土工艺正朝高阶段排土、高强度排土和设备大型化方向发展。伴随而来的是排土平台或其地基失稳剧增，如降低堆置高度则容量减少，如加固或清除地基软土层，巨额的工程费用又难以承受。分析了矿山排土场拦碴坝、坡脚挡墙等被动的过程调控措施的实用性，评价了排(截)水沟的有效性；基于对环境的影响后果，从排土场边坡与基底的相互作用机理出发，采用允许变形和部分破坏的设计原则。基于空间效应，构架了合理使用排土空间，调整排土场形成过程的时空关系的主动调控机制：①对凸形排土场应控制排弃强度，确保土场沉降正常，以废石流量为安全调控关键指标；②对软弱地基，首要是控制第一层排土段高，采用堆载预压原理提高基底承载力，作为上覆土场基础，规避大面积清除软基层；③当场址内梁、谷交错且地基软弱，对称均衡纵向推进的排土，可规避侧向挤压作用触发的牵引式滑坡危害。同时，利用分区间隔点排法和基于界面疏导原理，构筑的泄流基底确保降雨不诱发排土场滑坡及突变成泥石流。经过现场试验论证，利用排土工艺的主动调控方法符合矿山需求，可兼顾安全性和经济性。

排土场 稳定性 地质灾害治理 时空效应 主动调控机制

露天矿生产剥离的松散废石经汽车、或胶带机等方式运输，通过推土机或排岩机倾倒堆积在沟谷或坡地上形成排土场，是矿山主要的危险源。通过现场实证、理论分析和数学物理模型等方法，发现了排土场系统具有地基—排土体及其接触面相互作用下的空间效应(凹形夹持效应和凸形发散作用)和自身组构特征的分级、分层效应[1-2]。来源于工程实践中的现象解释及机理研究，其目标是指导生产实践：或反馈修正设计方法，或评价稳定性，进而制定合适的调控措施，这也是矿山生产和安全管理的需求。

纵观排土场的治理及病害防治，基本思路或力学原理建立在减小滑动力或增大抗滑力[3-4]。表现为调控方法为“砍头压脚”：或消减推动滑坡产生的物质(减载)、或增加阻止滑坡产生区的物质(反压)和减缓坡区坡度(削方减载)。配套以防排水(地表截、排水沟)或支挡加固和改良(抗滑挡墙、抗滑桩、锚固、注浆改良)，等等。

通过梳理发现，此类治理设计完全借鉴土(岩)边坡方法，归类于被动防护，属事后控制，不得已而为之(面临经济损失或安全风险)。

研究表明[1-2]，排土场过程及终了状态下的稳定性与排土工艺(排弃方式、堆置分段、排土顺序)和地形(沟谷或坡地)及地基承载力密切相关。利用这一空间效应，采用事先动态控制措施，可遏制、终结变形与破坏的启动，确保全过程安全，归类于主动防护，属事前控制。基于空间效应，研究排土工艺的主动调控方法，符合矿山特征，可兼顾安全性和经济性。

1 排土场调控措施的适宜性评述

基于工程经济，现有手册或设计规范[3-6]主要按照高段高排(平缓坡运输)、自下而上(下降运输、上升运输)或混合式，针对多个排弃点或同一排弃点不同高差关系，来规划平面和竖向的排土方式。追求的都是路线最短和就近原则，由近向远推进，形成了单台阶、多台阶覆盖式和多台阶压坡脚式排土场。如图1所示。

图1 排土场形成过程典型剖面及概化模型

针对已发生的滑坡和潜在的不稳定区排土场工程的防治，基本局限在 “砍头压脚”、削方减载、防排水或支挡加固(抗滑挡墙、抗滑桩、锚固、注浆改良)，等。从力学原理而言，照搬在土(岩)边坡成功的调控方法在排土场工程中证明也是行之有效的。

