七宝山金矿排土场稳定性分析

孟中华，郝立辉，邹 平，刘正宇，李爱兵

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2.五矿有色金属股份有限公司，北京 100044； 3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012)

0 前 言

七宝山金矿排土场自1993年至今，未在该排土场进行过排放。该排土场面积约8.4×104m2，排土场最高标高为+201 m，有+166，+195 m两个台阶。其东侧和北侧高度达40 m，南侧和西侧的高度为20 m。沿东侧+150 m标高起设有运输道至坡顶，东侧下为尧头河，西南侧靠近七宝山露天坑。为了进一步了解排土场的稳定情况和其对西南侧露天采坑边坡的影响，需要对该排土场的稳定性进行研究分析。

1 区域地质条件

1.1 地形地貌

区域地形东高西低、南高北低，山丘连绵，冲沟发育，多呈树枝状。区域内最高处七宝山海拔高程+275.5 m，最低处潍河河床海拔高程+105.80 m。丘陵高程一般为+160～+200 m，大部分基岩裸露，为风化剥蚀低山丘陵地貌形态。

1.2 区地层

矿区内出露的地层主要为白垩系，次为第四系。白垩系由青山群组成。青山群为一系列陆相火山喷出岩，岩性为安山质火山岩及碎屑沉积岩。青山群地层走向北东50°，倾向北西，倾角10°～30°。

1.3 构造特征

区内构造以断裂为主，规模较大的有七宝山北北东向隐伏断裂(F2)、杏山峪NE向断裂(F3)和杏山峪NW向断裂(F4)，规模较小的次级断层以NE和NW向为主。

1.4 地表水系

区内河流主要为泉河的支流尧头河和长老庄河。两河分别位于矿区东、西两侧，属季节性河流。尧头河发源于矿区南部丘陵区，全长9 km，流域面积22 km2，由南向北经矿区东部向北注入矿区东北2 km处的墙夼水库，平时流量小，旱季干涸；长老庄河发源于矿区西南部丘陵区，由南向北经矿区西部向北径流，在矿区北部向东汇入尧头河，平时干涸，只在汛期短时有水。

2 散体物理力学性质试验及参数的确定

排土场散体岩土物理力学性质试验包括现场试验和室内试验两种，现场试验包括散体岩土的容重、含水量、块度组成、自然安息角等参数的测试；室内实验主要是对粒径<5 cm的散体岩土进行大型直剪试验。综合实验结果从而求得排土场散体岩土的强度参数c、φ值。

2.1 排土场散体成分

(1) 土体。矿区第四系为冲洪积、坡洪积物。冲洪积粉质粘土、砂砾主要分布于露天采场东南河谷两侧；坡洪积红色粘土夹铁质角砾岩主要分布于山坡中下部，厚度一般小于1 m且部分被基岩露头阻隔，分布不连续。

(2) 岩体。矿山开采剥离的安山玢岩、闪长玢岩、角砾岩岩块，其中安山玢岩为坚硬岩，闪长玢岩坚硬-较坚硬岩，角砾岩较坚硬岩。

2.2 排土场岩土块度分布的试验方法

(1) 制定七宝山金矿排土场岩土块度分布规律的研究方案如图1所示。

图1 排土场岩土块度分布规律研究方案

(2) 采用有筛分法和直接量测法确定七宝山排土场岩土块度分布。对现场挖掘的标准坑内采集的试样进行初分，其粒径尺寸较大(≥200 mm)的岩块直接量测其尺寸；粒径尺寸较小(<200 mm)的岩块运至实验室，由一套孔径不同的筛子进行筛分，并称量每一级的筛余量，计算出各级筛余量或各粒级组的含量。测得的散体岩土块度分布如图2所示。

图2 现场P-3样坑散体岩土颗粒大小分配

(3) 排土场自然安息角测量。采用平直宽木板(宽约30 cm，长约300 cm)和罗盘对七宝山金矿排土场边坡自然安息角进行测量，共测量的边坡自然安息角数据32个，其中排土场东侧边坡上部10个，排土场东侧边坡下部16个，排土场西南侧边坡6个。经计算，该排土场自然安息角为37°。

2.3 直剪试验

采用中科院武汉岩土力学研究所自行研制的应变控制式大型室内、现场两用直剪装置(压力传感器量程、精度为200 kN/0.02 kN，位移传感器量程、精度为100 mm/0.0002 mm)对七宝山排土场粒径小于5 cm的散体岩土样品(取样量775 kg)进行室内实验。试验时，分别按200，400，600 kPa和800 kPa四级荷载进行直剪试验，部分试验剪切位移-剪应力关系、峰值剪应力与正应力曲线如图3、图4所示。

2.4 排土场散体岩土测试数据分析及参数的确定

2.4.1 计算c、φ值

根据排土场块度分布的实测资料和实验室剪切试验结果(c及φ)，计算出内摩擦角和粘结力随排土场不同高度的变化。即已知细颗粒岩土的剪切结果(c及φ)和细粒级在不同层位上的分布规律，再按颗粒组成对c和φ的相关曲线分析计算不同级配物料(细粒级和大块各占的比例)的c和φ。根据细粒级岩石的抗剪试验的粘结力c，计算某位置处混合粒级的粘结力ci：

chi=cMhi×aMhi

(1)

