矿山排土场稳定性影响因素显著性分析

赵 峰

在矿山开采过程中，对于产生的固体排弃物在排土场进行集中排放，在排土过程中，平台边缘处形成的人工边坡，经常会面临变形或者是裂缝等问题，严重时可能会出现坍塌等现象，如果不及时采取有效的措施对变形破坏问题进行控制，最终将会显著降低排土场整体稳定性，从而引发非常严重的边坡滑坡地质灾害问题。针对这种现象，为了保证排土场稳定性可以达到相应的标准要求，必须对排土场稳定性影响因素以及显著特征等进行深入分析，从而制定出有效的防范措施以及生态修复措施。

1 工程案例分析

该排土场的位置在采区的东北方向，基底为自然冲沟，与采场之间的距离比较近，容量约600万m3，满足外排总量要求。从现场情况来看，在排土场的边坡位置出现了底鼓问题，该问题并没有对排土场整体稳定性产生太大的影响。通过现场调查之后，最终判定排土场底鼓问题产生的原因主要有以下几个方面：第一，原始地貌被排土场大范围覆盖，导致地表径流较原先发生了相应的变化，又因为排弃物料本身就具有非常明显的松散性，这就在很大程度上提升了地下水的渗入总量，同时地表水净流量不断降低，当基底土被大量的水浸入之后，其力学性质会在加载过程中不断发生改变；第二，当排弃强度超出相应的标准要求之后，就会导致超孔隙压力不断上升，这时滑坡主动体抗剪强度会受到非常大的影响，从而发生巨大的变化。

2 设计正交试验方案

通过对排土场现场相关资料进行收集与整理，同时在现场开展了相应的调研工作，最终对该排土场稳定性影响因素进行明确，主要体现在了台阶数量、台阶高度、修复荷载、气象水文、构建历史以及台阶角度与宽度等几个方面。另外，严格按照排土场排土设计规范中的相关内容与要求，对比较典型的案例进行了深入探究，同时对该排土场范围内地质条件以及水文特点等进行全面勘察，从而获取到了较为完整的资料。

通过资料分析之后，对影响因素取值进行明确。在以上工作全部完成之后，开展了对正交试验方案的设计工作，具体如下表1所示。

表1 正交试验方案

结合上表1中的相关内容进行分析，设计了3水平与7因素正交试验，数值模拟试验一共达到了18组。台阶的数量分别为4阶、6阶、8阶，台阶的高度分别为15m、20m以及25m，关于修复荷载主要体现在了无面荷载、纯表土面荷载以及混合土面荷载等几个方面。基于该排土场水文条件角度上进行分析，分别是由不同含水率的岩土参数特征进行替代，最终构建形成了新建排土场、二次使用排土场以及停用排土场等几个方面，台阶的高度分别为25、30以及35mm，台阶的角度分别为30°、34°以及38°。

3 排土场理想模型构建

在具体的设计环节中，主要是将排土场计算机的辅助作用充分发挥出来，在此基础上完成对图形文件的设计工作，从中提取具有代表性的变形区域研究范围，从而对排土场等高线模型进行优化，将二维线型模型转变为带有高程特点的三维曲线。在对有限元软件ANSYS以及迈达斯充分利用的基础上，完成对模型的分层以及剖分等操作，在此基础上对排土场三维体制模型进行有效构建。

通过对排土场稳定性特征进行充分调查与研究，然后使用FLAC3D数值模拟软件，对排土场真三维地质模型确定相应的数字标准，同时完成相应的模拟操作，从而可以将排土场岩土体参数充分体现出来，在此基础上对排土场真三维地质模型剪切应变增量图进行准确绘制。

通过系统的分析与研究之后，在对排土场数值模型变化特征全面了解的基础上，选择真三维地质模型中比较危险的截面，或者是具有代表变形特征的截面，从而可以为后期排土场理想模型分析提供非常重要的参考依据，最终完成对排土场边坡理想坡形网格的构建工作。在对网格岩土体物理力学参数进行明确时，主要是严格按照规范中的相关要求以及真三维地质模型时反映出的岩土物理力学参数进行分析，其中，关于规范要求主要体现在了冶金排土场、金属矿山排土场以及生产安全经验等内容。关于网格岩土体物理力学参数，其设置情况主要体现在了以下几个方面：第一，排土场数值模拟模型岩土层物理力学参数取值，具体如下表2、表3。结合下表2中的内容进行分析，基于天然条件下，反映出了排土场数值模拟模型岩土层物理力学参数，下表3是在小雨条件下，反映出的排土场数值模拟模型岩土层物理力学参数。

