高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及关键参数优化

张 凯 高毓山 刘奎明 陈成诚 陶志刚 苏春阳

（1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室(北京)，北京100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083；3.本溪钢铁集团南芬露天铁矿，辽宁本溪117000；4.西藏华泰龙矿业开发有限公司地质资源部，西藏 拉萨850200）

排土场边坡由散体材料组成，粒径分级不明显，颗粒级配较差，坡体较为松散，且不稳定，一旦排土方式不当，极易引发安全事故［1-3］。如：安太堡露天煤矿南排土场滑坡、攀矿尖山第六排土场滑坡、太和铁矿排土场滑坡、黑山露天煤矿北排土场滑坡等都造成了较大的人员伤亡和财产损失［4-6］。究其原因，是对排土场稳定性分析不足和排土工艺优化欠缺，并且关于诸如西藏甲玛矿区这类高海拔地区的排土场边坡的研究少之又少，因此，对于高海拔地区排土场边坡稳定性分析和排土工艺关键参数优化就显得尤为重要。

近年来，众多学者针对排土场稳定性分析开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果［7-10］。张燕飞等［11］以云南某金属矿山为背景，用Monte-carlo法对边坡进行了稳定性分析，评价了该排土场边坡的稳定性及风险性，但缺少了与现场破坏情况的对比，稳定性分析不足。王海等［12］针对霍林河南露天煤矿西四排土场沉降问题进行了分析，针对排土场沉降现状制定了相关的治理措施，并通过极限平衡法对采取的措施进行了安全评价，但未对现场排土场的破坏情况进行详细描述且未进行排土参数优化。长沙矿冶研究院的相关技术人员对南芬铁矿和厂坝七架沟排土场进行了稳定性研究，但工程背景均不是高海拔地区，其研究成果难以应用于高海拔地区［13-14］。曹兰柱等［15］以蒙东西二露天矿排土场边坡为工程背景，基于刚体极限平衡与三维数值模拟方法，揭示了不同基底倾角条件下的排土场边坡稳定性变化规律，分析了软弱倾斜复合基底排土场的边坡失稳机理。Sloan［16］研究认为排土场边坡破坏主要是由软弱土层控制，在夹层附近位置塑性应变较大，控制了排土场边坡的破坏模式。白羽等［17］以元宝山露天煤矿内排土场为背景，利用刚体极限平衡法对不同排弃平盘宽度的内排土场稳定性进行了分析，确定了最优排弃平盘宽度为55 m，但平台台阶高度也是排土场边坡稳定性的重要控制因素，该项研究缺少了对其进行准确取值；胡旭东等［18］进行了排土场稳定性分析，提出了合理的排土方案，并编制了某排土场的排土规划；王俊［19］针对安太堡露天煤矿南寺沟排土场的增高扩容问题，通过优化分析，使得南寺沟排土场的最小工作平盘宽度由65 m 缩小至60 m，但该参数较难在具有冻融损伤作用的高海拔地区应用。

现阶段对于排土场稳定性分析和关键参数优化的研究方法较为多样，但针对高海拔地区排土场稳定性的研究及关键参数优化的成果较少。本研究以西藏甲玛矿区排土场为背景，基于有限差分方法和强度折减原理，对排土场进行稳定性分析，利用FLAC3D软件对不同单台阶高度和多台阶平台宽度工况下的角岩排土场边坡进行稳定性分析，得出最优关键参数，减小排土场失稳风险并为类似排土场问题研究提供参考。

1 工程概况及区域地质条件分析

1.1 工程概况

甲玛矿区位于西藏自治区拉萨市周边，距离市区约68 km，角岩排土场位于角岩采场东北方向约600 m 处的山沟，为沟谷型排土场，属于典型的多台阶覆盖式排土场，如图1所示。不同于低海拔的常温地区，该矿区处于高海拔、高寒地区，排土场常年暴露于昼夜温差大、四季温差大的环境下，长期受到冻融循环作用，对排土场边坡的稳定性不利。

