米子軍

(太原鋼鐵(集團)有限公司嵐縣礦業(yè)公司，山西 嵐縣 030027)

·采礦工程·

礦山排土場穩(wěn)定性主動調控機制研究

米子軍

(太原鋼鐵(集團)有限公司嵐縣礦業(yè)公司，山西 嵐縣 030027)

礦山排土工藝正朝高階段排土、高強度排土和設備大型化方向發(fā)展。伴隨而來的是排土平臺或其地基失穩(wěn)劇增，如降低堆置高度則容量減少，如加固或清除地基軟土層，巨額的工程費用又難以承受。分析了礦山排土場攔碴壩、坡腳擋墻等被動的過程調控措施的實用性，評價了排(截)水溝的有效性；基于對環(huán)境的影響后果，從排土場邊坡與基底的相互作用機理出發(fā)，采用允許變形和部分破壞的設計原則?；诳臻g效應，構架了合理使用排土空間，調整排土場形成過程的時空關系的主動調控機制：①對凸形排土場應控制排棄強度，確保土場沉降正常，以廢石流量為安全調控關鍵指標；②對軟弱地基，首要是控制第一層排土段高，采用堆載預壓原理提高基底承載力，作為上覆土場基礎，規(guī)避大面積清除軟基層；③當場址內梁、谷交錯且地基軟弱，對稱均衡縱向推進的排土，可規(guī)避側向擠壓作用觸發(fā)的牽引式滑坡危害。同時，利用分區(qū)間隔點排法和基于界面疏導原理，構筑的泄流基底確保降雨不誘發(fā)排土場滑坡及突變成泥石流。經過現(xiàn)場試驗論證，利用排土工藝的主動調控方法符合礦山需求，可兼顧安全性和經濟性。

排土場 穩(wěn)定性 地質災害治理 時空效應 主動調控機制

露天礦生產剝離的松散廢石經汽車、或膠帶機等方式運輸，通過推土機或排巖機傾倒堆積在溝谷或坡地上形成排土場，是礦山主要的危險源。通過現(xiàn)場實證、理論分析和數學物理模型等方法，發(fā)現(xiàn)了排土場系統(tǒng)具有地基—排土體及其接觸面相互作用下的空間效應(凹形夾持效應和凸形發(fā)散作用)和自身組構特征的分級、分層效應[1-2]。來源于工程實踐中的現(xiàn)象解釋及機理研究，其目標是指導生產實踐：或反饋修正設計方法，或評價穩(wěn)定性，進而制定合適的調控措施，這也是礦山生產和安全管理的需求。

縱觀排土場的治理及病害防治，基本思路或力學原理建立在減小滑動力或增大抗滑力[3-4]。表現(xiàn)為調控方法為“砍頭壓腳”：或消減推動滑坡產生的物質(減載)、或增加阻止滑坡產生區(qū)的物質(反壓)和減緩坡區(qū)坡度(削方減載)。配套以防排水(地表截、排水溝)或支擋加固和改良(抗滑擋墻、抗滑樁、錨固、注漿改良)，等等。

通過梳理發(fā)現(xiàn)，此類治理設計完全借鑒土(巖)邊坡方法，歸類于被動防護，屬事后控制，不得已而為之(面臨經濟損失或安全風險)。

研究表明[1-2]，排土場過程及終了狀態(tài)下的穩(wěn)定性與排土工藝(排棄方式、堆置分段、排土順序)和地形(溝谷或坡地)及地基承載力密切相關。利用這一空間效應，采用事先動態(tài)控制措施，可遏制、終結變形與破壞的啟動，確保全過程安全，歸類于主動防護，屬事前控制?；诳臻g效應，研究排土工藝的主動調控方法，符合礦山特征，可兼顧安全性和經濟性。

1 排土場調控措施的適宜性評述

基于工程經濟，現(xiàn)有手冊或設計規(guī)范[3-6]主要按照高段高排(平緩坡運輸)、自下而上(下降運輸、上升運輸)或混合式，針對多個排棄點或同一排棄點不同高差關系，來規(guī)劃平面和豎向的排土方式。追求的都是路線最短和就近原則，由近向遠推進，形成了單臺階、多臺階覆蓋式和多臺階壓坡腳式排土場。如圖1所示。

圖1 排土場形成過程典型剖面及概化模型

針對已發(fā)生的滑坡和潛在的不穩(wěn)定區(qū)排土場工程的防治，基本局限在 “砍頭壓腳”、削方減載、防排水或支擋加固(抗滑擋墻、抗滑樁、錨固、注漿改良)，等。從力學原理而言，照搬在土(巖)邊坡成功的調控方法在排土場工程中證明也是行之有效的。