表2 排土场数值模拟模型岩土层物理力学参数（天然工况条件）

表3 排土场数值模拟模型岩土层物理力学参数（小雨工况条件）

4 排土场稳定性影响因素显著性分析

结合上文中所构建的正交试验方案以及设计的排土场理想模型进行分析，在对FLAC3D法应用的基础上，完成对18组试验的数值模拟工作，最终计算出了各个试验模型所能反映出的安全系数，为了方便工作人员对排土场稳定性影响因素显著特征进行全面了解，需要结合最终的模拟结果，开展相应的方差分析工作。

通过对Mat数值模拟统计软件的充分利用，在此基础上对排土场数值模拟结果完成相应的方差分析工作，结合最终的方差分析结果来看，对参数值进行准确选择，从而完成各影响因素显著性特征的评价工作，结合最终的方差分析结果进行分析，其中对排土场稳定性影响非常明显的因素主要有台阶数量、台阶高度、气象水文与台阶角度等，比较明显的影响因素体现为台阶宽度。

结合以上内容进行分析，台阶数量、台阶高度、气象水文以及台阶角度等对排土场稳定性影响比较大。

5 排土场稳定性影响因素

5.1 选址

为了保证排土场满足一定的稳定性，那么在前期选址时就需要对该问题引起高度重视，并将相应的论证以及对比等工作进行全面落实。在选址过程中，对于相关的工作人员而言，需要将重点放在地形、地基以及水文条件等多个方面，只有保证各方面条件满足基本要求的情况下，才能开展专业的研究工作。

5.1.1 自然地理、基地岩层埋藏特点

通常情况下，在排土场施工现场包含了非常多的自然地理因素，比如，排土场的基底地形或者是地表水流，同时还涉及到了大气排水等。结合排土场基底实际的倾斜状况，也可以划分为不同的类型，关于排土场基底面倾斜问题，如果倾斜的具体方位与排弃物倾斜的方位不一致时，在这种情况下，边坡可以达到非常好的稳定效果。

5.1.2 水文地质因素

通常情况下，对于基底土岩而言，如果其中含有一定的水分时，那么在毛细管水不断提升的基础上，排弃物的下端位置也会因此受到一定的影响，主要是会被水资源进行侵蚀，在湿度不断增加的基础上，会导致强度不断降低。在对排弃物进行排放的过程中，当高度达到一定的高度以后，那么在排弃物的下部位置会发生一定的变化，也就是会出现压密状态。主要是因为受到空气与水的影响，在排弃物的内部，会逐渐出现孔隙水压力，那么在下端的水资源会不断下渗，那么在此基础上，排土场的内部会逐渐出现含水带。对于含水带而言，如果是没有对其进行压密处理时，孔隙是在水的填充状态下形成的，并且在该含水带中容易形成相应的滑动面。如果是在排土场透水性比较好的情况下，当补给的水比较多时，可以在内部形成相应的渗流，从而引出孔隙水压力。在土层或者是软岩基底含有较高的水时，排弃物堆放到一定的高度之后，也会形成孔隙水压力，这时就会对土岩的抗剪性能产生非常严重的影响。当基底内含水层与排弃物逐渐被分离时，在承压孔隙水的压力影响下，含水层的抗剪性能将会降低。针对这种情况，需要对排土场的含水情况进行充分考虑，在这其中不但涉及到了原剥落土岩的含水情况、排土场地形以及大气降水情况，同时还包括排土场基底含水情况。

