王婉青，杨 溢，陈 印，李凌峰

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

排土场堆置参数优化及稳定性分析

王婉青，杨 溢，陈 印，李凌峰

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

以某矿山为背景，在增加排土场容量和保证边坡稳定性的前提下对排土场堆置参数进行优化设计，利用3DM ine软件对优化后的排土场进行建模，并利用Slide软件对排土场的两个典型剖面进行稳定性分析，最终得到最佳的排土场堆置参数:排土场第一台阶高度为10 m，其余台阶高度为20 m，台阶总高度250 m；最小工作平盘宽度第一台阶50 m，其他台阶55 m；台阶坡面角30 （o），最终边坡脚15 （o），排土场容量2.07×108 m3，较以前增加3.1×107 m3；通过bishop法和janbu法对两个剖面进行稳定性分析，分别得出边坡安全系数A-A'剖面1.319、1.265，B-B'剖面1.389、1.347，均大于1.15，设计参数合理可靠。

排土场；堆置参数；稳定性分析；安全系数

0 前 言

增大排土场的废石堆排量成了几乎所有矿山的追逐目标。然而随着排土场容量的增加，排土场高度也不断增加，这无疑增加了边坡失稳的风险［1-2］。因此在保证排土场边坡稳定性的前提下，优化排土场参数，增加排土场容量，对矿山来说具有非常重要的意义。

对此许多专家及学者对排土场参数的优化进行了不同方法和角度的研究。任红岗等［3］有效利用地形优势增强了排土场稳定性；罗阳华等［4］认识了不同堆置方式时空效应对排土场稳定性的影响；周杰等［5］考虑到黄土基底排土场固有特性，在满足排土工艺及稳定性要求的前提下确定台阶高度和平盘宽度，然后通过对组合台阶及边坡总体的稳定性进行循环分析，逐步优化排土场的排土参数。郭成等［6］应用HH-SLOPE软件分别计算排土场在不同台阶高度和平台宽度下的边坡稳定性安全系数，并运用Matlab软件对台阶高度和安全系数及平台宽度和安全系数进行回归计算，逐步优化排土场的堆置要素。汪勇［7］从安全与经济相结合的角度，建立起了确定露天矿排土场合理台阶高度的稳定性分析模型，并通过开发应用软件确定了凤凰山铜矿金牛露天采场排土场合理台阶高度。总的来看，目前排土场堆置参数的优化主要基于边坡稳定性和提高排土场容量。本文通过查阅相关的排土场设计手册对排土场堆置参数进行优化，并运用3Dmine软件对排土场进行数值模拟，计算出排土场释放容量的大小，最后利用Slide边坡工程软件对排土场两个典型剖面进行安全系数的计算，既增加了排土场容量，又使安全系数在安全范围内。

1 工程概况

该矿山是云南省某大型露天矿山，年产量480万t，平均剥采比0.876 m3/t，排土场位于露天矿南部境界外，小龙潭盆地南部沟谷中，主要由南洞沟组成，利用沟谷进行排土。底部境界距离现采场地表境界约3.0 km，地表境界范围标高1 200 ～ 1 500 m，东西长约3 km，南北宽约1.03 km，面积近3.07 km2，最终排弃高度300 m，排土场最终边坡角15 （o），排土台阶坡面角30 （o），最终平盘宽度20 m，排土台阶高度10 m。流域汇水区范围山顶呈浑圆状，最高点老尖山高程1 878 m，最低点南洞沟沟囗高程1 190 m，相对高差688 m。该区域地震烈度为5 （o），地形坡度一般10 （o） ～ 15 （o）。洞沟谷流域内泉水点出露较多，为常年流水沟，旱季由泉水补给，雨季汇集地表水流，该沟属壮年—老年期沟谷，处于基本稳定状态。

目前该排土场先采用的排弃方式为自卸汽车—推土机排弃方式，台阶高度10 m，排弃总高度210 m，工作平盘宽度20 m，台阶坡面角30 （o），最终边坡角15（o）。然而现今该矿山正在进行扩建，将年产量从480万t提高至650万t，因此对于排土场容量的需求也加大，基于此，本文将在满足矿山剥离需求的情况下，优化排土场堆置参数，增加排土场实方容量。

2 排土场参数确定

排土场排弃物料主要为第四系表土和泥灰岩，二者比例约为1∶4，排土场基底存在大约0 ～ 20 m的软弱层，软弱层之下为基岩岩组层，在现场进行原位大剪实验得出混合排弃物料的力学参数，如下表1所示。