式中，chi为坡顶值hi处混合粒级岩石的粘结力；cMhi为hi处细粒级岩石的粘结力；aMhi为hi处细粒级占的比例。

同理，已知细粒级的内摩擦角可以计算混合粒级岩石的内摩擦角φk：

tanφhi=tanφk-(tanφk-tanφMhi)aMhi

(2)

式中，φk为大块岩石的内摩擦角，等于其自然安息角；φMhi为hi处细粒级岩石内摩擦角。

根据散体岩土现场测试结果和<5 cm粒径室内直剪试验的成果，并按式(1)、式(2)计算混合粒级散体岩土的物理力学参数，如表1所示。

图3 位移-剪应力关系曲线

图4 直剪峰值剪应力与正应力关系

2.4.2 排土场岩土体物理力学参数确定

参考上述散体的力学参数试验研究成果，以及前期边坡稳定性研究的成果，并采取工程类比的方式，确定该排土场岩土体力学参数,如表2所示。

3 排土场稳定性极限平衡分析

考虑七宝山金矿角岩与南坑排土场边坡潜在滑面的形状问题，采用的极限平衡法分析方法,主要包括：基于滑面是圆弧形状的简化Bishop(毕晓普)法、基于滑面是任意形状的摩根斯坦-普赖斯法(Morgen-Prince)方法。

表1 排土场混合粒级散体岩土物理力学参数计算

表2 排土场边坡岩土体物理力学参数

3.1 滑动模式与滑面的确定

(1) 滑动模式。排土场物料来源于受隐爆角砾岩筒控制的矿岩，主要是安山玢岩、闪长岩、闪长玢岩及角砾岩等，所以排土场内部废石的潜滑面为圆弧型滑面或其它光滑曲面；排土场地基表层为第四系碎石土层，强度低，地形坡度较陡，加之排土场为高边坡，散体岩土厚度大,所以排土场存在沿基底接触面滑坡的可能；排土场地基含有较软弱的地层或弱面时，由于软弱层强度或承载能力较低，在排土场散体岩石载荷或雨水等因素作用下易产生地基沉降和差异沉降，地基底鼓和滑动，从而产生沿软弱地基的滑坡。

(2) 滑面。在一定的强度指标和滑动模式下，实际发生破坏的滑动面必定为安全系数最小的潜在滑动面，因此，采用极限平衡法研究边坡的稳定性时，潜在滑面的确定是关键。本次分析采用加拿大的岩土工程软件，由程序按给定的滑动模式自动搜索确定出潜在滑动面。

3.2 分析剖面及选取力学参数

(1) 确定分析剖面。分别在93排土场边坡内不同的方向切取7条有代表性的剖面进行边坡稳定性分析，分别为沿不同方向的1，2，3，4剖面及A0，A1，A2剖面，如图5所示。

(2) 地震的影响。七宝山金铜矿所属地区抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.15g，根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)，对于垂直设计地震加速度参数可以采用水平设计地震加速度参数的1/3，则地震影响系数。

(3) 地下水的作用。排土场位于当地的侵蚀基准面以上，仅考虑降雨的影响。

(4) 排土场边坡体受力分析方案。自然工况：自重状况；校核地震工况：自重+地震状况；校核降雨工况：按饱水强度。

(5) 许用安全系数的选取。依照《有色金属矿山排土场设计规范》(GB 50421-2007)，结合排土场边坡的工程地质水文地质条件、场地工程地质勘察成果和排土场服务年限，确定的许用安全系数[K]为：正常工况—自重[K]=1.15～1.20；校核工况—地震或降雨[K]=1.10～1.05；若分析剖面计算所得的安全系数K>[K]时，边坡稳定；若1

图5 排土场现分析剖面

3.3 极限平衡分析的计算结果

因为简化Bishop法分析圆弧型滑动时精度高且计算速度快，最能反映边坡稳定性的实际状态，故此次将Bishop法作为边坡圆弧型滑动时分析计算的主要方法；非圆弧型滑动时，将Morgenstern-Price法作为边坡稳定性分析计算的方法。计算结果见表3及图6。

表3 排土场边坡稳定性的安全系数计算结果

分析结果表明：

(1) 自然工况Ⅰ下，排土场边坡的安全系数满足许用安全系数的要求，排土场边坡是稳定的；

(2) 在地震与降雨的校核工况下，各剖面除2-2剖面稍低外，其他剖面的的安全系数满足许用安全系数的要求，排土场边坡是稳定的；

(3) 2-2′剖面的排土场边坡中间所留的平台宽度偏小，致使边坡的安全系数偏低，适当条件下应加宽平台的宽度达10～15 m；

(4) A0，A1，A2剖面各工况条件下的安全系数满足许用安全系数的要求，边坡是稳定的。

4 结 论

(1) 通过散体岩土的现场与室内试验、边坡自然安息角的测量以及与前人研究成果的对比分析，确定了排土场岩土体的物理力学参数，并应用于排土场边坡稳定性分析中；

(2) 确定了排土场边坡的滑动模式可能为圆弧型滑动或沿废石与地基的接触面滑动；

(3) 采用极限平衡分析方法对三种受力工况情况下的排土场现状边坡进行了稳定性分析，结果表明：各剖面的的安全系数满足许用安全系数的要求，目前现状排土场边坡是稳定；

(4) 2-2′剖面的排土场边坡中间所留的平台宽度偏小，致使边坡的安全系数偏低，适当条件下应加宽平台的宽度达10～15 m；为确保矿山的安全开采，需对露天坑侧排土场边坡加强支挡，消除排土场边坡崩塌滚石对露天坑安全生产的威胁。