5.2 开采工艺因素

开采工艺与最终排土场稳定性之间都有着非常密切的联系。在实际的开采工作中，当采取不一样的开采技术与流程时，在开采现场也会产生不同的排弃物分层，因为受到抗剪强度不均衡的影响，排土场稳定性也会体现出一定程度的差异。因此需要对整个开采过程开展严格的设计工作，保证开采方案一定的合理性，岩石透水性比较好的情况下，有利于更大程度上提升排土场稳定性。排弃物排放时，通常会按照排土台阶的具体情况，排弃物块度以自然的形式进行分布，块度比较大的会直接落在台阶的下边，粘土中含水量比较大，通常会滑落到排土台阶的下部，因为砂土容易出现粉碎现象，所以经常会停留在排土场的边坡或者是上部，当出现这一现象时，那么软弱层的透水性也会因此降低，进而后期可能会出现滚动面的问题。在具体的排土过程中，当使用挖掘机开展工作，或者是卸载的实际高度比较大的情况下，那么块度比较大的可能就会落在松散的小块土岩中。按分布形式进行分析，排土台阶中块度分布具有非常明显的差异会对最终的固结效果产生影响，最终影响到排土场稳定性。

6 解决对策

6.1 疏干排水

通常情况下，在对排土场进行设计的过程中，需要对排土场区域内的水文地质条件以及降雨情况等进行全面了解，在此基础选择有效的措施来开展疏干排水等操作，从而保证基底与排弃物料强度不会因为浸水而受到影响。在具体的操作过程中，首先地下水为浸水水源时，需要采取疏干导流的方法来进行。并且完成对排水盲沟的设计与开挖工作，依据水文资质数据设计出合理地断面，采用硬度比较高的大石块进行填充，并采用土工布包裹盲沟，从而可以将地下水直接引排到排土场外。其次，当地表水为浸水水源时，在雨水迳流的情况下，会对坡脚与坡脚物料产生冲击现象，而浸水之后其强度会呈现出下降的趋势，从而导致滑坡现象的产生。根据当地水文气象条件，如降雨量较大，在台阶坡脚设置排水构筑物实施雨水有组织排放，减少坡脚冲刷。同时在排土场的境界外圈设置截水沟，减少排土场外地表水对排土场冲刷。

6.2 清除基底弱层，底层排弃大块岩

如果基底属于腐植土、淤泥或者是其他弱层的情况下，那么在排土场建设过程开展中，一定要做好相应的清除工作，同时也需要避免雨后排土，避免强度快速下降的剥离表土与软岩排弃在下层。在对排弃计划平衡表进行制定的过程中，需要将硬度较强的大块岩石排弃在底层，这种方式有助于在一定程度上提升排弃物与基底之间的摩擦力及透水性，从而提升排土场稳定性。

6.3 对排土台阶高度进行确定

在排土台阶高度超出一定的值的情况下，很有可能会导致失稳问题的产生，这会对人身安全以及设备安全带来威胁。因此，在确定排土台阶高度进行时，不但要对排土线的技术经济效果进行充分考虑，还要对稳定性与安全性进行深入分析，确定合理地台阶高度。

6.4 以排土场稳定为前提，完成排弃计划的编制工作

如果是在剥落中土岩可以分开的情况下，需要在下部排弃岩石，上部进行排土。但是，因为在剥离前期大部分都属于表土或者是其他地表风化物料，为了能提升排土场稳定性，应设置排土场下游堆石区或堆石棱体增强坡脚稳定性。

6.5 加强生产管理工作

在排土场堆置过程中，严格按照排土场失稳基本规律，在对岩土特点、排弃方式、设备类型以及降雨情况全面了解的基础上，开展相应的生产管理工作，并保证管理方法满足一定的科学性。对于排土场与各个排土台阶，需要对不稳定方向进行实时关注及检测，根据实际情况对排土线路以及作业范围等进行合理调整。在排土场堆置工作结束之后，需要对复垦工作引起高度重视。通过对排土场进行复垦，可以保证被占用或者是被破坏的土地资源再次利用，这不但能对排土场生态安全起到非常重要的保护作用，同时还能有效避免水土流失以及泥石流等问题的产生。

7 结语

排土场稳定性是矿山企业的重要的安全管理工作，应予以高度重视。设计单位以及矿山企业一定要结合矿山区域地质、工程地质、水文地质、气象条件、采掘工艺等条件，对排土场稳定性影响因素显著性分析研究工作，进行排土场的设计、施工及生产管理，保证排土场安全运行。