表1 排土场物理力学参数

根据表1计算出排土场台阶高度、极限堆高、工作平台宽度。

2.1 确定堆置极限高度

随着排土作业的进行，当基底处于极限状态，失去承载能力，产生塑性变形和位移时，计算排土场极限高度的公式为［8］：

式中 H2——排土场极限高度，m。

C——表土层粘结强度，74 kPa；

φ——内摩擦角，取38.8（o）；

γ——排土场物料的容重，由平均取样为1.89t/m3。

因此，排土场设计总高度不得大于259.9 m，本文取250 m。

2.2 确定排土工作平台宽度

根据排土场运输车辆的长度、转弯半径和后桥中心至排土台阶边线距离确定合适的排土场工作平台宽度，依据排土场设计规范，最小排土平盘宽度组成如图1所示。

最小工作平盘计算公式：

式中 A——排土平盘宽度，m；

C——大块石滚落距离，当台阶高度为10 m

时C取15 m，当台阶高度为20 m时C取20 m；

图1 最小排土平盘宽度组成

R——自卸汽车转弯半径，9.4 m；

L——自卸汽车的长度，7.3 m；

F——自卸汽车后桥中心至排土台阶边线距

离，为1 ～ 2 m，这里取2 m。

把上述数据代入公式计算可得：

台阶高度为20 m时，平台宽度为：A = 20 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 55.40 m，这里取55m；

台阶高度为10 m时，平台宽度为：A = 15 + 2 ×（9.4 + 7.3） + 2 = 50.40 m，这里取50 m；

根据计算可知排土工作平台为第一台阶50 m，其余台阶55 m。

2.3 确定其他参数

依据采矿设计手册［9］，由排土物料的类型及相似矿山的经验值确定排土场台阶高度为20 m。然而对于排土场第一台阶来说，由于他是之后所有排土台阶的基础，因此高度取值应相对保守些，参照《有色金属矿山排土场设计规范》规定［8］，为了安全考虑这里取10 m。基于《露天采矿手册》［10］的规定，排土台阶坡面角应与排弃物料自然安息角相等，由于该排土场的排弃物料为泥灰岩，其自然安息角为30 （o），因此确定台阶坡面角为30 （o），最终边坡角确定为15（o）［8］。

3 排土场容量计算及边坡稳定性分析

3.1 排土场容量计算

依据排土场堆置参数的计算结果，利用3Dmine矿业工程软件对排土场地表及排土台阶进行数值模拟，并且利用排土场台阶块体模型实现了对排土场每个台阶实方容量的计算，见表2。排土场总容量为2.07×108 m3，比排土场原设计的容量1.76×108 m3增加实方容量3.1×107 m3。

3.2 基于Slide软件的边坡稳定性分析

3.2.1 Slide软件简介

Slide 边坡工程软件是由加拿大 RocScience 公司研制开发的，是一个能用来计算岩石或土质二维边坡的软件，该软件的应用是建立在极限平衡上的竖向条分法（如Bishop、Janbu、Fellenius等方法）来搜索边坡的最危险滑面，并计算出这个滑面的安全系数，该软件非常便于操作应用，即使复杂的模型也可以迅速简便的建立和计算分析；外界荷载、地下水、支撑物都可以用不同的方式模拟［11-12］。

表2 3Dmine台阶块体模型报告结果

3.2.2 边坡建模

依据排土场建模结果，为确保排土场整体稳定性计算结果合理可靠，本文将选取排土场临空面最长、地基最陡、负荷相对较大的两个断面作为典型的剖面进行稳定性分析，若这两个剖面安全系数均在安全范围内，那么则可以判定此排土场其他边坡也处于稳定状态，具体剖面位置见图2。

图2 排土场剖面位置示意

利用Slide软件摩尔库伦模型对A-A'剖面和B-B'剖面进行建模，建模基本数据为本论文的优化参数，第一台阶高度10 m、其他台阶高度20 m、台阶坡面角30 （o），最小工作平台宽度第一台阶为50 m，其他台阶为55 m，排土场堆置总高度为250 m；由地质报告可知该排土场地表软弱层存在厚度为0 ～ 20 m之间，本次建模选用平均值10 m；利用以上参数完成的建模结果分别如图3～4所示。

图3 A-A'剖面建模示意

图4 B-B'剖面建模示意

3.2.3 稳定性计算结果分析

通过边坡建模，对边坡各个排弃物料依照表1进行内摩擦角和凝聚力赋值，由于该地区地震烈度为5 （o），参照《中国国家地震烈度表》的烈度地震峰值加速度为0.31 m/s2，即重力加速度的0.031倍，选用常用的边坡稳定性计算方法，bishop法和janbu法对两个剖面进行稳定性分析，搜索出潜在的最危险滑面并计算出该滑面的安全系数，结果如图5 ～ 8所示，并整理数据如下表3～4所示。

图5 A-A'剖面bishop法计算结果

图6 A-A剖面janbu法计算结果

图7 B-B剖面bishop法计算结果

图8 B-B剖面janbu法计算结果

表3 A-A'剖面安全系数计算结果

表4 B-B'剖面安全系数计算结果

由表3～4数据可知，bishop法计算结果略大于janbu法计算结果，为边坡稳定性分析考虑，安全系数取较小的数据作为最终判断依据，则A-A剖面最小安全系数为1.265，B-B剖面最小安全系数1.347。参照《有色金属矿山排土场设计规范》规定，该排土从经过参数优化后为一级排土场，在《金属非金属矿山排土场安全生产规则》中指出，一级排土场安全系数应大于1.15［13］，以上计算结果均大于1.15，证明排土场参数是合理可靠的。