結合礦山排土場自身特點，評價既有的被動調控措施的適應性和有效性是非常必要的，這是構架利用排土工藝的主動調控方法的基礎。

1.1 排(截)水溝的適應性和有效性

降雨誘發(fā)滑坡，影響穩(wěn)定性及不利于變形主要表現(xiàn)為[6-8]：①力的作用：降雨入滲補給地下水使水位抬高，順滑坡方向的滲透壓力增大；使非飽和帶含水率增加基質吸力降低；坡面徑流對坡面形成沖刷力及動水壓力。②弱化強度參數：降雨入滲使滑體及滑帶土含水率增加，抗剪強度參數降低。

研究表明[1-2]，由于排土場組構特征上空間分層性，其水文地質結構具垂向巖土滲透性的非均質性。極端降雨條件下，外部匯流和平臺地表徑流共同作用，表層排土料吸水(自重增加)；中部具飽和—非飽和特征；下部因濕化和破碎作用孔隙率和滲透性降低，具暫時飽和特征而誘發(fā)弱層形成。從力學角度而言，在排土場本體范圍外設置截水溝本體平臺上設排水溝，避免水體下滲對提高排土場穩(wěn)定性是無容置疑的。

調研發(fā)現(xiàn)，既有基于原設計而規(guī)范施作的排(截)水溝卻起不到其應有的作用，也就是說，措施不具功能性，適應性不符，有效性較差。表征為：排(截)水溝內無水，浸潤線在排土體以下。如，尖山鐵礦寺溝排土場，降雨及滲流最終在坡腳集中出露，見圖2。

圖2 坡腳水坑

究其原因，地表排(截)水的有效性以改變降雨入滲的初始邊界條件(減小入滲量)體現(xiàn)。降雨強度及歷時足夠大時，坡面會形成穩(wěn)定徑流并以下滲為主。關鍵在于，對滲流場而言，在坡面產流前，坡面入滲邊界條件只是在有排水溝的地方才發(fā)生變化，而排水溝尺寸相對坡體可以忽略不計，可近似認為入滲的邊界條件沒有改變，所有降雨均入滲，入滲量與入滲過程取決于降雨過程，因此，坡表有無排水溝是相同的；坡面產流后，影響入滲速率的主要是滲透系數，而滲透系數與排土體的散體堆積空隙率有關。在較大雨強下(雨強相對滲透系數較大)，坡面各處產流時間基本同時，而產流后，坡表飽和，入滲速率幾乎相同，入滲量入滲過程相同，各時刻坡體滲流場也基本相同。排土料滲透系數高達10-1cm/s量級，即使降雨入滲補給系數為0.65，排水溝對入滲邊界條件的改變，不能改變排土場因水文地質結構中的垂向滲透性而導致的強降雨下無徑流只滲流的結果，最終補給和排泄路徑仍以圖3形式歸一化。

圖3 排土場補給和排泄示意圖(溝谷型和山坡型)

因而，探求符合排土場—基礎界面作用特征，避免降雨濕化排土料和浸泡地基(尤其是土質)的措施是規(guī)避排土場工程風險的關鍵路徑和方向。

1.2 軟弱地基處理分析

由于征地增容困難，兼之運輸限制，選擇排土場場址難度較大。如，尖山鐵礦南排土場3億m3排土地基均為濕陷性黃土，且下伏粉質黏土、粉土等軟弱層，厚30～70 m。地勘報告給出C=22 kPa，φ=18°，γ=2 000 kN/m3，地基承載力特征值90～130 kPa，袁家村鐵礦類似?；聦嵗y(tǒng)計表明，因基底軟弱而失穩(wěn)的高達30%～40%。因而，設計要求將基底黃土層清除，力學穩(wěn)定性而言，給出的措施無可厚非。然而，措施的適宜性卻值得商榷：大量的黃土層又需要尋找新的排土場。如采用其他加固或改良措施，巨額費用難以接受。

因此，結合工程自身特征和形成過程，基于排土場時空效應，充分利用堆載預壓原理和滑移線理論的動態(tài)調控則是解決此矛盾的較好的技術路線。

1.3 攔碴壩、坡腳擋墻的功能性

設計中經?？梢姷街跫庸讨惖臄r碴壩、坡腳擋墻(如片石籠)，其主要意圖是切斷可能的滑動面(滑移線)增強抗滑力。

如果采用剛性支擋結構(如鋼筋混凝土)并嵌固在完整堅固地基，其抵抗上部滾石沖擊荷載和廢石堆積體形成的主動土壓力；或者，在已部分變形或潛在失穩(wěn)區(qū)而采用的重力式擋墻，承受被動土壓力，有效地實現(xiàn)坡腳反壓進而增大抗剪力。只可惜，有序地組織的攔碴壩或坡腳擋墻結構往往只是充分利用坡腳大塊廢石干堆在一起，關鍵的E、μ、C、φ、γ等強度、物理性質指標與因翻滾、滑移形成的無序自組織廢石堆結構并無差異，如考慮上部的堆載固結作用和顆粒破碎、充填及重排效應，其力學性質甚至削弱。

