矿山废石场的分类分区排放断面探讨

宋 自 平, 李 健, 周 菊 兰, 刘 李

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

缅甸莱比塘铜矿露天开采境界内的废石量约为9.424亿 t,其中有约7.31亿 t的废石量需要外排。但有高达71%的废石为潜在产酸(或重金属)废石,仅有29%的废石为不会对环境造成污染的良性废石[1]。因此,必须对良性废石进行合理利用,做出最合理的分类分区设计方案并予以严格执行,才能保证良性废石对废石场表面的覆盖,达到废石场在永久安全存放条件下的环境保护要求。

缅甸莱比塘铜矿2号废石场位于露天采场西侧,布置在西山背坡,占地面积约1.36 km2。按照永久安全存放稳定性分析对废石场边坡坡度提出的设计要求为:废石场将建成阶梯形状,其外缘每个台阶成型后的边坡坡度为1∶2.5,整体边坡坡度约为1∶2.9,每个台阶的高度(废石分层排放的厚度,亦称排废段高)为12.5 m。根据永久安全存放坡度进行废石场设计的2号废石场底部标高约为100 m,顶部终了排废标高为250 m,垂直排废高差达150 m,排废设计总库容达9 585.3万m3,主要堆存露天采场开采境界内西山及采坑内西侧剥离的废石。莱比塘铜矿2号废石场设计总平面图见图1。

图1 莱比塘铜矿2号废石场设计总平面图

2 废石场分类分区排放断面的设计

2.1 主要参数的确定

在进行废石场分类分区排放断面设计前,需要明确以下几个主要参数:

(1)废石休止角:废石渣料在自然堆积状态下的安全坡度是由其休止角决定的。不同种类及粒度的物料其休止角不同[2]。根据莱比塘铜矿项目的勘察设计文件,矿区的矿石(废石)休止角为37°。

(2)良性废石的最小厚度:按照项目ESIA报告和设计文件,其良性废石的最小厚度按废石排放台阶高度的一半控制,即6.25 m。

(3)分类分区排废时先排放断面的最小平台宽度:莱比塘铜矿项目采用的是NTE260电动轮自卸车和TR100矿用自卸车两种车型进行废石的运输与排放,为保证安全,两种载重量相差较大的车型不能在同一个排卸点混排,因此,当出现良性废石先排放时,按采用TR100矿用自卸车排放废石的最小宽度需求确定先排断面的最小平台面宽度,其包含满足自卸车在平台上错车、掉头需要的最小宽度及临边安全挡墙占用的宽度。TR100矿用自卸车长10.82 m,宽5.15 m,设计最小转弯半径为15 m,平台行车道宽度按照约4倍车宽考虑,因此,取20 m宽即可满足自卸车错车、掉头的需要;自卸车配置的轮胎型号为27.00R49,外缘直径为2.7 m。为保证安全,临边安全挡墙的高度应为通行车辆轮胎直径的1/2～3/5,因此,在首排断面中按1.5 m的高度进行设计,单侧临边安全挡墙占用的宽度为5 m。故将采用TR100矿用自卸车排放废石的先排断面最小平台面宽度确定为30 m。采用TR100自卸车先排废石最小平台宽度断面情况见图2。

图2 采用TR100自卸车先排废石最小平台宽度断面图

(4)废石场每个台阶的收缩宽度:根据废石自然堆积的休止角和台阶成型后的永久存放各台阶安全坡度和废石场综合坡度要求进行废石场断面的设计,通过作图确定出的每个台阶的收缩宽度为20.11 m。

2.2 基本断面设计

综上所述,根据莱比塘铜矿废石场边坡坡度设计要求及上述其他相关参数进行废石场的分类分区排放断面设计,得到废石分类分区排放设计的基本断面。废石场分类分区排放设计的基本断面见图3。

图3 废石场分类分区排放设计的基本断面图

由于回填料一般要经历一个自然沉降的过程才能逐步达到稳定状态[3],因此,废石台阶排放完成后一般要经历一个雨季或半年以上的自然沉降,再按照永久存放安全坡度的要求进行削坡处理,才能达到最终的稳定状态。废石场分类分区排放断面设计的各种坡度变化情况见图4。