1.2 地层岩性

工程区地层岩性主要为白垩统林布宗组，其次为侏罗统多底沟组。角岩排土场场地基岩基本裸露，对场地稳定性有利。区内主要地层见表1。

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1.3 地质构造

矿区位于从北到南的一系列推覆构造系统中，地层之间存在一体化的接触关系，褶皱构造较为发育，主要有红塔背斜、牛马塘背斜、夏工普向斜、轴面节理密集带和层间破碎带。

2 高海拔排土场稳定性分析

2.1 模型构建

角岩排土场平面图如图2所示，选取近似垂直于坡面的A-3 剖面进行分析，该剖面所反映出的地层组成和地质结构都与现实较为贴切，可以更好地了解整个排土场的变化，并且可以更准确地判定排土场的整体安全性。依据现场调查，各台阶高度为30 m，平台宽度为30 m，台阶坡面角为45°。在建立计算模型时，排土场的滑坡体需要有一定的外延空间，才能更有效地模拟排土场坡面的临空状态，以便尽可能减少边界条件对于计算结果的影响。本研究计算模型如图3所示。

2.2 初始参数选取

本研究选用的初始岩土体参数是以各类岩石的实验室力学参数为基础，以实际工程经验进行工程类比得到的。根据甲玛铜矿所处地理位置的特殊性，运用边坡冻融损伤岩体力学参数修正方法［20］，结合排土场实际情况，对岩体力学参数进行了冻融损伤修正，结果见表2。

2.3 角岩排土场边坡稳定性分析

为了能够对各个台阶的位移变化进行准确描述，分别在平台5 075 m、5 045 m、5 015 m、4 985 m 4 个台阶的坡顶和坡脚处设置了位移监测点，如图4所示。

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最终境界下的稳定性分析云图如图5 所示。由图5可以看出只有部分区域为受压状态，台阶顶部零星出现受拉状态，虽然没有形成贯通的剪应变带，但是从平台5 045 m处剪应变已经有贯通的趋势。并且有局部压应力不均匀扩展会导致小范围的应力集中，当所产生的应力超过排土场所能承受的应力时，岩体将会发生破坏。从剪应变图中可以预测，在各个部位与区域的破坏点贯通后将会形成破坏面，直至扩展到自由面时将发生滑坡。

结合位移图、应力图和塑性区云图，可以看到排土场边坡坡面应力较大，且边坡中上部相对于下部位移量较大，塑性区即将贯通，排土场边坡即将发生失稳，破坏特征可能是坡顶发生位移挤压到坡脚，发生剪切破坏，导致滑坡体沿着近似圆弧滑面向整体排土场的坡脚进行移动。

本研究在计算过程中所设置的各个监测点获得的位移信息如图6所示。

由图6 可知：在计算排土场边坡稳定时，其监测点位移的变化趋势仍处于上升阶段，在当前排土工艺下并没有达到沉降稳定的程度，仍有滑坡趋势。排土场现状如图7所示，顶部沿平台方向出现了垂直裂缝，但裂缝均较小，还没有发生坡体滑动，若处理不当，继续对排土场顶部施加荷载，将会形成前一缘拉着后一缘、后一缘推着前一缘的张拉破坏。

3 角岩排土场关键参数优化

控制排土场稳定性的3 个重要参数为台阶高度h、平台宽度b、台阶坡面角φ（图8）。本研究选取前两个控制因素进行优化设计。

本研究构建单台阶模型时，台阶坡面角取散体物料的自然安息角37°，坡高为h，排土场坡脚到右边界的距离为1.5h，坡顶到左边界的距离为2.5h，模型总高为2h，如图9所示。依据此原则的模拟计算结果较为理想。

在保证排土场边坡稳定性的条件下，为了能够最大限度节约矿山成本，降低工程量，本研究对单台阶的高度进行不同排土高度下的模拟分析，根据不同高度下所得到的安全稳定性系数曲线，分析安全稳定性系数与台阶高度之间的关系，从而确定最优单台阶高度。依据最优单台阶高度对不同组合台阶的平台宽度进行模拟，同样根据不同组合台阶平台宽度情况下所得到的安全稳定性系数，分析组合台阶平台宽度与安全稳定性系数之间的关系，确定最适宜的组合台阶平台宽度。