结合矿山排土场自身特点，评价既有的被动调控措施的适应性和有效性是非常必要的，这是构架利用排土工艺的主动调控方法的基础。

1.1 排(截)水沟的适应性和有效性

降雨诱发滑坡，影响稳定性及不利于变形主要表现为[6-8]：①力的作用：降雨入渗补给地下水使水位抬高，顺滑坡方向的渗透压力增大；使非饱和带含水率增加基质吸力降低；坡面径流对坡面形成冲刷力及动水压力。②弱化强度参数：降雨入渗使滑体及滑带土含水率增加，抗剪强度参数降低。

研究表明[1-2]，由于排土场组构特征上空间分层性，其水文地质结构具垂向岩土渗透性的非均质性。极端降雨条件下，外部汇流和平台地表径流共同作用，表层排土料吸水(自重增加)；中部具饱和—非饱和特征；下部因湿化和破碎作用孔隙率和渗透性降低，具暂时饱和特征而诱发弱层形成。从力学角度而言，在排土场本体范围外设置截水沟本体平台上设排水沟，避免水体下渗对提高排土场稳定性是无容置疑的。

调研发现，既有基于原设计而规范施作的排(截)水沟却起不到其应有的作用，也就是说，措施不具功能性，适应性不符，有效性较差。表征为：排(截)水沟内无水，浸润线在排土体以下。如，尖山铁矿寺沟排土场，降雨及渗流最终在坡脚集中出露，见图2。

图2 坡脚水坑

究其原因，地表排(截)水的有效性以改变降雨入渗的初始边界条件(减小入渗量)体现。降雨强度及历时足够大时，坡面会形成稳定径流并以下渗为主。关键在于，对渗流场而言，在坡面产流前，坡面入渗边界条件只是在有排水沟的地方才发生变化，而排水沟尺寸相对坡体可以忽略不计，可近似认为入渗的边界条件没有改变，所有降雨均入渗，入渗量与入渗过程取决于降雨过程，因此，坡表有无排水沟是相同的；坡面产流后，影响入渗速率的主要是渗透系数，而渗透系数与排土体的散体堆积空隙率有关。在较大雨强下(雨强相对渗透系数较大)，坡面各处产流时间基本同时，而产流后，坡表饱和，入渗速率几乎相同，入渗量入渗过程相同，各时刻坡体渗流场也基本相同。排土料渗透系数高达10-1cm/s量级，即使降雨入渗补给系数为0.65，排水沟对入渗边界条件的改变，不能改变排土场因水文地质结构中的垂向渗透性而导致的强降雨下无径流只渗流的结果，最终补给和排泄路径仍以图3形式归一化。

图3 排土场补给和排泄示意图(沟谷型和山坡型)

因而，探求符合排土场—基础界面作用特征，避免降雨湿化排土料和浸泡地基(尤其是土质)的措施是规避排土场工程风险的关键路径和方向。

1.2 软弱地基处理分析

由于征地增容困难，兼之运输限制，选择排土场场址难度较大。如，尖山铁矿南排土场3亿m3排土地基均为湿陷性黄土，且下伏粉质黏土、粉土等软弱层，厚30～70 m。地勘报告给出C=22 kPa，φ=18°，γ=2 000 kN/m3，地基承载力特征值90～130 kPa，袁家村铁矿类似。滑坡实例统计表明，因基底软弱而失稳的高达30%～40%。因而，设计要求将基底黄土层清除，力学稳定性而言，给出的措施无可厚非。然而，措施的适宜性却值得商榷：大量的黄土层又需要寻找新的排土场。如采用其他加固或改良措施，巨额费用难以接受。

因此，结合工程自身特征和形成过程，基于排土场时空效应，充分利用堆载预压原理和滑移线理论的动态调控则是解决此矛盾的较好的技术路线。

1.3 拦碴坝、坡脚挡墙的功能性

设计中经常可见到支挡加固之类的拦碴坝、坡脚挡墙(如片石笼)，其主要意图是切断可能的滑动面(滑移线)增强抗滑力。

如果采用刚性支挡结构(如钢筋混凝土)并嵌固在完整坚固地基，其抵抗上部滚石冲击荷载和废石堆积体形成的主动土压力；或者，在已部分变形或潜在失稳区而采用的重力式挡墙，承受被动土压力，有效地实现坡脚反压进而增大抗剪力。只可惜，有序地组织的拦碴坝或坡脚挡墙结构往往只是充分利用坡脚大块废石干堆在一起，关键的E、μ、C、φ、γ等强度、物理性质指标与因翻滚、滑移形成的无序自组织废石堆结构并无差异，如考虑上部的堆载固结作用和颗粒破碎、充填及重排效应，其力学性质甚至削弱。

