地下开采矿山排土场稳定性研究与实践

的技术参数，并据此进行排土场切方设计。
２）在上述四种工况时，如果排土场的稳定状态 均能满足稳定性要求，这种情况下对排土场进行优 化减载设计，可以保证即使小概率事件发生也可以 确保排土场安全。 ３）充分结合排土场现状，在满足坡面角和安全 平台要求的前提下，尽可能保留原运输公路，减少切 方量。 ４）减载设计综合考虑了排土场防排水工作的 要求，在各平台施工过程中形成３％的坡度，使得雨 水汇至斜坡道位置集中排出，避免雨水冲刷坡面。 ５）在总安全平台宽度不降低、不影响最终坡面 角的前提下，安全平台按照７ ｍ和１６ ｍ交错布置， 避免个别坡面坍塌并段导致总体坡面不稳定。 ３
万方数据
・１６・
矿
冶
２主要技术要点
１）通过滑移场理论、数值模拟方法、极限平衡 分析法等进行系统地研究和评价，得出排土场稳定
２）工程量减少，工期大幅度缩减 该排土场原设计减载８６０万ｍ３，至２０１２年７ 月末已经切方３８０万ｍ３，按原设计需要再切方４８０ 万ｍ３。按原设计预计至２０１４年２月完成全部施
１．１开展岩石力学试验
合体、碎石土等的大型直接剪切试验，获得抗剪强度
参数。在某北排土场按照１００
ｉｎ×１００
ｍ网格进行
取样，采用土三轴仪对基底表土层所取试样进行相
差异。
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冶
Ｊａｎｂｕ法和推力传递法均针对任意滑移面而提 出。前者假定土条间合力作用点的位置，后者则假 定土条间作用力平行于土条底面。但是，无论是 Ｊａｎｂｕ法还是推力传递法均认为土条侧面不是滑移 面。按照推力传递法，只有当０１＝沙时恰好满足滑 移条件，一般ａ均小于沙，因而无法判定相应的解为 可动解。而对于滑面端部Ｏｌ大于沙的土条，则又破 坏了屈服条件。王元汉教授对此作了改进，假定各 土条件间的切向力ｒ和法向力Ⅳ满足式（１）的屈服 条件。
ｏ，
对排土场进行减载设计，结合该矿设计，拟选用４ ｎ１３电铲采装、４２ ｔ矿用汽车运输，因此运输公路须结 合设备运行和作业能力确定。设计分别在１４０
１５０ ｍ、１６０ ｍ、１７０ ｍ、１８０ ｍ、１９０ Ｉｎ、２００ ｍ、２１０
１＂１１、
ｍ形
成７～３１个宽度不等的安全平台，最终边坡角不大
图４
排土场Ｄ－Ｄ剖面工程地质分布图
关参数试验。 试验技术要求及结果：１）按要求进行粗粒土样 制备，装样后进行样品固结，固结完成标准为小于１ ｍｍ／ｈ；２）垂直压力加载采用分级施加，每级荷载施 加完毕，待压力表稳定后再继续施加压力，逐级加压 至相应的预定荷载，并保持稳定；３）固结完成后，安
装位移自动量测设备，进行水平剪切加载，加载速率
控制在３～６ ｍｍ／ｍｉｎ，同时记录水平位移值与剪切
对排土场进行了减载设计，排土场段高降低６０～８０
ｍ，最终坡面角２００～２２０，减载工程量８６０万ｍ３，需 减载资金５７１４．２万元。自２０１０年５月份开始施 工，至２０１２年７月末累计减载３８０万ｍ３，排土场高 度降低３０—５０ ｍ，有效地降低了排弃物自重荷载的
第２２卷增刊
２０１３年１１月
矿
冶
Ｖ０１．２２，Ｓｕｐｐｌ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３
ＭＩＮＩＮＧ＆ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
文章编号：１００５－７８５４（２０１３）Ｓ０－００１３－０４
某露天转地下开采矿山排土场稳定性研究与实践
王凌云
（首钢矿业公司技术处首钢矿业公司杏山铁矿，河北迁安０６４４０４）
摘
要：露天转地下开采矿山原露天排土场紧邻地采工业广场，段高高、距离近等因素给工业场地的