3.1 单台阶高度确定

根据现场排土场要求，台阶高度不宜超过100 m，故选取20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 共5 种不同高度的台阶进行模拟，归纳总结得出稳定性系数与台阶高度的变化规律。选取30 m、40 m、50 m 典型台阶高度的位移云图和剪应变云图（图10）进行分析。

由图10 可知：台阶高度为30 m 时，坡顶处出现最大位移，其余坡面位移量较小，边坡处于稳定状态，从其剪应变云图来看，尚未形成贯通的剪切带；台阶高度为40 m 时，位移最大处位于坡顶，位移量较小，模型计算稳定后并未出现破坏现象；台阶高度为50 m 时，位移最大值已经达到1 m，由剪应变云图可以看出其剪应变主要集中在下坡脚处，并且已经形成了贯通的剪应变带，模型已经出现了破坏现象。各台阶高度安全系数及其变化曲线见表3 及图11。

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分析表3 及图11 可知：随着排土场台阶高度的增加，安全系数逐渐降低，在台阶高度为50 m 时，安全系数发生突降，可见当边坡堆载高度为40 m 时，土场已达到安全平衡状态，同时安全系数大于1.25，符合边坡排土场的安全储备，大于40 m 时台阶高度成为主导边坡稳定性的因素，安全系数下降率变大，边坡更加容易失稳，因此最优台阶高度选择40 m。

3.2 组合台阶平台宽度确定

本研究以单台阶高度40 m 为不变量，选取30 m、40 m、50 m、60 m 作为平台宽度进行模拟，分析平台宽度与稳定性系数的关系，推断出安全又经济的平台宽度。选取30 m、40 m、50 m 作为典型台阶宽度，其位移云图和剪应变云图如图12所示。

由图12可知：平台宽度为30 m时，在排土场上部有剪应变集中，并有向下扩散的趋势，结合位移云图来看发生最大位移处与最大剪应变处位置相近，说明排土场在此次工况下不会发生整体性破坏，可能会发生局部破坏；当平台宽度为40 m 时，最大位移的位置上移，其剪应变主要集中在排土场最上的台阶处；当平台宽度为50 m 时，随着台阶宽度的增大，每个台阶所发生的位移并未相连。不同平台宽度的安全系数见表4，安全系数变化曲线见图13。

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由表4 及图13 可知：台阶宽度为30 m 时，其安全系数为1.20，尚未符合排土场的安全储备，在40 m 的工况条件下的安全系数是一个陡增的状态并满足排土场的安全储备，50 m、60 m 两种工况下，也满足了排土场的安全储备条件，但是对于安全系数的增幅较小，也减少了排土场自身所能堆载的废料数量，在一定程度上增加了矿山生产成本。从整体趋势来看，最优平台宽度为40 m。

综上分析：选取台阶高度为40 m，台阶宽度为40 m 时，不仅保证了排土场边坡安全，还使排土场的利用率达到了最大化，节约了矿山生产成本。

4 结 论

（1）运用冻融损伤修正后的岩体力学参数对西藏甲玛矿区角砾岩排土场进行了稳定性评价，结果表明：在当前排土工艺下并没有达到稳定程度，有滑坡的趋势，滑坡整体可能沿着近似圆弧滑面向整体排土场的坡脚移动。

（2）当排土场形成之后，滑坡体内部出现塑性破坏区，沿着排土场内部的软弱土层延展到最近的坡面，并且软弱层的前缘也具有扩展趋势。随着剪应变带的扩大，边坡内的塑性破坏区面积也有所增加，剪切塑性区将会大面积出现在斜坡前缘上，其塑性区基本贯通，导致滑坡产生。

（3）从单台阶高度和多台阶平台宽度两个角度，分不同工况对关键参数进行了优化设计，利用FLAC3D软件对不同单台阶高度和多台阶平台宽度工况下的角岩排土场边坡进行了模拟，分析了其位移变化规律、应力应变变化以及塑性区范围大小，根据所得结果云图和安全系数的变化趋势，确定最优的关键参数为单台阶高度40 m，组合台阶宽度40 m。