王 瑞 王永增 陆占国

(鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿)

目前，我国露天矿排土作业的薄弱环节是高台阶排土场稳定机理研究不够，因此不能结合排土工艺采取相应的稳定治理措施。露天矿排土工艺和设备比较单一，与国外先进技术相比，我国露天矿排土场单位面积堆置容量低、排土效率低、占地面积多、排土场复垦率低［1-4］。排土场地基的表土层承载力、极限堆放高度等相关因素是国内外研究机构研究的方向［5-6］。虽然我国曾组织过高台阶排土工艺重点科技攻关，支持开展了重大工程科研工作，使露天矿的排土技术取得了长足的发展，在一些领域已具有世界先进水平，有力地促进了露天铁矿生产，但反过来为排土工程提出了新的要求。我国的大部分露天矿进入深凹开采，露天矿年生产矿石已超过亿吨，而开采条件越来越恶劣。随着土地资源的紧张，土地价格上涨，环保要求的提高，对露天矿的排土工作提出了更高的要求，所以加强露天矿排土工作的优化研究，对达到减少费用、增加稳定、保护环境的目的具有现实意义。

本研究以齐大山铁矿的工程地质资料为基础，并结合排土场勘察设计等相关资料和说明，对齐大山铁矿现有的排土场的堆置参数进行优化，并对排土场进行稳定性分析，以更合理地利用排土空间，增加排土容量，减少占用土地，节约矿山经营成本。

1 排土场参数的优化方法

以往由于对排土场的研究深度不够，排土场的设计往往偏于保守，很多排土场的潜力没有充分发挥，排土效率较低。另一方面在过去排土场建设中忽略了排土场基底的工程水文地质调查和排弃物料的力学性质研究，对软弱地基、地下水等不良地质条件缺乏认识，一些排土场存在着安全隐患。近些年来，随着排土技术研究的不断深入，对排土场稳定性机理的认识也由浅入深不断发展，许多切实可行的滑坡防护措施在矿山得到应用，为矿山采用高台阶排土提供了技术保证，加之随着大中型矿山进入中后期开采，普遍存在排土场容量不足的问题，需要通过排土参数的合理优化，对老排土场进行增高扩容。排土台阶高度(包括单台阶高度和排土场总高度)、台阶坡面角和安全平台宽度是排土场主要的参数，都与排弃岩土的种类和稳定性条件及排土工艺方式有着密切关系。在排土工艺方式和排弃岩土种类一定的情况下，则稳定性条件决定了台阶高度，台阶坡面角以及安全平台宽度的取值。因此排土参数的优化可以看作是以安全系数为评判标准，对排土台阶高度、台阶坡面角及安全平台宽度的优化过程［7］。

2 极限平衡法原理

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。随着计算机的出现和发展，又出现了一些求解步骤更为严格的方法，如Morgenstern－Price法、Spencer法等。本次稳定计算采用Morgenstern－Price法来确定边坡的安全系数。

该方法的特点是考虑了全部平衡条件与边界条件，这样做的目的是为了消除计算方法上的误差，并对Janbu推导出来的近似解法提供更加精确的解答。对方程式的求解采用的是数值解法(即微增量法)，滑面的形状为任意的，安全系数采用力平衡法［8-10］。

3 排土场边坡参数优化

运用极限平衡法，以安全系数为标准，在保证稳定的前提下选取内排土场的参数方案，最后通过比较容积的大小，确定最终的方案。岩土体的物理力学参数见表1。

表1 排土场边坡稳定性计算参数

3.1 单台阶角度的确定

本次计算选用GeoSlope软件进行齐大山铁矿排土场边坡稳定性分析，分别计算当边坡台阶高度为30 m，边坡角度为30°、32°、34°、36°、38°和40°时的单台阶稳定性。边坡角度34°时稳定性计算示意图见图1，得到各边坡角度下的安全系数见图2所示。

