凹山排土场坡脚挖损后的安全评价及治理方案

时间：2024-07-28

洪振川王广成朱末琳陈树召韩流

（1.马钢（集团）控股有限公司南山矿业公司，安徽马鞍山243000；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116）

排土场是露天矿用于堆放剥离物或者尾矿等废弃物的场所［1-2］，其稳定与否直接影响到整个矿区的生产作业安全［3］。比如露天矿靠近端帮的排土场出现失稳，会影响到下部帮坡的安全和道路设备的正常布置；外排土场的稳定性将直接影响排土场容量设置以及后期排土工程的接续；内排土场的安全稳定会影响采场下部工作台阶的人员设备安全［4］。因此，对于露天矿而言，保证露天矿山的安全生产首先应保证其排土场在服役期间的安全稳定［5］。

1 凹山排土场现状

马钢（集团）控股有限公司南山矿业公司凹山排土场主要承担凹山采场、和尚桥采场土岩以及矿石预选粗粒尾砂的堆排任务。凹山排土场北侧边坡坡脚多处被挖损、取土，造成排土台阶边坡角增大，产生局部滑坡，见图1，坡脚排水沟局部被堵塞。目前排土场北部最上台阶标高+135 m，最下台阶标高+81 m，其间设置+115 m和+135 m 2个排土平台，台阶局部位置已实现并段排弃，并段后台阶高度10～45 m。排土场北侧与马鞍山市环卫向山垃圾处理厂垃圾填埋区仅一路之隔。排土场北侧坡脚处靠西头堆置有少量尾砂，尾砂堆高1～3 m。

为了确保凹山排土场的边坡安全，防止其对于周边地区和马鞍山市南山矿业公司的生产造成影响，应当采取相应的理论方法同时结合相关技术手段对坡脚挖损区域的边坡稳定性进行分析，并结合分析结果为排土场提供治理方案，避免发生重大边坡安全事故。

2 区域地质地形条件分析

2.1 排土场基底地质地形条件

凹山排土场地基地形地貌属剥蚀丘陵，地形地伏平缓，排土场四面环山，西临金山和殿安山，南部为徐山，东北部为大桥山。排土场基底地形基本呈北高南低，梯田、水塘、水库零星分布，北部低洼处标高约60～70 m，南部低洼处标高约30～40 m。场地内有零星小山头，高程在+60～80 m之间。场区内主要有4条沟谷，由北至南高程逐渐降低，西高东低，沟谷纵坡平缓，宽度较大，多呈“U”形沟。

排土场原沟谷和洼地部分分布有第四系冲击亚黏土及坡积物。基底内未见断层。地基岩体裂隙相当发育，以陡倾角裂隙为主，排土场基底地形平缓，层状堆排的排土台阶与裂隙垂直，因此由于节理裂隙造成的影响可以不用考虑。

2.2 排土场区水文地质条件

整治区属北亚热带湿润性季风气候，年平均降雨量1 174 mm，年平均气温为16℃，年最高气温39.5℃，年最低气温为-13℃。含水层方面，凹山排土场主要包括基岩裂隙含水层与孔隙含水层。

排土场范围内未见大量流水，且地形平缓。凹山矿区位于铜陵～扬州地震带西南段，小震活动比较频繁，有记录的最大地震是1967年7月11日发生于马鞍山的4.6级地震，震中烈度为6度，因此设计基本地震加速度值为0.05g。北东向的长江破碎带及北西向断裂带是区内的主要新构造，活动强度一般，区内应属较稳定区。

3 排土场稳定性分析方法

近年来，在边坡稳定性方面表现得较为科学有效的方法包括极限平衡法、有限差分法和有限元法［6-7］。尤其以极限平衡法最为突出，作为应用最多、认可度最广泛一种分析方法，极限平衡法在诸多边坡稳定性分析中得到应用。极限平衡法采用将抗滑力与下滑力作比或将抗滑力矩与下滑力矩作比，作比后得到的数值即为边坡稳定系数Fs，Fs的判别标准数值是1：大于1则判定边坡稳定，小于1则判定边坡将失稳，等于1时边坡处于极限平衡状态。经典的极限平衡分析法有Fellenius条分法、Bishop法、Janbu普通条分法、Spencer法、Sarma法等条分法。

根据极限平衡法的基本计算方法，将所要计算的滑体等分或者不等分地划分为多个垂直的计算分条，并假设每个计算分条上所受的所有力都通过分条底面的中点，通过计算每一分条上的抗滑力和下滑力对圆心的矩，并将所有的计算值分别求和后作比，得到该边坡沿该滑面滑动时的稳定系数，如图2所示。然后分别计算不同滑面圆心位置的稳定性系数，最后得到的多组数值中，最小的一组即为该边坡的稳定性系数。

采用Fellenius条分法计算滑体稳定系数Fs为：

式中，Fs为稳定性系数；C为土体的黏聚力，kPa；li为滑动面圆弧总长，m；Wi为第i条条块土体重力，kPa；βi为第i条条块底化面倾角，（°）；φ为土体的内摩擦角，（°）。