因而，攔碴壩、坡腳擋墻更多的是對排棄過程的滾石和潛在的泥石流的一種消能作用?？紤]到現(xiàn)場廢石料源豐富，欲兼顧經濟與安全，可采取鋼絲石籠將其連接成整體，更好地和排土場協(xié)同變形，更能體現(xiàn)支擋結構功能性的基礎。

2 排土場主動調控機制

2.1 基本原理及原則

確保建構筑物變形(影響結構功能性)和應力(超過極限強度后的安全失穩(wěn))安全是工程結構可靠性設計的基本要求[9-11]。這對土場上部有建構筑物時是適用的，但冶金礦山排土場工程安全威脅的對象是土場上部工程機械和坡腳影響范圍內的村莊、交通設施及建(構)筑物。就排土場而言，自身散體結構及其功能上應允許變形和裂縫的出現(xiàn)，沒必要也不可能限制，畢竟，全過程變形歷時多年才能完成，且沉降系數高達1.1～1.2，伴隨裂縫產生。同時，工程等級確定的基本出發(fā)點就是影響后果(危害程度)[9-11]，只要滑坡或變形能終止(不因誘發(fā)而重新啟動)，不危害排土場坡腳下的生命財產安全，其局部臺階或坡腳的滑坡完全可以置之不理。

因此，區(qū)別于建筑邊坡，基于對周邊環(huán)境的影響后果(程度和范圍)，從排土場邊坡與基底的相互作用機制出發(fā)，充分利用排土場的空間效應，采用允許變形的設計原則和可終止破壞的理念，才符合經濟性與安全性兼顧的要求。穩(wěn)定性調控應放棄功能性、安全性、適應性不強的被動措施，結合排土過程，采取料源控制、推進方式等體現(xiàn)理性的基于空間效應的事先主動調控：疏導界面排水；合理使用排土空間；調整土場生成過程的時空關系；控制排土速度。確保過程安全和終了狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2 界面疏導調控

排土場工程強降雨下無徑流只滲流的結果，決定了地表的排(截)水溝不具功能性，有效性較差。但不意味著可以放之任之，補給和排泄處理措施應該是排土場底部—基礎界面的盲溝、排水廊道疏導，而不能局限在防、排、截、堵。特別是堵，對細顆粒含量較大，而親水性強的排土體，長時間受飽水作用而泥化，抗剪強度急速下降，在內部形成弱層，導致本體或基礎滑坡，這也是基于地質歷史分析法表明的排土場事故中降雨誘發(fā)比例高達50%的關鍵。

基于此調控機制，在尖山鐵礦南排土場工程中，放棄了土場地表縱橫交錯的排(截)水溝，而選擇在所有山谷間利用巖性堅硬、耐水性較好的大塊廢石先行填筑形成排滲盲溝，參見圖4。2 a多的運行情況證明，基于界面疏導原理構筑的泄流基底確保降雨不再成為排土場滑坡的誘發(fā)因素。

圖4 排土場地下水匯流路徑及泄流網絡

2.3 第一臺階堆載預壓原理

超高的排土體荷載作用下，軟弱地基由于壓縮性大、孔隙比大、滲透性小、強度低，宏觀上表現(xiàn)為豎向壓縮變形，水平向擠出變形的剪切破壞。設計或規(guī)范所要求的清除、或改良加固，或犧牲排土高度減少容量，哪一種都不能為礦山所接受。

堆載預壓原理和滑移線理論為解決此矛盾提供了新的思路：控制排土場第一臺階高度，預壓地基，提高“地基承載力”，并將第一臺階作為后續(xù)臺階的“基礎”。

堆載預壓提高“地基承載力”的機理，一是排出土體中的孔隙水而固結，有效應力增加；一是密實土體減小孔隙率，土體顆粒重新排列和充填而提高骨架結構提高抗剪強度。

尖山鐵礦南排土場地基濕陷性黃土下伏粉質黏土、粉土等。根據《GB 50421—2007 有色金屬礦山排土場設計規(guī)范》[5]，確定的第一臺階堆高為9.25 m。在總結寺溝“8.1”事故，“8.30”西溝滑坡和“11.20”東溝滑坡特征后[1-2]，改變排土工藝，以9 m高廢石作為預壓荷載，堆放在黃土地基上，以密實土體改善黃土骨架結構，達到提高抗剪強度的目的。進一步，依次按19 m，26 m分層預壓。其顯著的變化是，原來單臺階50 m(<9+19+26=54 m)就發(fā)生地基整體剪切破壞，牽引上部土場坐落滑移的現(xiàn)象基本消失。成功的關鍵在于：在這種軟弱地基上，控制第一臺階高度，作為地基預壓荷載，可提高地基強度，并將第一臺階作為后續(xù)臺階的“基礎”，依次類推。