图4 废石场分类分区排放断面设计的各种坡度变化图

从图4中可以看出:废石场中的良性废石在边坡削坡后的最小厚度约为6.39 m,满足良性废石最小厚度不低于6.25 m的设计要求,即良性废石的平面排放宽度最小不能少于30 m;另外,边坡在进行削坡处理后每个台阶还保留一条5.45 m宽的马道,能够满足边坡复植地貌及日常维护的通行要求,由此表明该设计方案是合理的。

2.3 实际施工断面的调整

在露天采场剥采施工过程中,一般的规律是前期废石剥离的量会比较大,而稳产期则是尽量追求较稳定的剥采比[4],后期矿石的比重会逐渐增加。单就废石剥离施工来讲,一般的规律是前期良性废石多,重金属废石和酸性废石少;而越到后期其良性废石会越来越少甚至完全缺失,酸性废石则会越来越多。穿越淋滤帽岩层时,在一定时期内其重金属废石会相对集中出现,淋滤帽岩层剥离完即意味着重金属废石也就没有了。因此,在废石场排废的前期,可以利用大量的良性废石做好底层的平铺排放施工;随着废石场的废石排放施工向上层台阶发展,为了合理利用有限的良性废石,将会出现先排放废石场临边良性废石区的情况;一定时期内,在重金属废石较集中排放时会出现必须先进行重金属废石区排放的情况;随着露天采场剥采工作的深入开展、酸性废石的逐渐增多,则会逐渐出现需要先排放酸性废石的情况;在某些特定时段,还会出现最后排放重金属废石的情况。故前期对于多余的良性废石不应无序排放而导致出现资源浪费,应根据实际情况设置专门的临时堆场进行集中存放,以便用于后期的废石场上部台阶及顶面良性废石层的覆盖。废石场不同类别废石先排放的典型设计断面见图5。

图5 废石场不同类别废石先排放的典型设计断面图

因此,实际施工过程中的废石分类排放是一个不断动态变化的过程[5]。废石场的分类分区排放设计断面绝不是一成不变的,而是在遵循保证废石场永久存放安全设计坡度和良性废石最小厚度的原则下根据现场生产情况灵活选择在同一废石排放台阶安排某一类废石先排放的、可调整的分类分区排放断面。

3 结 语

在缅甸莱比塘铜矿项目2号废石场进行废石排放施工时,项目部的工程技术人员结合铜矿山废石的分类特点,对废石排放的分类分区排放断面设计进行了深入研究,找出了设计需要遵循的一般规律:在遵循保证废石场永久存放安全设计坡度和良性废石最小厚度的原则下,根据现场各时段的实际生产情况灵活选择在同一废石排放台阶安排某一类废石先排放的、可调整的分类分区排放施工断面。按照该规律进行断面设计并指导废石分类分区排放施工取得了良好的效果。目前,该废石场已完成95%的废石排放,很好地实现了废石场排废施工的环境保护目标,其可调整式分类分区排放施工断面设计的一般规律对类似工程具有积极的借鉴意义。

参与文献：

[1] 刘平旭,孟浩.莱比塘铜矿废石分区排放研究[J].采矿技术,2019,19(5):88-90.

[2] 田明,邹云丽,肖羚,等.山区公路弃渣颗粒组成与休止角的统计分组特征及工程应用[J].岩土力学,2022,43(增刊2):469-476.

[3] 冯辰晨,刘瀚泽.管线沟槽回填土密实度与自然沉降时间关系试验探究与总结[J].水利建设与管理,2016,36(10):35-39.

[4] 雅娜(Iana Rybnikova). 基于数学建模的反铲式液压挖掘机剥采比均衡方法研究[D].中国矿业大学,2021.

[5] 吉占华. 大型露天矿山合理开采境界及采场废石排放方案研究[D].河北大学,2013.