4 结 论

利用极限高度验算公式得出排土场极限高度不得大于259 m，本文为实现排土场容量接近最大化选取总高度250 m，依据排弃物料力学特性并结合同类型排土场的经验值确定排土台阶高度：第一台阶10 m，其余20 m，通过台阶高度和矿山运输汽车尺寸确定最小工作平盘宽度为第一台阶50 m，其余55 m。根据排弃物料力学性质确定排土场台阶坡面角为30 （o），最终边坡脚15 （o）。

利用3Dmine软件对排土场进行参数优化后的数值模拟，从而实现了对排土场实方容量的计算，最终得出排土场总容量为2.07×108 m3，比排土场原先设计的容量1.76×108 m3增加实方容量3.1×107 m3。

利用Slide软件对排土场两个典型剖面进行安全稳定性验算，最终得出A-A剖面最小安全系数为1.452，B-B剖面最小安全系数为1.544，以上数值均大于排土场设计规范的最低要求1.15，因此优化参数合理可靠。

［1］ 李跃， 杨永生， 毛权生， 等. 基于三维地质模型的排土场边坡整体稳定性探究［J］. 岩石力学， 2013， 34（z1）： 533-539.

［2］ 李伟. 露天煤矿排土场边坡稳定性分析与治理技术［J］. 煤炭科学技术，2014， 24（10）： 37-40.

［3］ 任红岗， 谭卓英， 孙文杰. 复杂地形条件下排土场优化设计及综合治理措施［J］. 矿冶， 2016， 25（1）： 17-21.

［4］ 罗阳华， 简文彬， 李宏达， 等. 基于堆置效应的排土场稳定性分析［J］.有色金属（矿山部分）， 2016， 68（1）： 89-93.

［5］ 周杰， 马丕梁， 李绍臣， 等. 黄土基底排土场排土参数的优化［J］. 煤矿安全， 2012， 43（9）： 40-43.

［6］ 郭成， 马萃林. 露天矿排土场堆置要素的优化［J］. 金属矿山， 2011，（1）：42-45.

［7］ 汪勇. 露天矿排土场合理台阶高度的确定［J］. 金属矿山， 2004，（2）： 24-26.

［8］ 中国有色金属工业协会.有色金属矿山排土场设计规范［M］. 北京： 中国计划出版社， 2007，（7）： 12-14.

［9］ 北京有色冶金设计研究总院.采矿设计手册（第二册）矿床开采卷上［M］. 北京： 中国建筑出版社， 1987： 426-431.

［10］ 中国矿业学院.露天采矿手册（第四册）其他运输及联合运输·排土·水采·工艺［M］. 北京： 煤炭工业出版社， 1988.

［11］ 倪彬， 张伟， 刘晓明. 基于Slide的露天釆场边坡稳定性分析［J］. 中国矿山工程， 2013， 42（6）： 28-31.

［12］ 普兴林， 陈玉明. 基于SLIDE的尾矿库坝体稳定性分析［J］. 中国非金属矿工业导刊， 2015，（2）： 54-58.

［13］ 国家安全生产监督管理总局. 金属非金属矿山排土场安全生产规则AQ2005-2005［S］.

Parameter Optim ization and Stability Analysis of Waste Dump

WANG Wanqing，YANG Yi，CHEN Yin，LI Lingfeng
（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

This paper takes the background of a m ining enterprise ， In the prem ise of increasing the capacity of the waste dump and ensuring the stability of the slope， optim izing the parameters of the waste dump ，3DM ine software is used to model the optim ized dump site， and Slide software is used to analyze the stability of two typical prof les of the dump， fnally get the best parameters of the waste dump :the f rst step height is 10 m，the rest steps height are 20 m，the totally height of steps is 250 m； the m inimum working Berm Width of f rst step is 50 m， other steps are 55 m；the angle of bench slope is 30 （o）， and the angle of ultimate slope is 15 （o），the capacity of waste dump is 2.07×108 m3than the previous increase of 3.1 x 107 m3；Stability analysis of two sections by Bishop and Janbu. Parameter optimization and stability analysis of dump siteIt is concluded that the slope safety factor of A-A' section are 1.319、1.347 respectively， and the safety factor of B-B' section are 1.389 and 1.347 respectively， both of which are great than 1.15，and the design parameters are reasonable and reliable.

Waste dumpf；Stacking parameters；Stability analysis；Safety factor

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.015

2016 - 04 - 29

王婉青（1992-），女，在读硕士研究生，研究方向：安全技术及工程专业，手机：15808883250，E-mail：514347757@ qq. com；通讯作者：杨溢（1965-），博士，教授，研究方向：岩土及爆破工程，E-mail：kggtyy@163. com.