山，２００４（２）：２４—２６．
［３］裘家暌．待露天矿排土场的稳定性研究述评［Ｊ］．化工 矿山技术，１９８７（５）：１—５，６４． ［４］朱大勇，钱七虎，周早生，等．基于余推力法的边坡临界 滑动场［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９（６）：６６７－６７０．
研究成果应用情况
１）排土场技术状况得到极大改观 ２０１３年２月末，减载降方工程施工完毕，排土场
工。方案优化后剩余切方量１２２．６万ｍ３，比原设计
减少工程量３５７．４万ｍ３，整体工期缩短约１２个月。 ３）工程投资减少
经过本次优化设计与研究，比原设计少减载
３５７．４万ｍ３、７００．５万ｔ。按切方成本３．３９元／ｔ计 算，约减少投资２３７５万元，经济效益显著。 参考文献：
［１］邓世学．太和铁矿排土场滑坡分析及治理措施［Ｃ］／／ 第四届全国矿山采选技术进展报告会论文集．有色冶 金，２００２（４）：７—９． ［２］汪勇．露天矿排土场合理台阶高度的确定［Ｊ］．金属矿
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排土场危险滑面搜寻图
图２
控制问题。根据最优控制论，边坡体内应存在无数
图３
安全带来隐患，一旦排土场发生大面积的塌方，将造成工业设施毁坏。本文主要利用科学方法寻求排土 场最危险滑移面，并采取相应的工程手段降低排土场段高，增加安全平台，减缓整体坡面，确保排土场的 稳定和工业场地的安全。 关键词：露天转地下；排土场；减载 中图分类号：ＴＤ８５４＋．７ 文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－７８５４．２０１３．ｚ１．００４
本文链接：/Periodical_ky2013z1004.aspx
［５］韦寒波，孙世国，高谦，等．基于临界滑移场技术的排土 场边坡稳定性分析［Ｊ］．北京科技大学学报，２００８（６）：
５８１．５８４．
堆积高度降至５０～８０
ｍ，１３０—２１０
ｍ水平共形成９
个安全平台，总平台宽度１８０—２２０ ｍ，总坡面角均在 １９．２。以下，排土场基本处于稳定状态，消除了排土场 滑坡的隐患，为矿山的安全稳定生产奠定了基础。
应力值；４）进行饱和样品试验，需在样品制备时对
样品进行饱和处理，然后进行固结剪切；５）对六组 碎石土进行常规与饱和剪切试验及其它相关的试验 研究，试验成果如表１和表２所示。
表１ 排土场碎石土及基底土物理力学指标
作用。按原设计方案需要再减载４８０万ｍ３，预计工
期１４个月。但从已揭露情况看，已排放了１５年的 排弃物已处于稳定状态；项目组提出对减载方案进 行优化，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，方案必须建立在科学严谨的 研究分析和数据支持基础上，为此特立项进行专题 研究‘卜６１。 ｌ
表２饱和时排土场碎石土及基底土物理力学指标
研究内容
碎石土抗剪强度试验设备主要用于测试土石混 １．２最危险滑移场的确定 １．２．１确定方法 目前应用较为普遍的确定危险滑移面的基本原 理有任意滑移面边坡剩余推力法和边坡全局临界滑 移场法，二者在计算方法和求解可动解方面有明显
作者筒介：王凌云，工程师，采矿工程专业。
北排土场危险滑移面分布图
万方数据
王凌云：某露天转地下开采矿山排土场稳定性研究与实践
