尖山铁矿大型排土场综合治理实践

郭瑞峰， 张德胜， 薄建芬

（太原钢铁（集团）有限公司矿业分公司尖山铁矿， 山西 太原 030304）

尖山铁矿是黑色大型露天矿山之一，矿山开采规模900万t/a，采剥量5 000万t/a。尖山铁矿排土场分南部排土场和北部排土场，排土场最终排土容积为4.97亿m3，为国际上第一个建立在黄土高原上多沟谷复杂地形不均匀大厚度的黄土软弱地基基础上的汽车排土与胶带排土组合形成的年受岩能力超5 000万t、总排岩高度达370 m的超大型露天排土场。排土场为建立在软弱沟谷地基上的4个汽车排土台阶与2个胶带排土台阶组合形成的自下而上由外向里分阶段后退式多台阶覆盖土场，存在地基软弱、排土强度大、高度高、地形复杂等特点。南排土场为尖山铁矿的主排土场，该区域地基地形条件较差，地表普遍分布湿陷性黄土和粉质黏土，曾发生过大面积土场滑塌事故，安全生产威胁较大。

为确保排土场的安全运行，尖山铁矿结合排土场实际情况，总结提炼出有效的治理措施，使南部排土场使用和管理处于受控状态，降低矿山地质灾害发生的机率，实现安全生产，保护附近居民财产和人身安全。

1 排土场治理思路

南排土场南部湿陷性黄土和粉质黏土普遍分布，地基地形条件较差，原有土场中，各种岩性、块度的料石无组织混排，为避免作为排土场地基可能发生的破坏，需要对影响上部排土体和下部地基稳定性的因素（主要是地表水及其汇流）进行控制，最重要的方面在于对排土场及周围山体水流的截、排、引、导。具体表现在：北区，分析地表水的汇流，做好防、截设施，兼之局部的警示隔离；南区，一方面由于排土体自身的北部位置较高，弃土大部分为岩块，而南区面积和范围过大，地基基础软弱，特别是排土场整体上已经形成的东、西、北三向受周边山体阻挡和挟持，该方向上相对较稳定，但南侧凌空，坡脚积水，因而主要采取排土过程中的坡顶设置截水沟、坡脚设置排水盲沟排疏积水、并预先留设内部拦渣坝和大块石填压坡脚的稳定加强措施，同时控制排土速度。因此，南排土场治理设计采取以下思路：

1）排土工艺优化：针对待排场地上水流的排泄通道分布特征，在正常排土作业开始前，利用排弃料堆放大块废石；控制排土速度，给予地基土充分地固结沉降。

2）在沟谷修筑拦石坝，其作用主要体现在减缓整体破坏的规模，预防失稳对下游危害；排土场形成后便成为预先埋设的抗滑挡墙，同时将改善水的排泄和排土场内部的疏干两个方面。

3）针对终了形态形成的1820m、1760m、1670 m、1 630 m、1 585 m和1 540 m六个阶段台阶（1 670 m台阶以下部分土场为汽车直排部分土场，1 820～1 760 m阶段和1 760～1 670 m阶段土场为胶带土场）形成坡面反坡，并在坡脚处修筑坡面截水沟，将坡面积水引导到坡体外。

4）针对排土场终了形态北、西部靠近山体，在交界山体上修筑截水沟，将坡面汇水从侧面引导到下游。

5）周边境界内形成隔离带。

2 排土场治理措施

针对正在运行使用的尖山南排土场生产建设实际和地形地貌特点，根据“经济实用，安全可靠”的工程设计原则，采用“上截中排下拦内导”的综合治理模式细化排土工艺。“上截”即在排土场上游山体设置截水沟，拦截外围汇流；“中排”即改变现有排土方式，使排渣平台形成外高内低，坡度为2°～3°的反坡，并在各级平台内侧修建排水沟，将径流排出堆土场；“下拦”即在堆渣平台下部基础构建预埋碾压拦石坝，增强渣土坡体的稳定性。“内导”即预先在原始沟谷内排放大块耐水性废石形成渗流通道，避免地下水在排土场底部蓄积和增强底层土场稳定性。同时，在不进行黄土地基换填的前提下，采用“调整排土程序，合理使用排土空间，调整土场升成过程的时空关系，控制排土速度”的工艺优化措施。

