白云鄂博西矿排土场优化方案设计与论证

杜文秀　程建忠

(内蒙古包钢钢联有限公司巴润矿业分公司)



白云鄂博西矿排土场优化方案设计与论证

杜文秀程建忠

(内蒙古包钢钢联有限公司巴润矿业分公司)

排土场在自然堆放过程中，物料性质、单台阶高度、堆积平台预留宽度及整体边坡角是影响排土场稳定性的关键因素。针对白云鄂博西矿排土场的实际情况及基于排土工艺的要求，进行了排土场优化设计并进行了稳定性分析。结果表明：基于特定岩性，单台阶高度为20m，可保证排土场的整体稳定性，同时可节约运距，达到降本增效的目的。

排土场稳定性分析降本增效

白云鄂博西矿位于内蒙古自治区西北部，地处阴山山脉以北的乌兰察布草原，是一座世界罕见的多金属共生矿床，为包头钢铁公司的主要原料基地。白云鄂博西矿在开采范围内形成了一个大型露天采场，地表长4 700m，宽约1 250m。采场矿石、岩石全部使用汽车直接运往选厂破碎站和排土场。为确保该矿排土场的整体稳定性，本研究对排土场的影响因素进行分析，并对该矿排土场进行优化设计。

1　排土场现状

白云鄂博西矿排土场原设计排土容积5 700万m3，设计各排土台阶标高分别为1 640，1 660，1 680，1 670m，最终堆置标高1 700m，最大堆置高度50～90m。北废岩排土场现已形成3个排土台阶，上部排土台阶顶面高程1 690m，中部排土台阶顶面高程1 670～1 673m，下部排土台阶顶面高程1 640～1 649m。其中，上部台阶仅完成初始路堤填筑，即将开始排土作业；中部台阶及下部台阶南部仍有部分排土空间。北废岩排土场西侧通过汽车排土自筑现已形成长约880m、宽约48m的固定道路连接各排土台阶，道路平均纵坡坡度5.6%。现场踏勘发现，北废岩排土场顶面平整，边坡稳定，无明显沉陷、裂隙、溜坍、滑坡等现象。

2　排土场优化设计

2.1排土场设计参数与设计容量

计算排土场所需容积需考虑沉降率、边坡自然安息角、综合边坡角等主要因素，本研究北废岩排土场加高设计采用原设计中的堆置参数：沉降系数15%，自然安息角32°，边坡角25.46°，容积富余系数5%，松散系数1.6。

根据原设计中排土场边坡参数，排土场加高至1 680m水平后，北废岩排土场共形成2个排土台阶，即1 660，1 680m水平台阶，台阶高度均为20m，排土台阶间安全平台宽20m。加高至1 680m水平后的排土场边坡如图1所示。根据排土场堆置要素及现状，经计算，北废岩排土场加高至1 680m水平后的可用排土容积为560万m3。

图1　排土场边坡示意

2.2排土工艺与调整方案

2.2.1排土工艺

北废岩排土场延续原设计中的自卸汽车运输方案，废石由自卸汽车运至排土工作平台卸载后，根据需要采用推土机将遗留于工作平台的残余剥离物推向阶段边帮。工作平台随排土的进行而不断扩展，直至达到设计排土边界。排土方式可采用边缘排土与场地排土相结合的方式，除雨季采用场地排土外，其余季节采用边缘排土。自卸汽车在确保安全的前提下，应尽可能靠近阶段边缘。

2.2.2北废岩排土场调整

目前，北废岩排土场已升至1 690m水平，本研究设计不建议在该台阶继续向北排土。北废岩排土场中部台阶现状标高1 670～1 673m，尚未达到设计标高1 680m，存在一定的剩余容积，近期排土作业重点利用该部分空间进行。

2.3排土场道路

为配合排土场加高，需对北废岩排土场现有的道路进行优化调整，在北废岩排土场西侧新设置Ⅱ-2#道路，该道路起自北废岩排土场现状道路西侧，向北延伸至排土场1 680m台阶。

2.4排土场稳定性分析及对策2.4.1排土场工程地质情况

排土场场区岩性以粉质黏土为主，夹有黏土、黏土质中—粗砂层、碎石层，向底部粗粒层次增多，直至板岩强风化带。北废岩排土场所接纳的排弃物主要为板岩及云母闪石岩等。排土场堆置体的物理力学性质受岩石性质、块度组成、容重、湿度、垂直荷载等因素的影响。排土场物料经压实或胶结后，具有一定的黏结力，主要取决于细颗粒含量的大小，细颗粒岩土充填至岩块之间的孔隙中经压实后便改变了原有松散体的性质，颗粒间便产生了较小的内聚力。内摩擦角与岩土性质及块度组成有关，根据排土场岩石块度的分布规律，不同层位的块度组成不同，细颗粒多分布于排土场上部和中部，粗颗粒分布于排土场中部、下部，粗颗粒含量高，组成骨架的刚性提高，颗粒间的摩擦力占主导地位，摩擦力增大；反之，细颗粒含量增大，摩擦力便减小，但黏结力增大。在排土场下部堆集的大块岩石几乎不含细粒和其他黏性材料，故黏结力为0，但内摩擦角较大，接近或等于排土场的安息角。

