超高台阶排土场散体块度分布规律及其强度变化特性研究

赵东寅

(紫金矿业集团股份有限公司)



超高台阶排土场散体块度分布规律及其强度变化特性研究

赵东寅

(紫金矿业集团股份有限公司)

超高台阶排土场散体物料具有典型的空间分级特征，其堆体的强度特性及稳定性主要受堆积物料块度空间分布特性的控制。因此，考察超高阶排土场堆积散体块度分布规律，研究其堆体物理力学性质，分析其发生失稳破坏的模式，是确定排土场稳定性的基础。紫金山北口排土场总高520 m，属典型的超高台阶排土场，在现场测定并分析其散体物料块度分布规律的基础上，制定了堆积散体物理力学性质测试实验粒度的级配方案，探究了排土场堆积体强度特征与散体物料块度组成的直接关系，揭示其内部演化规律，为该排土场制定合理的排土规划设计提供指导。

超高台阶排土场 散体物料 块度分布 强度特性

随着矿山资源的快速开发，我国排土场、矸石山等占地面积逐年加大，而目前可支撑的复垦率仅6%左右，导致近年来国内排土场面积呈现出快速增长的趋势。面对如此严峻的形势，发展高台阶排土工艺、建设超高台阶排土场成为解决这一难题的重要途径。但是，作为一种特殊的工程地质体，超高台阶排土场潜在着一系列地质灾害，严重威胁着工程建设及运营期间的生命财产安全。

紫金山铜矿北口排土场位于紫金山露天采矿场北面的1#沟、2#沟及大岩里沟区域，距西南侧江山岽大坝约1 km，为一级排土场，主要排放基建和生产期间剥离废石及江山岽排土场二次搬运废石等。北口排土场东西长1 737 m，南北宽1 673 m，排土台阶设计最低标高430 m，最大标高950 m，排土总高度520 m，目前实际形成的最低排土台阶520 m，最高排土台阶910 m，属典型的超高台阶排土场。

北口排土场采用压坡式多台阶顺排，先期剥离的表土堆置在上部台阶，坚硬岩石堆置在下部台阶。虽然在台阶最终形成后各台阶的相对高度不大，但是在排土场最终形态未形成前，堆置过程中下层台阶的暴露边坡高度很大，不可避免地形成单段高台阶，如果排土场堆积散体块度分布不合理，物理力学性质不稳定，则会出现不均匀沉降、台阶面开裂、坡面凸出等致灾隐患。在外部作业环境及受力条件变化时，极有可能出现坡面滑移，存在发生局部滑坡、坍塌、泥石流等灾害的可能，对作业人员、设备及附近尾矿坝构成安全威胁。因此，需要深入研究该排土场堆积散体的块度分布规律，掌握其力学稳定性特征，为调整后续建设规划提供重要参考。

1 排土场堆积散体粒径测定

与一般的土质边坡不同，排土场的堆积散体随着高度的变化具有显著的粒度分级现象。利用大型三轴直剪仪实验可较系统地研究排土场不同高度散体物料块度组成与强度参数之间的关系，揭示排土场内部散体物料的物理力学性质变化规律，一方面为排土场散体物料力学特性研究提供一定的参考和依据，另一方也为紫金北口排土场的合理规划设计提供指导。北口排土场形态如图1所示。

图1 北口排土场

1.1 采样方案

所测试样均采自北口排土场坡面，采样方案为：首先用卷尺量测试验点总高度(受生产条件限制，总高度取80 m)，将总高度(自坡底向坡顶)按每10 m进行等分，每一等分点作为取样的代表点，在每个代表点处取约200 kg物料作为试验原样并做好高度记录。采样方案如图2所示。

1.2 测定方法的选择

目前根据排土场散体粒径的大小，可采用沉降分析法、筛分法及直接量测法[1]。本文采用筛分法与直接测量法对该排土场散体颗粒进行测试。

图2 采样方案示意

1.2.1 筛分法

结合紫金山北口排土场的现场实际状况及实验室测试需求，选用0.5,2,5,10,20,30,40,50,60及80 mm等10种筛径级别的标准筛。筛分试验结果示意见图3。

图3 筛分试验结果示意

1.2.2 直接测定法

直接测定法作为筛分法的一种配套手段，是确定(>100 mm)岩块粒度的一种有效方法。其基本原理是：首先量取岩块3个互相垂直方向的最大线性尺寸a，b，c，计算粒径d和体积V，

(1)

(2)

式中，λl为岩块尺寸线性系数。

本文对超过80 mm的颗粒采用直接测量法确定其当量直径。

1.3 堆积散体粒径组成调查

紫金山排土场散体物料主要来自采场的爆破块石，排土过程中受重力作用而产生自然分级。经现场采样、试验测定，排土场堆积散体物料的分级特性较为显著，粒径组成调查结果如表1。其中1-1剖面和2-2剖面的数据分别为按照采样方案所设定的两组平行调查结果。

2 堆积散体块度分布规律

实践中，常用不同粒度区间颗粒质量的累计曲线表征松散介质体的粒度组成。在质量累计分布曲线图中，横坐标为粒径，纵坐标是该粒径尺度以下的岩土含量占总质量的百分比。一般从质量累计曲线的凸凹趋势即可判断出该散体介质中的颗粒组成规律。

表1 排土场散体颗粒筛分结果

根据堆积散体粒径组成调查结果，分别绘制1-1、2-2剖面各采样点处试样的粒度分布累计曲线，结果如图4所示。

图4显示：①高度较低的采样点处(顶部以下40 m范围内)块度分布累计曲线呈上凸形，这表明排土场中该处的细颗粒较多；②高度较高的采样点处(底部以上40 m范围内)块度分布累计曲线呈下凹型，表明排土场中该处的粗颗粒较多；③排土场中部和下部区域内个别采样点处的粒度分布累计曲线局部出现“缓平”段，分析认为这是排土场堆积散体的中下部出现部分粒径段缺失所致。总体而言，随着测点自顶部向底部，曲线由凸变凹，与排土场堆积体的粒度分级特征相吻合。

