杏山铁矿北排土场减载优化设计*

宋志飞 辛晓平 孙世国 徐秀鸣

（北方工业大学建筑工程学院）

杏山铁矿北排土场减载优化设计*

宋志飞 辛晓平 孙世国 徐秀鸣

（北方工业大学建筑工程学院）

杏山矿北排土场下部有重要的工业广场，为了保证排土场的绝对安全，杏山矿北排土场需要进行减载，并确定最佳的减载方案。应用滑移场理论、数值模拟方法、极限平衡分析等方法进行了系统的研究和评价，并得到了相关的优化减载方案。最后得出了排土场在常规条件和饱和条件2种工况时的稳定性结论。结果表明，减载后排土场稳定性显著提高。

排土场 数值模拟 极限平衡 稳定性

为了确保排土场与工业广场重要建筑物之间的安全距离大于2倍的堆高，杏山铁矿北排土场进行了一期减载，排土场高度降低了30～50 m不等，从而有效地降低了排弃物自重荷载的作用；从减载过程中已揭露出来的废石土固结情况来看，已排放了15 a的排弃物处于较好的固结状态，整体成岩与普通碎裂岩体类似，堆排的废石土已处于稳定状态；但考虑到其下部有重要的工业广场，需要保证排土场的绝对安全，因此需在保证排土场安全条件下确定最佳的减载方案。

1 杏山铁矿北排土场概况

首钢矿业公司杏山铁矿由露天转为地下开采过程中，由于北排土场与新建地面工业广场最近距离为28 m左右，排土场排放标高130.0～264.6 m，自然山坡坡度11°～20°。高度134.6 m，分为3个堆置平台，安全平台宽度20 m，边坡堆积物自然安息角在38°左右。

由于排土场已排放几十年、排弃物已基本固结稳定。另外，考虑到目前排土场上部平台宽度比较大，从坡脚至排土场最高点连线坡角为13°左右，整体坡角比较缓，所以控制排土场前缘边坡的稳定性，就可以保障排土场的安全。典型排土场工程地质分布剖面图见图1。

图1 排土场B－B剖面（标高单位：m）

2 减载方案的确定与稳定性分析［1-4］

2.1 参数选择

通过室内实验，得出各岩层的物理力学指标如表1、表2所示。

表1 常规条件下排土场各岩层物理力学指标

表2 饱和条件下排土场各岩层物理力学指标

2.2 基于滑移场理论的减载优化设计

最佳方案的确定方法：在减载方案的优化中，将考虑2种工况条件，即常规条件下和饱和条件下排土场的稳定性。采用4种常用的边坡稳定性评价方法，然后取稳定系数最小的数值作为边坡评价是否稳定的依据，应用临界滑移场理论和方法分别对不同角度条件下排土场边坡稳定状态进行了优化设计和危险滑面的搜寻，最终得出：当坡角为19.2°时，满足4种工况条件下的边坡稳定性的要求。

优化设计后排土场B－B剖面工程地质条件如图2所示。

图2 减载优化设计后B－B剖面（标高单位：m）

2.2.1 临界滑动面搜寻

B－B剖面减载后常规条件下和饱和条件下的危险滑面搜寻如图3、图4所示。

图3 B－B剖面正常条件下临界滑面搜寻图

图4 B－B剖面饱和条件下临界滑面搜寻图

2.2.2 极限平衡方法分析

用极限平衡法分析计算得出减载后边坡的稳定系数，如表3所示。

由表3可以看出，2种条件下都能保证安全系数在1.15以上，说明减载后边坡处于安全状态。

表3 减载后边坡稳定系数

3 排土场稳定状态的三维数值模拟分析［5-7］

三维弹塑性数值模拟软件采用Midas／GTS。岩体安全状态采用摩尔库仑准则进行判别，对B－B剖面原始排土场边坡和最终减载边坡进行了数值模拟分析，以便研究减载前后排土场不同区域的应力场、应变场和剪切变形等力学属性的演变特点，分析其是否存在塑性破坏区、以及应力集中分布的特点，从而为正确分析和判别排土场的安全提供理论基础和决策依据。

3.1 原始排土场三维数值模拟分析

原始排土场边坡数值模拟模型尺寸为长579 m、宽100 m、高161 m。数值模型划分为32 300个单元、37 180个节点。原始排土场边坡三维数值模拟结果如图5至图7所示。

图5 原始排土场边坡最大剪应变分布色谱图

图6 原始排土场边坡X方向应力分布色谱图

图7 原始排土场边坡Y方向应力分布色谱图

从三维数值模拟结果来看，水平向最大拉应变主要集中在排土场边坡中上部。最大剪应变主要分布在排土场陡坡下缘，由此说明原排土场局部存在应力、应变集中现象。

3.2 排土场优化减载后三维数值模拟分析

优化减载后排土场整体坡角为19.2°，模型共划分为27 530个单元，31 933个节点。模拟结果如图8至图10所示。

图8 减载后边坡最大剪应分布色谱图

图9 减载后边坡X方向应力分布色谱图

图10 减载后边坡Y方向应力分布色谱图

3.3 减载前后排土场稳定性分析

从减载后边坡应力应变色谱分布图中可以看出，其应力分布特点是基本没有应力集中现象。水平方向拉应力最大值分布在排土场的中部下表面处，数值较小。最大剪应变主要分布在第一台阶下的基底分界面附近且数值比较小，与原始排土场相比降低了54.8%。因此，排土场前缘第一台阶的稳定性明显提升。同时，各个应力等值线分布比较均匀且近似平行线，说明边坡内部应力集中减小，降低了破坏的概率，从而可以确保整个排土场的安全与稳定。

通过排土场最终减载与原始排土场的应力及应变值对比看出，排土场后缘处X方向和Y方向应力值以及最大剪应变值变化均很小，说明最终减载对排土场后缘部分的各个应力及应变影响很小，因为最终减载位置位于排土场的前缘，所以对排土场后缘部分的影响比较小或基本没有影响。

综上分析可知，最终减载可以有效地减小排土场的应力及应变大小，减小破坏概率，确保排土场的安全与稳定。

4 结 论

（1）原始排土场边坡在边坡后缘存在应力集中现象，水平向拉应变值相对较大，是未来边坡安全的隐患，因此需进行优化减载。

（2）为了保证排土场的安全，需保证常规条件和饱和条件均满足排土场安全要求，最终确定排土场B－B剖面允许最大坡角为19.2°。

（3）减载最终使原始排土场边坡应力集中现象大幅度减缓，从而提高了边坡稳定性。

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Optim ized Design of Load Reduction for North Dum p of Xingshan Iron M ine

Song Zhifei Xin Xiaoping Sun Shiguo Xu Xiuming
（School of Civil Engineering，North China University of Technology）

In order to ensure the absolute safety of the bottom of northern Xingshan Iron Mine dump since below it there is an important industrial square nearby，it is necessary tomake load reduction and to determine the optimal load shedding scheme.The slip field theory，the numerical simulationmethod and the limitequilibrium analysismethod are applied to make the research and evaluation on the schemes，bywhich the optimal load shedding scheme is achieved.The stability conclusion under the normal condition and the saturation condition is obtained.The results show that the stability of dump increased significantly after load reduction.

Dump，Numerical simulation，Limit equilibrium，Stability

2013-06-22）

*国家自然基金项目（编号41202214，41172250），北京市科技新星计划项目（编号Z121106002512008）。

宋志飞（1980—），男，博士，副教授，100144北京市石景山区晋元庄路5号。