因而，拦碴坝、坡脚挡墙更多的是对排弃过程的滚石和潜在的泥石流的一种消能作用。考虑到现场废石料源丰富，欲兼顾经济与安全，可采取钢丝石笼将其连接成整体，更好地和排土场协同变形，更能体现支挡结构功能性的基础。

2 排土场主动调控机制

2.1 基本原理及原则

确保建构筑物变形(影响结构功能性)和应力(超过极限强度后的安全失稳)安全是工程结构可靠性设计的基本要求[9-11]。这对土场上部有建构筑物时是适用的，但冶金矿山排土场工程安全威胁的对象是土场上部工程机械和坡脚影响范围内的村庄、交通设施及建(构)筑物。就排土场而言，自身散体结构及其功能上应允许变形和裂缝的出现，没必要也不可能限制，毕竟，全过程变形历时多年才能完成，且沉降系数高达1.1～1.2，伴随裂缝产生。同时，工程等级确定的基本出发点就是影响后果(危害程度)[9-11]，只要滑坡或变形能终止(不因诱发而重新启动)，不危害排土场坡脚下的生命财产安全，其局部台阶或坡脚的滑坡完全可以置之不理。

因此，区别于建筑边坡，基于对周边环境的影响后果(程度和范围)，从排土场边坡与基底的相互作用机制出发，充分利用排土场的空间效应，采用允许变形的设计原则和可终止破坏的理念，才符合经济性与安全性兼顾的要求。稳定性调控应放弃功能性、安全性、适应性不强的被动措施，结合排土过程，采取料源控制、推进方式等体现理性的基于空间效应的事先主动调控：疏导界面排水；合理使用排土空间；调整土场生成过程的时空关系；控制排土速度。确保过程安全和终了状态稳定。

2.2 界面疏导调控

排土场工程强降雨下无径流只渗流的结果，决定了地表的排(截)水沟不具功能性，有效性较差。但不意味着可以放之任之，补给和排泄处理措施应该是排土场底部—基础界面的盲沟、排水廊道疏导，而不能局限在防、排、截、堵。特别是堵，对细颗粒含量较大，而亲水性强的排土体，长时间受饱水作用而泥化，抗剪强度急速下降，在内部形成弱层，导致本体或基础滑坡，这也是基于地质历史分析法表明的排土场事故中降雨诱发比例高达50%的关键。

基于此调控机制，在尖山铁矿南排土场工程中，放弃了土场地表纵横交错的排(截)水沟，而选择在所有山谷间利用岩性坚硬、耐水性较好的大块废石先行填筑形成排渗盲沟，参见图4。2 a多的运行情况证明，基于界面疏导原理构筑的泄流基底确保降雨不再成为排土场滑坡的诱发因素。

图4 排土场地下水汇流路径及泄流网络

2.3 第一台阶堆载预压原理

超高的排土体荷载作用下，软弱地基由于压缩性大、孔隙比大、渗透性小、强度低，宏观上表现为竖向压缩变形，水平向挤出变形的剪切破坏。设计或规范所要求的清除、或改良加固，或牺牲排土高度减少容量，哪一种都不能为矿山所接受。