图4 堆积散体中各采样点处块度分布曲线

表2统计结果显示：北口排土场散体物料的不均匀系数Cu均在5以上，其土样分级类型属于不均匀土；曲率系数Cc分布在1～3，表明其散体粗粒料土样分级类型总体良好，局部出现粒径缺失现象，与表1分析结果相吻合。

表2 排土场散体物料粒度组成

3 排土场堆积体强度变化特性分析

由于排土场散体岩土力学性质主要由其自身的岩土成分和块度大小决定，粒径级配(粗粒含量)是影响超高台阶排土场散体介质抗剪强度特性的主要因素[2-3]。

北口排土场散体物料为采场剥离废石和地表第四纪土制备排土场散体物料堆积体模型试样，采用应力控制式大型直剪剪切仪作为该剪切实验的加载装置，开展剪切强度特性试验，探究排土场堆积体强度特征与散体物料块度组成的直接关系。

3.1 模型试样级配方案

为研究排土场堆积散体物料中粗颗粒含量对抗剪强度参数的影响，将粗颗粒的含量设计为0%、15%、30%、45%、60%、75%等6个等级。以“等量代替法”缩尺进行设计级配方案，如表3所示。

图5 平均粒径与排土场高度(h/H)的关系

图6 中间粒径D50与排土场高度(h/H)的关系

图7 粗粒料(P>5 mm)与排土场高度(h/H)的关系

3.2 模型剪切加载实验

参照文献[2-3]进行模型剪切试验，剪切应力-位移关系如图8所示。

从图8中可以看出，随粗粒含量逐渐减少，剪切应力-位移关系曲线逐渐变光滑，是因为随着细颗粒含量增多，颗粒间孔隙得到相互填充，颗粒挤得较紧；粗粒含量较高曲线相对不光滑，是因为粗颗粒表现出明显的骨架作用，相互架空形成较大的孔隙，随着增压的进行，粗颗粒的咬合作用逐渐明显，导致出现波动。

表3 排土场散体物料堆积体模型试样级配方案[2]

剪切应力-位移关系曲线总体呈指数变化。初始阶段近似呈直线，由于散体物料较为松散，颗粒间发生挤压、滑移，导致变形加大，属弹性变形阶段；随着试验继续进行，曲线较为平缓，松散物料逐渐压密实，颗粒重排列，达到新的平衡，宏观表现为持续变形，属初始屈服阶段；随试验的进一步进行，细颗粒进一步破坏，使得物料中不同粒径的颗粒相互咬合、摩擦，导致物料强度再次增加，直至达到完全破坏，属破坏阶段。

图8 不同粒径含量剪应力-位移关系曲线

由剪切应力-位移关系曲线图，根据摩尔-库伦准则：τ=σtanφ+c，用最小二乘法进行线性回归,可得出散体试样的抗剪强度参数，见表4。

表4 排土场散体物料抗剪强度参数

从表4可知，排土场散体物料黏聚力随着粗颗粒含量增多，呈减小、增大、减小的特征，总体呈较小的趋势；内摩擦角随粗颗粒含量增多而增大。

4 结 论

(1)北口排土场散体材料的颗粒分布曲线显示，排土场的堆积散体总体属于不均匀土，物料粒径变化范围较大，局部少数地区出现粒径缺失现象。

(2)北口排土场散体中间粒径、平均粒径以及粗料含量随排土场高度逐渐减小，表明排土场散体粒径分级较为显著，即：排土场顶部集中分布小颗粒，底部集中分布粗颗粒，中部集中分布中等颗粒。

(3)随着粗颗粒含量的增加，排土场散体物料内摩擦角逐渐变大；黏聚力显现减小、增大、减小的特征，总体呈减小趋势。

[1] 王光进.超高台阶排土场散体介质力学特性及边坡稳定性研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[2] 张 春,吴 超.排土场散体物料强度对边坡潜在滑动面的影响[J].金属矿山,2015(1):133-137.

[3] 王光进,杨春和,孔祥云,等.超高台阶排土场散体块度分布规律及抗剪强度参数的研究[J].岩土力学,2012,33(10):3087-3092.

Study on the Size Distribution Regularity of Bulky Material and Its Strength Variable Characteristics of Ultra-high-bench Dumping-site

Zhao Dongyin

(Zijin Mining Group Co., Ltd.)

Typical spatial grading is the most apparent characteristic of the particle size of the bulk material in the ultra-high-bench dumping-site,its strength characteristics and stability are mainly controlled by the spatial distribution characteristics of the bulky blocks.So,analyzing the distribution regularity of the bulky rock in the ultra-high-bench dumping-site, and its mechanical characteristics and buckling failure mode are the determining the dumping-site Stability.The height of Zijin north dumping-site is 520 m,it belongs to the typical dumping-site with high steps.Based on the field test of the bulky material distribution of the north Dumping-site,the particle size ingredient of bulky material has been drawn up for the mechanical characteristics test. The relationship between the dumping-site strength parameters and the bulky material ingredient is thoroughly analyzed and the mechanical characteristics of the Zijin north dumping-site is determined.The study results of the paper can provide the guidelines for the development of the reasonable project plans of the dumping-site.

Ultra-high-bench dumping-site,Bulky material,Blocks distribution,Strength characteristics

2016-07-10)

赵东寅(1966—)，男，安全生产部总经理，高级工程师，364200 福建省上杭县。