紫金山金铜矿排土场不同物料堆排方式稳定性对比分析

唐维凯毛思羽

（1.黑龙江多宝山铜业股份有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

排土场作为矿山开采过程中各种废石料、风化岩土以及各种混合岩土集中排放的松散堆积体，强度较低［1-2］，如果随意堆排会存在较大的安全隐患。在雨水、地震等自然因素的作用下［3-4］，整体强度会进一步降低，可能会导致边坡失稳。有不少学者从排土场堆排工艺的角度进行稳定性分析，孙书伟等［5］分析了覆盖式排土和压坡式排土方式下排土场的失稳机理，得出正向堆置的压坡式排土场模型稳定性最优；王培武［6］从实例的角度出发，分析压坡脚式、覆盖式及其二者组合的3 种堆排方式对边坡稳定性的影响。因此，在保证排土场边坡稳定的前提下，研究强度较低的混合物料在排土场中的堆排方式十分必要。本研究以紫金山金铜矿北口排土场作为研究区域，分析不同物料混合堆排方式下边坡稳定性的变化情况，为物料混合堆排的相关研究提供一定的帮助。

1 排土场区域概况

以紫金山金铜矿北口排土场为研究对象，紫金山露采场所在地区属热带季风气候，湿润多雨，年平均降雨量为1 676.6 mm，最大年降雨量为2 502.1 mm，最长连续降雨天数为31 d，总降雨量为440.3 mm，日最大降雨量为242 mm，20 a 一遇的24 h 最大降雨量为216 mm，20 a 一遇的1 h 最大降雨量为86 mm。每年3—6 月为雨季，约占全年降雨量的60%；8—9月为台风季节，约占全年降雨量的14.8%。

紫金山排土场台阶堆置高度为30 m，单台阶坡面角为34°，总体边坡角不超过23°。现有排土场的堆高为+850 m，设计加高堆置高度为60 m，可堆排容积为2 987.48 万m3，排土场设计等为一级排土场，按照一级排土场进行安全管理。本次物料堆排设计方案均在加高区域，即850～910 m 台阶处进行，可堆排容积有限，在保证边坡稳定的情况下必须合理规划物料的堆排方式。

2 堆排物料力学参数及堆排方案

2.1 堆排物料力学参数

紫金山金铜矿北口排土场本次需要堆排的2 种主要物料分别是碎石土料和废土，两者的强度参数见表1。从表1 中可以看出废土的强度参数较低，从图1 可以看出，直接堆排废土料自然工况下安全系数是0.816，并不能满足稳定性要求，考虑到排土场上部加高区域需要和采场良好过渡，堆排的实际容积有限，故需要合理规划混合料的堆排方式，才能保证在稳定的基础上，最大化利用排土场剩余堆排容积。

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2.2 堆排物料水土特征

堆排的2种物料都属于非饱和土，降雨入渗作用对土体的强度会造成很大影响，进而影响整体边坡的稳定性。本次研究也将考虑降雨条件下排土场边坡的稳定性。通过压力板实验以及Van-Genuchten模型得到碎石土料和废土的水土特征曲线以及渗透系数曲线见图2、图3。

2.3 堆排方案设计

物料堆排的过程中要考虑到物料的自然安息角，物料堆排坡面处应选用强度较高的物料才能保证边坡的稳定。碎石土料与废土的自然安息角约为34°，堆排前端需预留一部分强度较高的物料（以下成为保护层）。遵循堆排方便的原则，将本次堆排的物料中的碎石土料作为保护层物料，按照物料自然安息角的坡度堆排，按矿区原堆排设计概况，设计以下3 种堆排方案进行稳定性分析比较，台阶堆高为30 m，坡面角为34°。

（1）方案1。竖直方向上先铺高度为5 m的废土，再铺碎石土料，见图4。

（2）方案2。水平方向上碎石土料与废土间隔排放，竖直方向上2种物料不错开，见图5。

（3）方案3。水平方向上碎石土料与废土间隔排放，竖直方向上2种物料错开间隔排放，见图6。

其中，方案1的堆排最容易，不用考虑堆排顺序，是较常见的堆排方式；针对方案2和方案3，参考紫金山原排土场的堆排经验，在保证安全的前提下，碎石土料与废土间隔宽度均设计为5 m，保护层物料为强度较高的碎石土料，保护层厚度分别设计为15，20，25及30 m。

3 稳定性计算结果

根据设计的3 种堆排方案，分别用Geo-Studio 软件计算各方案在自然条件和降雨条件下的边坡稳定性情况，选用的分析方法是Morgenstern-price。降雨条件下雨水按当地日最大降雨量来计算，降雨强度恒定为242 mm/d，设计降雨持续5 d。

3.1 各方案计算结果

方案一稳定性计算结果见图7，可以得出，边坡在自然条件下其安全系数高于降雨条件下；从降雨条件孔隙水压力的变化情况可以看出，由于废土的渗透系数小，孔隙水压力在废土处集中，这进一步降低了物料的力学参数，导致滑移面更倾向于从废土处滑出，滑移面在碎石土料与废土交界处出现明显转折，说明这种堆排方式使得边坡更容易出现滑坡安全事故。

方案二稳定性计算结果见图8，可以看出，自然条件下其安全系数高于降雨条件下的安全系数；随着保护层厚度的增加，边坡安全系数上升，边坡稳定性提高；其中降雨条件下，孔隙水压力集中在废土处，当保护层厚度在25 m 以内时，边坡滑面还会倾向于从废土处滑出，安全系数较低，而当保护层厚度达到30 m 时，废土层远离斜坡面，滑面很难沿着废土层滑出，因此，边坡稳定性明显增加。

方案三稳定性计算结果见图9，可以得出：自然条件下其安全系数高于降雨条件下；随着保护层厚度增加，其安全系数不断增加；在降雨条件下，孔隙水压力也是集中在废土层。但不同处在于当保护层厚度达到25 m 时，边坡安全系数就已经明显提高了。

3.2 方案比较

由以上稳定性分析结果可以看出：方案一废土层会导致边坡滑移面更易于滑出，对边坡稳定性的影响较大，故不推荐使用这种堆排方案。主要比较方案二和方案三的稳定性结果，见图10。可以得出：各方案降雨条件下的安全系数均要小于自然条件下的安全系数，说明降雨会降低排土场边坡的稳定性；当保护层厚度在20 m以内时，2种方案的安全系数都比较小，总体相差不大；当保护层厚度在30 m时，2种方案的安全系数都较高，边坡都趋于稳定；当保护层厚度在25 m 左右时，方案三的安全系数明显高于方案二的安全系数。

针对边坡稳定性安全系数较高的几种方案，从废土堆排量的角度进一步分析各方案的优劣，得出各方案剖面中废土堆排面积占比，见表2，可以得出：当保护层厚度为30 m 时，方案三的堆排面积略小于方案二；当选用方案三保护层厚度为25 m 时，其废土可堆排的面积要大于其他2种方案，但这种堆排方案对堆排工艺的要求较高，必须保证竖直方向上2种堆排物料的错开排放。

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4 结 论

（1）选用水平方向间隔堆排的方式，随着保护层厚度的增大，边坡稳定性系数越来越高，在矿山堆排物料中有强度很低的物料时，可以考虑这种堆排方式。

（2）水平方向上间隔堆排的前提下，竖直方向上2 种物料进一步错开间隔堆排，可以进一步提升安全系数；在保证稳定性的前提下，能进一步减少保护层的厚度，增大废土堆排量，但同时施工技术要求会提高。