金堆城排土场安全稳定性分析评价

张国艳 曹 红

(金堆城钼业股份有限公司矿冶分公司)

金堆城排土场安全稳定性分析评价

张国艳 曹 红

(金堆城钼业股份有限公司矿冶分公司)

爆破震动产生的震动波通过岩土介质传播，降低堆积体岩体的黏聚力，造成岩石破裂，岩体变形或位移，导致排土场边坡局部或整体破坏，降低排土场的稳定性，给矿山生产带来安全隐患。采用Geo-studio岩土分析软件，从静力和动力两个方面对金堆城排土场的安全稳定性进行了分析评价，以确保矿山安全生产。

爆破震动 排土场 安全状态

金堆城露天矿现有北沟、甘江沟、南牛坡、马路沟4个排土场，周边人口较密集，任意一个排土场的边坡发生滑坡、垮塌等事故，必将造成严重的人员伤亡和财产损失，影响露天矿生产的稳定运行。因此，边坡稳定性是露天矿生产中必须考虑的问题。

在露天矿生产期间，爆破震动产生的震动波通过岩土介质的传播，会造成岩石破裂，岩体内的节理、裂隙发生变形或位移，导致排土场边坡的局部或整体破坏，给矿山生产带来安全威胁；降雨会降低堆积体和岩体的黏聚力和内摩擦角，弱化交界层面和岩体强度，当雨季来临降水量增加时，排土场的稳定性必然会降低。因此，研究排土场在降雨和爆破震动作用下的安全稳定性迫在眉睫。

1 矿区自然条件

(1)自然地理。矿区位于东秦岭山系的南缘，区内总地势北高南低，西高东低。区内海拔最高点为西北分水岭，为2 077～2 030 m，最低点为东川河，1 148.9 m，相对高差达900 m。

(2)气候条件。矿区属亚热带与大陆性湿润气候过渡带，具有高山气候特征。区内气候四季分明，夏季闷热，冬季寒冷，早晚温差较大。年平均气温8.8 ℃，7月最高，平均20.2 ℃，1月最低，平均-2.7 ℃。历年最大平均降水量发生在8月份，为164.8 mm，7—9月份降水量占全年的51.38%，且多以暴雨为主，最小平均降水量为12月和1月，为9.2 mm。

2 排土场现状

2.1 排土场与爆区空间位置

4个排土场分布于露天矿采矿场的周边，北沟排土场、甘江沟排土场、南牛坡排土场毗邻北露天采场，马路沟排土场紧邻南露天采场。排土场与采矿场最近距离约300 m，最远距离约1 000 m。排土场与爆区的距离主要随爆区在采场中的移动而变化，排土场与矿区空间位置如图1所示。

图1 排土场与采场位置关系

排土场堆积范围内除少量的人工堆积碎石(局部矿渣)外，主要为第四系地层以及元古界震旦系高山河群和熊耳群地层。堆积范围内未见滑坡、泥石流、地裂缝等不良地质现象，自然斜坡整体稳定性较好。

2.2 采场生产爆破参数

采场台阶高12 m，台阶坡面角为69°。爆破采用7 m×9 m的孔排距，垂直孔。邻空自由面底盘抵抗线为9 m，单孔最大药量为430 kg，采用混装乳化炸药，堵塞长度为5.5～6.5 m，炮孔直径为250 mm。爆破网路设计采用逐孔起爆技术，使用Orica非电高精度导爆管雷管，孔间延期时间为25 ms，排间为65 ms或100 ms。

2.3 排土场结构分析

排土场设计总容积为9 304万m3，各台阶高度为30 m，台阶坡面角北露天为35°，南露天为36°。其中马路沟排土场边坡和北沟排土场的南侧边坡已经修筑了人工护坡并绿化。马路沟排土场位于南露天采场南侧，地形线呈“倒八字”形，具有运距短、地荒芜、基底坡度小、搬迁户数少的优点。各排土场堆置参数见表1。

表1 露天矿各排土场堆置参数

马路沟排土场面积约455 517.3 m2，主要地貌类型为：冲洪积形成的沟谷地貌和以基岩为主的侵蚀斜坡地段。前者多呈V字形沟谷，上游呈手指状的4个支沟统一汇集在一起成马路沟；沟宽一般20～50 m，宽处100～180 m，U型展布并形成沟谷台地。沟谷总体呈葫芦型里大口小的形态。基岩斜坡广泛出露于沟谷两侧，坡度较陡，坡比多在1∶2以上。斜坡坡面除个别地段基岩裸露外，大多植被茂盛。

