基于强度函数法的某排土场稳定性分析

2022-07-13吴五海丁成功

现代矿业 2022年6期

张雷吴五海丁成功

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.国家金属矿山固体废物处理与处置工程技术研究中心；3.江西铜业集团建设有限公司）

排土场作为矿山永久边坡将永续存在，并影响周边环境及建（构）筑物的安全［1］。排土场由于其排土工艺特点，散体物料在台阶高处自然滚落，呈现出明显的上下差异性，下部多为大块石，而边坡上部细粒土含量多，致使散体物料的宏观力学特性表现出强烈的不均匀性［2］。排土场散体物料在较高台阶上自然滚落堆积，通过不同台阶位置的试验，从台阶的上部到下部，散体物料的内摩擦角逐渐增加，而黏聚力不断减小［3］。但是在目前的排土场稳定性分析中，多采用统一、固定的排土台阶抗剪强度参数指标，并没有考虑到由于大段高排土、物料自坡顶到坡底自然滚落的排土工艺而带来的排土场顶、底部岩土体力学强度指标的差别，这样使得排土场稳定性分析结果不能真实地评价排土场安全状况。

在国内西南某钢铁矿业集团公司的采场东北帮扩帮工程中，扩帮后境界多采出矿石3 128万t，表外矿5 279万t，但需要多剥离岩石11 885万t，经研究拟在扩帮采场内建设内排土场，待建区域将于2022年闭坑，已形成深凹露天采场，封闭圈标高为1 270 m。采取内排工艺可以利用原采矿场地，不占农田、耕地和林地。但由于露天采场边坡高，设计采用了“上土上排、下土下排、就近分散”的原则，排土场单台阶段高为75 m，总体排土边坡高达375 m。排土场散体物料的分选与强度的差异性，在高台阶排土中尤为明显。在本次排土场稳定性分析中若采用传统的统一强度参数，则与大段高排土场的实际情况不符，得出的稳定性分析结果也不近客观与合理，不能指导下一步排土场设计与实施。

为了科学合理地进行本次排土场稳定性分析并指导下一阶段堆排设计，首先在场地内之前排放的75 m段高排土台阶上不同段高位置进行散体物料取样并进行室内三轴剪切试验，统计分析散体抗剪强度与排土场不同位置的函数关系。再利用强度函数法将各土条位置的不同强度参数用于计算排土边坡稳定性，以得到更合理的排土场安全状态评价结果。

1 排土场散体物料三轴剪切试验

在本次排土边坡稳定性分析研究中，重点对排土场堆积物料的物理力学性质进行了堆积物料岩石力学实验，从之前排放的75 m段高排土台阶边坡自坡顶到坡底依次取散体物料，在实验室进行4组三轴剪切试验。

本次三轴试验仪器采用了YS30-3B型应力路径三轴压缩试验机。YS30-3B型应力路径三轴压缩试验机适用于测定轴向应力σ1不大于20 MPa（总荷载1 500 kN）、周围压力σ3不大于4.0 MPa的粗粒土抗剪强度及其变形特性，见图1。

本设备能进行轴向应力、应变、周围压力、孔隙压力、试样体积变化、固结排水量等参数测试采用伺服控制变频计量油源方式完成轴向应力、应变和试样周围压力的油水转换加载控制，反向压力采用压缩气体和水压稳定施加。液压、气压控制系统集中安装在1台控制柜内。本设备具有水头压力、真空抽气、反向压力3种不同的方式对饱和试样的体积变化进行测量。

对于本次排土散体试样的固结不排水剪（CU）试验，试样饱和后即关闭排水阀，保持恒定围压，采用剪切速率2 mm/min不断增加轴压，并分别测记量力环读数、轴向变形和体变读数，直至试样破坏为止；根据实验结果采用回归原理及数学模型，编制源程序，进行统计分析，以三轴试验的每次数据为一组，对每组数据进行线性回归，得到三轴固结不排水试验有效应力强度的σ—τ曲线，见图2。