堆载预压原理和滑移线理论为解决此矛盾提供了新的思路：控制排土场第一台阶高度，预压地基，提高“地基承载力”，并将第一台阶作为后续台阶的“基础”。

堆载预压提高“地基承载力”的机理，一是排出土体中的孔隙水而固结，有效应力增加；一是密实土体减小孔隙率，土体颗粒重新排列和充填而提高骨架结构提高抗剪强度。

尖山铁矿南排土场地基湿陷性黄土下伏粉质黏土、粉土等。根据《GB 50421—2007 有色金属矿山排土场设计规范》[5]，确定的第一台阶堆高为9.25 m。在总结寺沟“8.1”事故，“8.30”西沟滑坡和“11.20”东沟滑坡特征后[1-2]，改变排土工艺，以9 m高废石作为预压荷载，堆放在黄土地基上，以密实土体改善黄土骨架结构，达到提高抗剪强度的目的。进一步，依次按19 m，26 m分层预压。其显著的变化是，原来单台阶50 m(<9+19+26=54 m)就发生地基整体剪切破坏，牵引上部土场坐落滑移的现象基本消失。成功的关键在于：在这种软弱地基上，控制第一台阶高度，作为地基预压荷载，可提高地基强度，并将第一台阶作为后续台阶的“基础”，依次类推。

2.4 时空效应调控

排土场利用沟谷或坡地上形成。工程实践追求路线最短和就近原则，由近及远推进，形成了排土场的单台阶式、多台阶覆盖式和多台阶压坡脚式，也造就了随处可见的潜在危害[1-2]，如黄土梁侧壁凌空，坡脚底鼓环境土无约束，牵引上部土场坐落滑移；再如，侧向挤压基础坡趾导致滑移底鼓。其结果是，排土作业终止，采取被动措施(削方减载)来调控安全，得不偿失。实际上，基于空间效应，排土场形成过程中就合理使用排土空间，完全可以实现“无为而治”。

合理使用排土空间表现在3个方面：①针对同一排弃点不同高差关系，自下而上，形成多台阶覆盖式；②针对同一排弃点不同平面位置关系，由远及近。此二者利用岩土固结理论，前者是固结压力，后者是固结时差，目标是形成稳定坡脚；③针对多个平面排弃点，对称、均匀推进，对称加载，避免偏压。

应该强调的是，排土空间合理使用包括控制排弃顺序，调整自身组构分级、分层，避免因排土强度的不均衡性和排弃岩性的差异，而形成水平或倾斜的软弱结构层。水平分层导致垂向渗透性改变，出现暂时饱和特征，导致上层滞水，兼之湿化和破碎协同作用后，孔隙率和渗透性降低，诱发弱层形成；受岩性和密度、形状和尺寸的影响，废石沿坡面滑、滚及分选导致的倾斜分层，是其自组织过程导致顺层的岩土交错面，倾角大致等于自然安息角。局部滑坡明显的顺层擦痕倾角可充分证实这种倾斜分层的危害。因此，宜对不同岩性废石料采取分区跳跃点排法，防止贯通的弱面形成。

2.5 控制凸形空间的排土速度

由于排土方式和地形限制，实际的排土过程往往曲线推进。在追求最大容量时，其坡面以平面凸形体现；在排土速度过快时，垂直面往往突破常规的平直坡面而在中上部突凸。其结果是导致平台沉降过快的局部坍塌随时发生，如峨口铁矿1 816 m排土台阶，参见图5。其关键原因，除了空间凸形的分散作用，也与作业面狭小(排土线长度过短)导致排土速度(强度)过快相关。因排弃强度过大造成平台沉降过大或直线形土场局部坍塌，因此，控制废石流量，则是保证平台作业安全的关键。

为便于生产调度，同一高度上，排土速度按单位时间内单位排土线长度的废石流量控制。如峨口铁矿跑马岭排土场现场监测表明，当废石流量≤100 m3/(m·d)，排土作业正常；废石流量≥150 m3/(m·d)，在坡面形成凸形的同时，平台边缘车挡因突发沉降而坍塌，导致排土作业中止。研究给出的废石流量指标有效保证了该矿的排土过程安全。

图5 排土强度导致的平台沉降及坍塌

2.6 滑坡突变成泥石流的事先控制

作为一种事前控制的主动调控方法，必须考虑滑坡突变成泥石流的可能并制定预案才是完整的。

固有的大量松散固体物质和选择沟谷地形作为堆放场址使排土场具备了形成泥石流的不利条件。迥异于自然泥石流，由于其自身组构上的宽级配和空间分层性，水文地质结构垂向岩土渗透性的非均质性，完全可以从“形成准泥石流体”这一过程主动调控，也就是说，不形成准泥石流体。

经大量实验和调研得到滑坡突变成泥石流应满足的经验关系为

(9)