此外，排土场堆置体的物理力学性质还与湿度和含水量有显著的关系，当物料的湿度较小时，随着湿度增加，黏结力和内摩擦角逐渐增大，湿度继续增加则力学参数下降，直至饱和状态时，强度丧失，致使对排土场稳定性产生不利影响。排土场堆置体不同深度上物料的内聚力和内摩擦角由于颗粒分布的不均匀性导致随深度的变化而发生变化。排土场边坡虽然在排弃物堆积的过程中由坡上至坡下有一定的分选，但总体来看水平层位上是均匀的。北废岩排土场堆置体的物理力学性质参数见表1。

表1　堆置体的物理力学性质参数

2.4.2排土场稳定性分析

北废岩排土场在现有排土场的顶面进行加高，加高高度符合原初步设计要求。但目前矿山所使用的最大车型为载重236t电传动矿用自卸汽车，设备总重量大于原初步设计中采用的载重172t电动轮自卸汽车。因此需对排土场生产过程中的单台阶稳定性进行再次核定。236t电传动矿用自卸汽车自重170.98t，额定载重236t，轮胎直径3.5m，轮胎宽1.27m，在车辆进行卸载时，后轮轮胎与地面接触长度约1.6m。根据相关规范要求需在排土台阶坡肩处设置底宽为4.6m的挡车堆。

北废岩排土场滑坡破坏模式主要为圆弧型破坏，设计使用Slide软件对排土场设计终了边坡进行搜索确定其最危险的滑动面，并采用Bishop法、修正Janbu法和Spencer法计算最危险滑动面的安全系数[1-3]。由于排土场周边环境简单，边坡中的主要安全隐患在于大型自卸车(236t)进行排土时，暂时性的集中荷载会对边坡稳定性造成较大影响，从而对车辆的安全运行构成威胁。工况1，正常工况时的台阶安全系数限值为1.15；工况2，特殊工况(正常工况+地震/正常工况+爆破震动)时的台阶安全系数限值为1.05。根据上述条件及选用的安全系数，在431kN/m2荷载条件下(236t)按照不同单台阶高度对排土场进行了稳定性计算，结果见表2。

表2　板岩单台阶及云母闪石岩单台阶高度及安全系数

由表2可知：①以板岩为主的废岩排土场使用大型自卸车(236t)进行排土时，正常工况时单台阶的最大安全高度为20m，特殊工况(正常工况+地震、正常工况+爆破振动)时单台阶的最大安全高度为30m；②以云母闪石岩为主的废岩排土场使用大型自卸车(236t)进行排土时，正常工况及特殊工况下均无法满足单台阶稳定性要求，可见云母闪石岩排土场不宜采用大型设备。

考虑到矿山部分排土工作采用小型设备作业，设计确定云母闪石岩采用载重40t的TL840型宽体自卸汽车等小型车辆进行直排作业。TL840型宽体矿用自卸汽车自重12t，额定载重40t，轮胎直径1.22m，轮胎宽0.4m。TL840型宽体矿用自卸汽车为双后轴，后轴轴距1.4m，在车辆进行卸载时，后轮轮胎与地面接触长度约0.6m。根据规范要求需在排土台阶坡肩处设置底宽为2.0m的挡车堆。

根据上述条件，在250kN/m2荷载条件下(TL840)对云母闪石岩排土场进行了稳定性计算，结果见表3。

表3　云母闪石岩单台阶高度及安全系数

由表3可知：当以云母闪石岩为主的废岩排土场使用小型自卸汽车(TL840)进行排土时，正常工况及特殊工况时单台阶的最大安全高度均为20m。

3　结　语

以白云鄂博西矿排土场为例，分析了影响该排土场封顶的关键因素，并对其进行了优化设计，即北废岩排土场在生产过程中，板岩集中排弃区域可采用载重236t自卸汽车进行排土作业，云母闪石岩集中排弃区域应采用载重40t以下的小型自卸汽车进行排土作业。排土场稳定性分析表明，当排土高度为20m时，排土场台阶较稳定，可见本研究提出的排土场优化方案切实可行。

[1]周昌寿，杜竞中，郭增涛，等.露天矿边坡稳定[M].徐州：中国矿业大学出版社，1990.

[2]孙玉科，杨志法.中国露天矿边坡稳定性研究[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[3]杨胜利，王云鹏.排土场稳定性影响因素分析[J].露天采矿技术，2009(3)：4-7.

2016-06-13)

杜文秀(1985—)，男，工程师，014080 内蒙古自治区包头市。