郝勇浙，刘跃忠，张飞，王昊，田睿

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头市 014010；2.内蒙古丰沃工程技术咨询有限公司， 内蒙古 呼和浩特市 010000)

矿山排土场易形成泥石流、滑坡等灾害[1]，随着露天矿山的开采向深部发展，排土场的堆排高度和容积越来越大，发生灾害的概率和严重度也随之增加[2]。排土场的滑动破坏，会严重威胁到边坡上部及下部采矿作业及安全生产的安全，还可能会造成巨大的经济损失及人员伤亡[3]。因此，无论从经济效益角度还是从安全生产角度，对露天矿排土场稳定性给予精确的评价并提出合理的治理措施显得异常重要[4]。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。本文考虑一个典型剖面在是否饱水和地震的几种工况下，采用GeoStudio岩土工程软件传统的极限平衡法对边坡稳定性进行了分析，分别采用Bishop法和Morgenstern-Price法对排土场现状进行了研究；在对现状排土场进行分析后，提出了分台阶允许局部滑坡的治理方案，提高了排土场的稳定性。目前对于排土场治理措施的研究方法主要为在排土场现状的基础上进行数值分析，结合现场实际情况，提出针对性的治理措施[5]。

1 排土场边坡现状

目前该矿每年排岩量约360万m2，排土场每5年高度增长约18 m。近10年排土位置处于排土场南部，最高标高1724 m，废石最大厚度约为74 m。

现阶段，排土场分为东西2个，2个堆场一路之隔。西排土场原地表北部标高约1679 m，南部标高约1650 m。西排土场分为1681，1692，1707，1724 四个平台。1666 m～1681 m 坡角为 55°～65°，1681 m～1692 m 坡角为 46°～56°，1692 m～1707 m坡角为 43°～53°，1707 m～1724 m 坡角为 43°～53°。未做坡面工程；东排土场原地表北部标高约1661 m，南部标高约1649 m。分为 1661，1668，1680，1706，1715，1720 六个平台。1661 m～1668 m坡角为 43°～53°，1668 m～1680 m 坡角为 38°～45°，1680 m～1706 m 坡角为 43°～53°，1706 m～1715 m坡角为32°～40°，1715 m～1720 m坡角为32°～40°。北坡坡面工程覆土厚度为20 cm～50 cm，南坡未做坡面工程。为满足矿山安全生产的需要，石宝铁矿对排土场北坡进行了削坡处理，处理后的排土场北边坡与采坑南帮边坡连成整体，排土场北坡东部坡脚偏大，且安全平台宽度偏小。

排土场剖面地层岩性按成因及岩性的不同分为3层：

（1）碎石（Q4ml）：碎石土，直径为0.1 cm至30 cm的碎石块为混砂土，近5年堆填，稍湿，呈松散—稍密状态。其层厚约7 m，层底标高为1702.37m～1711.09 m。

（2）碎石（Q4ml）：碎石土，直径为0.1 cm至30 cm的碎石块为混砂土，5～10年前堆填，稍湿，呈中密状态。其层厚约18 m，层底标高为1684.37 m～1693.09 m。

（3）碎石（Q4ml）：碎石土，直径为0.1 cm至30 cm碎石块为混砂土，近10年前堆填，稍湿，中密～密实状态。其层厚约35 m，层底标高为1650.05 m～1679.50 m。

由相关生产勘察报告可知，F12、F18断层产状及位置，因 F12、F18断层投影到本次剖面图后距离本次研究不利区域及地层很远，故本次计算暂不考虑F12、F18断层这一因素。

2 排土场防治方法

露天排土场治理方法通常有3种：第一种是削坡减载，降低坡角，通过开挖边坡上部碎石降低边坡角，并将块度较大的石块放置于坡脚处以增加边坡的抗滑动能力；第二种是加筑人工阻挡物，如挡土墙、抗滑桩等；第三种是通过在软弱层添加力学性质较好的岩石的方式以此来增加其抗滑能力[6-9]。由于本排土场之前有序排土，为等厚土层，其软弱层分布均匀，一般排土场经过长期堆排，采用人工加固的方法不仅成本高，且施工困难[5]。因此， 石宝铁矿排土场边坡防治措施应采取上部减重、增加台阶个数、减缓边坡角、疏干排水与内排工程相结合的综合措施。

3 排土场边坡稳定性分析及治理措施

3.1 初始状态下排土场边坡稳定性分析

此次分析选取排土场南部剖面，台阶上部有鳄式破碎机，一旦滑坡会造成机器损毁或人员伤亡，加之降雨对排土场的侵蚀，使得南部排土场边坡的稳定受到威胁，地质模型见图1。

图1 地质模型剖面

如图1所示，剖面处台阶高度为60 m，台阶剖面角为41°，土层分为3层，从上至下土层厚度分别为7 m，18 m，35 m。

排土场堆积物以矿山生产剥岩的废石为主，黄褐色～灰黑色，呈干～稍湿、稍密～中密状态。结合现场工程地质调查、已有地质资料以及文献资料[10-12]，选取计算模型的力学参数见表1。