基于极限平衡分析原理，选择GEO-studio软件中的Slope模块进行稳定性分析。GEO-studio作为二维分析软件，在岩体工程上的应用效果良好，对于存在弱层、断层、含水量大等特殊位置的稳定性分析［8］，可以选择特殊位置的剖面进行针对性分析，Slope模块分析之后得到的Bishop法、Janbu法、Spencer法及Morgenstern-Price法的结果进行对比，选取较为合适且相对保守的稳定系数。在计算过程中，边坡整体结构可以直接导入软件中，方便快捷，准确度高。综合以上的基础条件，最终确定选择GEO-studio这款软件进行凹山排土场稳定性分析。

4 排土场岩体分层及物理力学参数分析

4.1 排弃物成分和特点

排土场尤其是金属矿山排土场排弃的物料主要为散体物料，凹山排土物料主要包括凝灰岩基岩、地基土，部分区域尚有少量尾砂。不同矿山之间由于地质条件、排土工艺等方面的差异使得矿山排土场内排弃物料的块度分布规律不尽相同。而在排土场稳定性计算及分析过程中，介质分区和力学指标的选取均受排弃物块度分布影响极大。从实际来看，无论采取推土机间断排土工艺还是排土机连续排土工艺，物料的自然滚落决定了大块物料被置于排土场底部，较小块的物料位于排土场中部位置，而小块物料则分布于排土场表层。这是排土场物料的基本分布规律。

排土场物料的分布规律决定了其力学性质主要表现为散体物料的特点，而散体物料的力学性质又多取决于原岩岩性、散体本身的块度及重度等参数。在采用相同爆破工艺情况下，坚硬岩石的粉碎程度较软岩表现得相对较弱，即硬岩多形成块度较大的破碎体，而软岩爆破后的块度则相对较小，因而通过分析散体块度组成可以得到其岩性构成。而对于排土场散体物料重度而言，其与块度有密不可分的关系：当松散体块度较为均匀时，其重度也相对较大。因此，决定排土场排弃物料力学特征的主要参数为松散体原岩性质及块度组成。

除此之外，松散物料在排土场堆载的时间不同［9-10］，受到堆载压力和水的影响，散体物料开始重塑胶结，强度也随着变化，这样就造成了排土场不同层位的岩性强度存在差异［11-12］。因此，如果将排土场作为均质边坡进行稳定性评价，则会造成评价结果不准确。为了保证排土场边坡稳定性评价的准确性，对排土场进行分层参数赋值就显得十分必要，其评价结果可信度也相对较高。

4.2 排弃场层位划分及力学参数确定

根据排土场的排土程序，按照高程从上向下依次划分为排土层1、排土层2和排土层3这3个层位，排土场下部为地基土，见图3。根据图3中的边坡结构可以进行排土场稳定性的评价。

根据排土场的排弃顺序和时间，将排土场划分为3个层位，每个层位和基底的物理力学参数指标如表1所示。

排土场物料力学性质、内部孔隙水压力、外部载荷以及其他多种因素均对排土场稳定性造成影响，但各个因素对于稳定性影响程度大小却不尽相同，理论研究及工程实践均反映出各因素之间存在主次之分。因此，在排土场稳定性分析过程中应抓住主要影响因素，将其余因素用作对分析结果的调整及验证，便能相对准确地得到排土场稳定性分析结果。

5 排弃场稳定性评价及治理方案

根据图3中的排土场边坡结构和表1中的力学强度指标，采用GEO-studio分析软件建立对应的排土场边坡模型，将排土场相关力学参数赋予模型中，最终得到排土场边坡稳定系数为1.023，见图4。

从评价结果可知，排土场目前的稳定性接近于极限平衡状态（Fs=1.0），受到其他荷载的影响，很容易形成滑坡。按照边坡设计规范，长期存在的边坡，其稳定系数应达到1.20以上。因此，需要对挖损的坡脚进行回填，起到压脚的作用，并对回填后的边坡进行稳定性评价，确定最佳的回填尺寸。回填区域由于是刚排弃的松散物料，因此，其力学参数按照排土层1的参数进行计算。不同回填宽度对应的稳定系数如图5所示。

根据以上不同压脚宽度对应的排土层稳定性分析结果，排土场稳定性与压脚宽度的变化规律拟合后的结果如图6所示。从图6可知，排土场稳定性随着回填压脚宽度的增长呈线性增长，拟合度较高。按照这一线性规律，排土场稳定性要满足不小于1.20时，回填压脚的宽度应达到15.9 m，按照这一宽度建立回填后的排土场边坡模型，并进行稳定性评价，得到此时稳定系数为1.201，见图7。

从上述分析结果可知，在排土场挖损区域的回填压脚宽度为15.9 m时，可以保证排土场达到安全标准，即Fs＞1.20。因此，可以确定最佳的回填宽度为15.9 m。