2.1 地下渗流通道形成

基于对南排土场原始地形的整理分析表明，在经过北及北西侧的山体汇流，整个南排土场的地下径流网络基本呈北西至南东方向，最终以坡脚出露形式体现。因而，排土工艺首先保证地下排泄通道的畅通。预先在原始沟谷内排放大块耐水性废石形成渗流通道。排土工艺的优化第一个关键是因地制宜，不改变原有地形的条件下，通过在正常排土作业开始前，在通道中先排放大块、岩性坚硬、耐水性好的废石形成排土场渗流通道。这样，在排土场堆高和向前推进的过程中，北部、北东部山体汇集水流以及排土场自身表面汇水下渗后，可以继续沿此通道及时排泄，最终从坡脚下游出露，不会在排土场底部蓄积。

2.2 预埋碾压栏石坝

南排土场横跨寺沟西沟和都交曲沟等多条SN走向的沟谷及山梁。利用岩性坚硬、耐水性好的废石料采用装载机和推土机在排土线坡脚或坡内部形成碾压式预埋拦石坝，有利于边坡的稳定性，减缓整体破坏的规模，预防失稳对下游危害，又有利于增加排土场的库容。

2.3 调整排土程序

排土场运营使用期间，排弃物料不可能瞬时一次施加，也不可能在完成一个排土台阶后，给地基土体留下足够的固结时间，然后再形成另一排土台阶（虽然是可以控制的，这种逐台阶排弃，时间上不规则间歇与非稳定排弃强度的状况，很难把握地基土体中超孔隙压力随时间与加载间的消长，因而地基土体强度与变形十分复杂对于软弱的黄土地基，排土场的形成过程是不均匀、局部非规则、间隔循环的加载过程，必然会导致土场下黄土地基土体工程性质的演变。如排弃土的骤然加载，引起地基软岩孔隙压力加大，孔隙比降低，含水量密度、饱和度、抗压强度值增高，抗剪强度降低等；如排土强度适当，则是基础土体孔隙水逐渐挤出，地基软岩被压实固结，地基强度增长。因而从排土工艺层面来控制，是加强南排土场安全储备的关键和有效的措施。矿山排土场工程中表现为排土工艺措施的优化，即：调整排土程序，合理使用排土空间，调整土场升成过程的时空关系，控制排土速度。

2.4 截、排水设计

为避免雨水汇流下渗浸泡土场主体（排土体、黄土地基），导致强度软化，有必要对尖山铁矿南排土场周围山体和土场自身的降雨与径流进行控制，修筑必要的截水、排水设施，避免水对排土场造成的损害。

山体截水：为了防止降雨积水直接从排土场周边原始山体汇流入排土场内，在坡脚境界与山坡交界处外修筑截水沟，将山体汇水汇集并通过截水沟引导道排土场下游。

坡面排水：为了防止降雨直接从坡面渗透到坡体内浸泡土体从而弱化土场自身力学强度参数和在排土场与黄土地基中形成软化弱层，有必要在排土平台上修筑坡面排水沟。坡面排水沟设置修筑在台阶坡脚处，并配套2%左右的反坡，使堆土平台呈外高内低、坡度为2°～3°的反坡，将降雨汇水从排土场上引出，减少沿土场表面的雨水外流和下渗。

2.5 隔离带

南排土场北区、西区、南区坡脚，私人选矿点和掏挖排土场坡脚和从排土坡脚边沿通行屡禁不止，考虑排弃过程中的滚石以及坡脚掏挖对边坡稳定性的影响，采取在该区设置隔离区域，并建立明显的警示标志。

3 取得的效果

尖山铁矿在排土场治理方面进行了大量的探索与实践，成功解决了建立在黄土软弱地基上的一系列影响排土场安全生产的问题，实现黄土软弱地基上的大面积高堆置高强度长周期安全排岩，自2009年以来未出现任何滑坡、沉降等事故，排土场运行良好，产生了显著的经济效益、安全效益及环境效益，同时给国内同行提供了宝贵的经验。