由于排土场下游无人居住，没有重要的设施，过高的安全系数既不经济也没有必要。在保证矿山安全生产的前提下，可采用较大边坡台阶角度38°进行排土，在排土场破坏后容易产生严重后果区段增大边坡稳定性安全储备，采用边坡台阶角度34°进行排土。

图1 边坡角度34°时稳定性计算

图2 边坡安全系数随边坡角度变化

3.2 单台阶高度的确定

对于排土场边坡来说，在保证排土场边坡稳定的条件下，加大排土场的高度无疑将大大增加排土场的排土能力，将创造巨大的经济效益。在坡面角一定的情况下，排土场边坡的稳定主要是由台阶高度，岩土的物理力学性质等因素决定的。下面分别计算当边坡角为34°和38°，台阶高度为10、20、30、40和50 m时的单台阶稳定性，得到的安全系数如图3所示。

图3 边坡安全系数随台阶高度变化

由图4可知:边坡随着台阶高度的增高，安全系数迅速减小;台阶边坡角度越大，安全系数随高度变化的速率越大。因此当采用38°边坡角时，建议选用台阶高度30 m;采用34°边坡角时，建议选用台阶高度40 m，保证整体边坡安全。

3.3 安全平台宽度的确定

由于齐大山铁矿排弃物料的性质相对较差，不能采取单台阶全段高排土的方式，只能采取覆盖式多台阶排土法。一般来说，安全平台较大，排土场稳定性高，受容能力小;安全平台较小，排土场稳定性差，受容能力大。合理的安全平台宽度，既能保证下部台阶的安全生产，也能为上部台阶的稳定创造条件。对边坡角34°，高40 m，边坡角为38°，高30 m的单台阶分别设置20，30 m的安全平台，建立模型，算出其安全系数，见表2。由于需要算出组合台阶的安全系数，台阶的总高度取接近于排土场规划设计的最大高差180 m。

表2 排土场堆置方案

表2中4个方案在符合稳定性的要求和排土场的总高度一定的情况下，排土场的总体边坡角越大，所能容纳的废石量越大，结合安全系数值建议排土场的参数方案为第二方案，即台阶坡面角34°，台阶高度40 m，平台宽度30 m。

4 结论

在不考虑地下水、地震等外界影响因素作用的情况下进行齐大山铁矿排土场边坡参数优化，采用建立不同台阶坡面角、单台阶高度以及安全平台宽度的排土场模型进行稳定性分析，计算采用Morgenstern－Price法在所有工况下具有良好的计算精度，未出现不收敛情况。通过适当减缓单台阶边坡角，增加单台阶高度的方法，确定了排土场参数的最终取值为坡面角34°，安全平台宽度30 m，台阶高40 m，增加了排土场的容积。

［1］ 李小春，任 伟，王少泉，等.论金属矿山排土场设计规范中边坡极限平衡计算方法的选取［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(2):4136-4142.

［2］ 《采矿手册》编辑委员会.采矿手册:第3卷［M］.北京:冶金工业出版社，1988.

［3］ 古德生，杜炜平.土场环境灾害的控制技术［J］.中国环境科学，2001，21(1):93-96.

［4］ 徐永刚.影响排土场边坡稳定因素的探讨［J］.中国矿业，2000 (9):72-73.

［5］ 张海峰.马耳岭Ⅱ号排土场稳定性分析［J］.本钢技术，2005 (2):1-4.

［6］ 黄 敏.永平铜矿西部排土场边坡稳定性分析［D］.长沙:中南大学，2008.

［7］ 黄广龙.露天矿排土参数优化的研究［J］.金属矿山，1995(9): 23-27.

［8］ 黄梦宏，丁桦.边坡稳定性分析极限平衡法的简化条件［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(12):2530-2536.

［9］ 陈革强.刚体极限平衡法浅析［J］.海河水利，1998，3(2):16-18.

［10］ 张永乐，周玉新.永平铜矿西部排土场排土方案及其稳定性分析［J］.金属矿山，2008(4):126-128.