3 排土场稳定性分析评价

3.1 排土场现状评价

目前马路沟排土场已排至1 300 m平台。按照国家《有色金属矿山排土场设计规范》(GB 50421—2007)，排土场边坡稳定性系数宜取1.15～1.3，且根据保护对象等级而定。当被保护对象为失事后使村镇或集中居民区遭受严重灾害时，取1.3；当被保护对象为失事后没造成人员伤亡或造成经济损失不大的次要建筑物时，取1.2；当被保护对象为失事后损失轻微时，取1.15。

为了解排土场边坡在暴雨和爆破震动作用下的边坡变形特征，根据相关规范要求，在静力条件下采用极限平衡法[1]，以自重、自重+暴雨2种工况来评价排土场的稳定性；在动力条件下采用Geo-studio软件进行边坡动力有限元分析[2]，以自重+爆破震动、自重+暴雨+爆破震动2种工况来评价排土场的稳定性。

3.2 排土场各材料物理取值

马路沟排土场材料组成主要有排水坝、堆渣、碎石土、基岩。依据地勘报告、初步设计资料，分析试算后确定各种材料的物理力学参数，见表2。

表2 排土场各材料物理参数计算取值

3.3 排土场静力稳定性分析评价

采用Geo-studio岩土分析软件其中的SLOPE/W模块进行排土场边坡稳定性分析[3]，运用QUAKE/W模块进行爆破震动动态分析[4]。

3.3.1 自重工况

在该工况下，排土场处于自然静力状态，其稳定性主要受上覆岩土自重的影响。软件中，采用出口和入口的方式定义滑面，在SLOPE/W模块中建立排土场二维模型，通过给各区域材料赋予参数后，采用极限平衡法计算出排土场在自然状态下的危险滑面及安全系数。分别运用软件中的Ordinary法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法计算安全系数，结果见表3。

表3 自然状态下排土场安全系数

通过表3可知，不同方法所得的安全系数均大于1.15，满足规范要求，排土场在该工况下处于安全状态。

3.3.2 自重+暴雨工况

在该工况下，降雨会使堆渣和碎石土的黏聚力和内摩擦角降低，容重增大。依据金堆城露天矿排土场相关资料，不同饱和度材料的参数取值见表4。

在SLOPE/W模块中，根据表4的数据调整不同饱和度下堆渣和碎石土的相关参数，进行排土场边坡稳定性分析，计算结果见表5。由表5可知，采用不同方法所得的安全系数均大于1.10，排土场在该工况下处于安全状态。

3.4 排土场动力稳定性分析评价

生产运行阶段，排土场受到矿山生产爆破震动的影响，采用动力有限元方法分析其在爆破震动作用下的稳定性。

表4 人工堆渣材料参数随饱和度变化关系

表5 不同饱和度下排土场的安全系数

3.4.1 自重+爆破震动工况

通过监测爆破震动对排土场稳定性的影响，选取3组数据进行分析，其中第1组数据的Y向加速度最大，第2组数据的Y向频率最大，第3组数据的Y向位移最大，见表6。

采用QUAKE/W模块进行模拟动力分析，得出排土场在爆破震动后的应力分布与在爆破震动前的应力分布相似。再将模拟结果导入到SLOPE/W模块中进行动力稳定性分析，得出排土场的安全系数最小值为1.263 9，最大值为1.264 1，变化幅度较小，可以认为爆破对该排土场稳定性影响较小，排土场处于安全状态。

表6 用于排土场动力稳定性分析的实测数据

3.4.2 自重+爆破震动+暴雨工况

以降雨导致材料饱和度为100%时计算排土场的稳定性。将QUAKE/W模块中分析的动力结果导入SLOPE/W模块，根据表2修改堆渣和碎石土的材料参数进行排土场稳定性分析。得出排土场安全系数最小值为1.157 72，最大值为1.157 92，变化幅度较小，因此排土场处于安全状态。

4 结 论

(1)通过Geo-studio岩土分析软件的SLOPE/W模块，分析评价了排土场在静力条件下的稳定性，得出在静力条件下排土场的安全系数大于1.15，处于安全状态。

(2)利用QUAKE/W模块，分析评价了爆破震动条件下排土场的稳定性，得出排土场的安全系数为1.15～1.2，处于安全状态。

分析结果表明，目前排土场是安全的。但在矿山运营过程中仍需对各排土场的爆破震动效应进行安全监测，必要时应采取适当措施，避免在暴雨(或长时间降雨)和爆破震动的共同作用下，使排土场稳定性接近临界状态，给矿山生产带来危害，造成人员伤亡和财产损失。

[1] 黄传志.土体极限分析理论与应用[M].北京:人民交通出版社，2007.

[2] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].2版.北京:中国水利水电出版社,1998.

[3] JohnKrahn. Stability Modeling with SLOPE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

[4] JohnKrahn. Dynamic Modeling with QUAKE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

2014-11-06)

张国艳(1982—)，女，工程师，714102 陕西省渭南市华县金堆城镇。