表1 物理力学参数

依据项目所处排土场周边环境和地质条件，采用GeoStudio岩土软件进行建模分析，计算自然条件下和饱和地震条件下的排土场稳定性系数，研究其排土场边坡的稳定性变化情况。计算结果见图2～图3。

图2 计算剖面自然状态下计算结果

根据《构筑物抗震设计规范》（GB 50191—2012），达尔罕茂明安联合旗抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05 g。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）确定该排土场边坡安全等级为三级，排土场南部边坡Fst=1.15，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）中边坡稳定性划分见表2。

根据表2可知，计算剖面边坡在正常条件下的稳定系数高于1.15，处于稳定状态，在饱和地震状态下的稳定系数低于1.15，处于不稳定状态，发生滑坡，需要进行削坡减载，降低最终边坡角来提升边坡稳定性。

图3 计算剖面饱水和地震状态下计算结果

表2 边坡稳定性划分

3.2 削坡减载后的排土场边坡稳定性分析

为了项目安全生产的需要，根据上述计算结果，需要对计算剖面边坡进行相应的治理。结合石宝铁矿排土场实际情况，采用分台阶削坡减载降低边坡角的治理方案。

考虑最小安全平台为5 m，选择在平台宽度b=8 m的情况下，计算2种工况下饱和地震状态下的边坡稳定性。削坡后的地质模型见图4。其台阶参数H1=H2=30 m，台阶边坡角为41°，最终边坡角为38°。其计算结果见图5。

图4 削坡后地质模型剖面

由图5可知，在饱和地震状态的工况条件下，其计算排土场边坡在上部台阶存在滑坡的风险，但其整体稳定性良好。

图5 计算剖面饱水和地震状态下计算结果

3.3 治理措施

根据上述计算得知，排土场边坡在削坡减载后的饱和地震状态下的整体稳定性属于基本稳定状态，但上部台阶存在滑坡风险，仍需进行进一步治理，所以提出允许局部滑坡的治理措施。由于基本稳定的上部台阶允许垮落，且其滑落体对下部台阶的边坡稳定性不产生影响，这就要求安全平台有足够的宽度承接上部垮落的岩石而不影响下部台阶边坡稳定性。

根据分析计算，上部台阶边坡滑坡后形成的堆积体在安全平台上堆体宽度为8 m。考虑最小安全平台为5 m，综合考虑其平台宽度为15 m，图6为滑坡后边坡模型图。其计算结果及分析见图7～图8。

图6 滑坡后边坡模型

由图7可知，允许上部台阶局部滑落后边坡稳定性在饱水和地震状态下达到稳定。

根据图8可知，在饱水和地震状态下的初始状态边坡处于不稳定状态，经削坡减载后，安全系数有所提升，但依然存在滑坡的风险，在保证留有5 m安全平台的基础上允许滑坡后，边坡稳定性系数在1.15以上，满足安全生产要求，并提高了边坡稳定性。

图7 允许滑坡后边坡饱水和地震状态下计算结果

图8 两种方法在饱水和地震状态下的边坡稳定系数

4 排土场边坡监测

露天排土场边坡稳定性十分重要，一旦边坡失稳破坏，将严重威胁工作面的人和设备安全。为及时掌握边坡稳定性情况，设计并建立地表监测系统进行边坡变形监测[13]，以实时掌握剥采过程中边坡的稳定性状态，这些对于避免滑坡灾害的发生具有重要意义。

（1）位移监测。边坡从受到力的作用变形到最终破坏，通常要经历一个相当长的演化过程。边坡失稳的发展过程，往往伴随着一系列边坡地表、地下的宏观与微观变形现象，包括边坡地表的位移、地面裂缝的出现和发展、地下滑动面的形成等，通过位移监测，可实时掌握这些现象的发生发展过程。

（2）边坡监测管理措施。项目应成立边坡管理小组，选派技术人员或有经验的工人专门负责边坡监测和管理工作。边坡监测工作主要是建立边坡监测管理系统，定期进行地表、地下位移监测，加强生产现场管理，加强工作面水的管理，如发现不按设计施工或违反规定以及出现滑坡险情时，应及时处理。边坡监测或现场检查有重大滑坡征兆等紧急情况时，边坡管理人员有权停止有滑坡险情或险情危及区域的生产或施工作业，并向矿山负责人报告，以保证生产安全。

5 结语

本文通过对包头市某露天矿排土场南部边坡的稳定性进行研究，得出以下结论：

（1）依据项目所处排土场周边环境和地质条件，根据计算结果得出，计算剖面边坡在正常条件下处于稳定状态，在饱水状态和地震状态下处于基本稳定状态；

（2）在建模分析之后，由于在饱水和地震状态下的排土场边坡存在安全隐患，并在削坡减载后采取允许滑坡的边坡治理手段，为其他类似边坡提供参考；

（3）在进行安全分析计算的同时，还应加强对该边坡的实时监测，及时掌控边坡的位移变形数据，以确保排土场边坡的稳定安全。