从试验结果可见，单个台阶边坡的散体物料由于在边坡上的滚落导致排土粒径的上下分选，所以散体黏聚力c在坡顶处数值最大，在坡脚处最低。与之相反的是内摩擦角φ在坡顶处数值最小，在坡脚处最大。经比较，在本次试验研究中黏聚力c在近坡顶处为20.9 kPa，在近坡脚处为9.5 kPa，强度差为2.2倍；内摩擦角φ在近坡顶处为30.4°，在近坡脚处为37.45°，相比坡顶强度值仅为坡脚的0.811倍。

2 散体物料抗剪强度函数曲线

根据c、φ随排土场高度的变化关系，拟合随排土场高度变化的强度曲线见图3、图4，图中H为排土场台阶高度，75 m；H1为取样点至所在的排土场台阶坡顶的高差，分别为距坡顶8.5，19.7，40.2，51.5 m。

从以上的试验结果可以看出，散体物料的抗剪强度（c、φ）随排土边坡不同位置的变化较为明显，黏聚力相比内摩擦角随高度变化更为明显。在本次稳定性分析中，采用排土体抗剪强度曲线模型，来模拟随排土场高度位置变化，代入排土体抗剪强度数值的不同。

3 基于强度函数法的排土场稳定性分析

3.1 排土场岩土体力学参数确定

利用GeoStudio系列软件边坡稳定性分析模块中提供的空间摩尔-库伦材料模型的强度函数，对抗剪强度随剖面标高的变化曲线进行拟合，其抗剪强度与排土场不同位置标高h的强度曲线见图5、图6。

根据该西南地区超高排土场的岩土结构特征，参考了该排土场以往工程勘察成果，确定了排土场稳定性分析计算所需的岩土体力学强度参数见表1。本次分析研究采用了《冶金矿山排土场设计规范》（GB 51119—2015）中推荐的Morgenstern-Price法，计算排土场边坡圆弧型破坏的稳定性。

3.2 排土场75 m段高单台阶稳定性复核计算

本次排土场稳定性分析首先进行了单台阶75 m段高的稳定性复核计算，台阶坡面角约38°，单台阶稳定性分析在其破坏模式与强度函数稳定性分析法上具备一定的代表性，计算结果见图7。

图8、图9为单台阶代入圆弧法计算的各土条散体强度参数，可见，参数并非单一均值，按照不同位置标高，严格参照了强度函数取值，这样的土条强度参数取值符合试验得出的规律性认识，更符合排土场边坡工程实际情况，得出边坡稳定性评价结果更为真实合理，且该排土台阶边坡安全系数为1.154，满足规范要求。

3.3 排土场整体边坡稳定性复核计算

本次稳定性分析排土场位于攀西地区，排土场为露天采场内部排土场，排土地基为中粒辉长岩，工程地质条件较好，排土工艺采取了覆盖式排土，单台阶段高75 m，排土场平台宽度为50 m，排土标高自1 150～1 525 m，排土场总高为375 m，总体排土坡面角约为28.9°，属国内大型二级排土场。由于采取的是自下而上的覆盖式排土工艺，这样每级75 m高排土台阶的散体物料皆存在着排土滚落分级，每级台阶分选基本一致。利用以上试验得出的强度函数，代入每级台阶，进行整体排土场稳定性分析，其分析结果见图10。

该排土场分为5个排土台阶，从图11、图12可见5个排土台阶的抗剪强度指标取值，其特点一是非单一取值；其二是取值在自下向上非连续性，在每级台阶平台处，由于覆盖式排土工艺的特点，存在着排土物料的非连续性。从这一点也更能说明采用基于强度函数法的排土场边坡稳定性分析，更符合排土工艺实际情况，其稳定性分析结果更为可信。

经上文强度函数法稳定性分析计算，由于整体排土边坡坡面角较缓，自然工况下整体边坡安全系数为1.405，大于排土台阶安全系数，且满足规范要求的大于等于1.20～1.25的最小安全系数，所以此次内排土工艺结构参数设计合理，排土场安全稳定性可满足采场内安全生产要求。