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１．３应用滑移场理论，对滑坡面稳定性进行研究 通过应用滑移场理论方法，确定最危险的滑面 位置，然后考虑各剖面在以下四种工况条件下的排 土场稳定性状况分析：１）正常条件；２）有地震作用 条件；３）处于饱和状态；４）处于饱和状态且有地震 作用影响。若试验结果表明，在极端气象条件下上 述四种工况时排土场的稳定状态均满足稳定性要 求，即可据此优化出排土场的减载方案。 在本项目研究中，在坡角达到１９．２０时，应用四 种常用的边坡稳定性评价方法（Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｎ—Ｐｒｉｃｅ、 Ｊａｎｂｕ、Ｂｉｓｈｏｐ、余推力法）分别对边坡稳定性进行评 价，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。在此，仅列出饱和有地震作用条件下 各剖面边坡稳定系数。
ＤＲＡＦＴ
经过修正后，将保证所得的解为可动解。但是 求可动解时是在求解不同滑移面安全系数的极 小值。 临界滑移场方法直接从整体出发，通过数值方 法模拟出边坡体内任一点的危险滑移方向和条块间 最不利推力，最终得到一簇任意形状危险滑移面的 临界滑移场，其中一条为临界滑移面，其余的危险滑 移面是次临界的破坏面，以剩余推力值表示其稳定 程度。临界滑移场法求解方便可靠，所得临界滑移 面能逼近解析解。 本次研究只考虑条块间的水平作用力，相当于 简化Ｊａｎｂｕ法。即作以下简化假定：１）不考虑各块 滑移体自身相互挤压作用；２）不考虑各分块两侧面 间的摩擦力；３）各段滑体上的推力作用方向水平。 求最大剩余推力Ｐ…实际上是个最优控制问 题。如图１所示边坡，规定滑移出Ｅｌ段范围Ａ．Ａ：， 人１３段范围Ｂ，Ｂ：，因此这是一个两端非固定的最优
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于边坡稳定性研究推荐边坡角。具体技术参数见 表４。
表４减载设计主要技术参数
根据《煤矿工业露天矿设计规范》（ＧＢ
２００５）规定，排土场边坡在极端条件下稳定系数不 低于１．０５。从计算结果来看，最小稳定系数为Ｊａｎｂｕ 法计算的ｃ．ｃ剖面和Ｄ－Ｄ剖面，稳定系数均为 １．０５，满足规范要求。 从排土场边坡稳定状态的计算结果来看，前三 种情况排土场边坡整体处于非常稳定状态，第四种 情况排土场边坡也处于基本稳定状态。 由于某北排土场是由碎石土组成，渗透性比较 好；又由于排土场排放物料的最大高度为５０～６０ ｍ，所以不可能达到饱和状态，因此，排土场的稳定 状态要好于饱和条件下有地震作用影响下的状态。 本研究之所以既考虑达到饱和状态，又同时考虑地
表３饱达到极端条件时排土 场整体也能处于安全状态，那么当没有达到极端条 件时排土场的整体稳定与安全更加可靠。 根据相关规程或规范的有关规定及本次研究的 取值方法，再考虑某北排土场已经排放１５年以上， 经过多年固结和运行实践的检验，说明排土场的基 底条件和稳定状态等条件满足安全要求，也符合相 关规范的要求。没有经历过的工况是有地震作用、 或有暴雨作用同时又使排土场的含水率达到饱和状 态；或两种条件同时出现。尽管上述工况存在的概 率非常小甚至几乎为０，但本研究方案中也考虑了 该极端条件，从而保证即使小概率事件发生也可以 保证排土场的安全。 １．４根据最终坡面角进行减载设计 由于Ａ－Ａ、Ｂ—Ｂ和Ｃ－Ｃ三个剖面与Ｄ－Ｄ、Ｅ—Ｅ和 Ｆ．Ｆ三个剖面的主滑方向不同，也就是沿工业场地 方向选取的三个剖面求出的最大倾角为伪倾角，不 是排土场设计的真倾角。设计时将以垂直排土场方 向的三个剖面为主剖面进行相关的工程设计，那么 由得到的沿工业场地方向（Ａ—Ａ、Ｂ．Ｂ和Ｃ—Ｃ）三个剖 面的最大坡角将小于１９．２。，从而可以保证边坡的 沿工业场地方向（Ａ—Ａ、Ｂ－Ｂ和Ｃ－Ｃ）三个剖面方向的 稳定性。 根据研究确定的排土场最终坡面角为１９．２