式中，θ为泥石流启动纵坡；C为泥石流细粒含量；S为泥石流的饱和度。

Pata M 道格拉斯对美国24个露天矿废石场稳定性研究表明：废石场中<5 mm细颗粒超过40%时，易失稳；当<0.05 mm的黏粒含量超过l5%～20%，降水作用下排土场滑坡会转化为泥石流。

矿山排土场滑坡突变成泥石流的的预调控应从以下3个因素着手：纵坡降、细粒含量和与料源含水量。

(1)纵坡降控制：在启动坡段坡脚选用大块废石设立拦截堤，运动停淤区域构筑多级平坝，增强沟库的阻抗因素，使泥石流态返回准泥石流态。

(2)细粒含量控制：通过表土剥离岩土分排即可减少排土过程中的粉化细粒含量，尤其是黏粒含量。

(3)料源含水量控制：采用2.2节措施完全可以控制松散体的饱和度和湿化及泥化作用。

3 结语及讨论

研究结合矿山工程实际，在评述矿山排土过程诸如清除地基软土层，设置拦碴坝、坡脚挡墙、截水沟等被动措施的实用性和有效性后，基于对环境的影响后果，从排土场边坡与基底的相互作用机理出发，兼顾安全性与经济性，按照允许适度变形的设计理念，基于空间效应，构架了合理使用排土空间，调整土场生成过程的时空关系，控制排土速度的动态调控机制，主要有：

(1)对凸形排土场应控制排弃强度，确保土场沉降正常，以废石流量为安全调控关键指标。

(2)对软弱地基排土场，采用堆载预压原理，通过控制第一层排土高度，一方面提高基底承载力，另一方面作为上覆土场基础，不需大面积清除软基层。

(3)对沿软弱土梁山谷纵向推进排土，采用左右对称，由远及近，自下而上的后退式覆盖排土工艺，调整排土场生成过程的时空关系，可规避侧向挤压作用触发的牵引式滑坡危害。

(4)从饱和—非饱和渗流场出发，利用排土料自身组构上的宽级配和空间分层性，提出了分区跳跃点排法。基于界面疏导原理提出的泄流基底方法可避免降雨诱发滑坡的作用。

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(责任编辑 徐志宏)

Active Regulation Mechanism of Mine Waste Dump Stability

Mi Zijun

(LuanxianMiningCompany，TaiyuanIron&Steel(Group)Co.，Ltd.，Luanxian030027，China)

The high bench and high intensity dumping，large-scale dumping equipment are becoming the development tendency for mine dump.Consequently，the dump bench instability or other foundation failure rise rapidly，that is，the dump capacity decreases with the dump height lowered，and strengthening or cleaning the soft layer of foundation results in vast project costs.The practicality of the passive control measures，such as debris dam，retaining wall at toe，was analyzed，and the validity of the drain was evaluated.Based on the environmental protection，and starting with interaction characteristics between the waste dump and the foundation，the design principle of deformation and local failure allowance was proposed.Active regulation mechanism was established according to spatial effect，that sets up a reasonable dump space and adjusts time-space relation during waste dumps emission.①On the waste dump with convex slope，the emission intensity must be controlled to ensure normal consolidation and settlement，and the waste disposal discharge be taken as the key adjusting and controlling index.②On the waste dump with soft ground，the first dump bench height should be limited，and the bearing strength of the foundation should be improved by preloading principle，regarding it as the base of the next bench and avoiding from wide-spread cleanup of the soft soil layer.③When the ridges and gulches are criss-crossed in the site，and the foundation is soft，the symmetrical，even and vertical disposal style can evade retrogressive landslide induced by lateral extrusion.Meanwhile，by adopting the zoning interval discharging and based on the principle of interface relief，the discharging base was built to ensure that raining does not induce into landslide and debris flow.The field tests proved that the dump process with active regulation gave consideration on both the security and the economy，and met requirement of the mine.

Waste dump，Stability，Geological disaster treatment，Space-time effect，Active regulation mechanism

2014-05-04

米子军(1964—)，男，高级工程师，经理。

TU 443

A

1001-1250(2014)-09-001-06