2.4 時空效應調控

排土場利用溝谷或坡地上形成。工程實踐追求路線最短和就近原則，由近及遠推進，形成了排土場的單臺階式、多臺階覆蓋式和多臺階壓坡腳式，也造就了隨處可見的潛在危害[1-2]，如黃土梁側壁凌空，坡腳底鼓環(huán)境土無約束，牽引上部土場坐落滑移；再如，側向擠壓基礎坡趾導致滑移底鼓。其結果是，排土作業(yè)終止，采取被動措施(削方減載)來調控安全，得不償失。實際上，基于空間效應，排土場形成過程中就合理使用排土空間，完全可以實現(xiàn)“無為而治”。

合理使用排土空間表現(xiàn)在3個方面：①針對同一排棄點不同高差關系，自下而上，形成多臺階覆蓋式；②針對同一排棄點不同平面位置關系，由遠及近。此二者利用巖土固結理論，前者是固結壓力，后者是固結時差，目標是形成穩(wěn)定坡腳；③針對多個平面排棄點，對稱、均勻推進，對稱加載，避免偏壓。

應該強調的是，排土空間合理使用包括控制排棄順序，調整自身組構分級、分層，避免因排土強度的不均衡性和排棄巖性的差異，而形成水平或傾斜的軟弱結構層。水平分層導致垂向滲透性改變，出現(xiàn)暫時飽和特征，導致上層滯水，兼之濕化和破碎協(xié)同作用后，孔隙率和滲透性降低，誘發(fā)弱層形成；受巖性和密度、形狀和尺寸的影響，廢石沿坡面滑、滾及分選導致的傾斜分層，是其自組織過程導致順層的巖土交錯面，傾角大致等于自然安息角。局部滑坡明顯的順層擦痕傾角可充分證實這種傾斜分層的危害。因此，宜對不同巖性廢石料采取分區(qū)跳躍點排法，防止貫通的弱面形成。

2.5 控制凸形空間的排土速度

由于排土方式和地形限制，實際的排土過程往往曲線推進。在追求最大容量時，其坡面以平面凸形體現(xiàn)；在排土速度過快時，垂直面往往突破常規(guī)的平直坡面而在中上部突凸。其結果是導致平臺沉降過快的局部坍塌隨時發(fā)生，如峨口鐵礦1 816 m排土臺階，參見圖5。其關鍵原因，除了空間凸形的分散作用，也與作業(yè)面狹小(排土線長度過短)導致排土速度(強度)過快相關。因排棄強度過大造成平臺沉降過大或直線形土場局部坍塌，因此，控制廢石流量，則是保證平臺作業(yè)安全的關鍵。

為便于生產調度，同一高度上，排土速度按單位時間內單位排土線長度的廢石流量控制。如峨口鐵礦跑馬嶺排土場現(xiàn)場監(jiān)測表明，當廢石流量≤100 m3/(m·d)，排土作業(yè)正常；廢石流量≥150 m3/(m·d)，在坡面形成凸形的同時，平臺邊緣車擋因突發(fā)沉降而坍塌，導致排土作業(yè)中止。研究給出的廢石流量指標有效保證了該礦的排土過程安全。

圖5 排土強度導致的平臺沉降及坍塌

2.6 滑坡突變成泥石流的事先控制

作為一種事前控制的主動調控方法，必須考慮滑坡突變成泥石流的可能并制定預案才是完整的。

固有的大量松散固體物質和選擇溝谷地形作為堆放場址使排土場具備了形成泥石流的不利條件。迥異于自然泥石流，由于其自身組構上的寬級配和空間分層性，水文地質結構垂向巖土滲透性的非均質性，完全可以從“形成準泥石流體”這一過程主動調控，也就是說，不形成準泥石流體。

經大量實驗和調研得到滑坡突變成泥石流應滿足的經驗關系為

(9)

式中，θ為泥石流啟動縱坡；C為泥石流細粒含量；S為泥石流的飽和度。

Pata M 道格拉斯對美國24個露天礦廢石場穩(wěn)定性研究表明：廢石場中<5 mm細顆粒超過40%時，易失穩(wěn)；當<0.05 mm的黏粒含量超過l5%～20%，降水作用下排土場滑坡會轉化為泥石流。

礦山排土場滑坡突變成泥石流的的預調控應從以下3個因素著手：縱坡降、細粒含量和與料源含水量。

(1)縱坡降控制：在啟動坡段坡腳選用大塊廢石設立攔截堤，運動停淤區(qū)域構筑多級平壩，增強溝庫的阻抗因素，使泥石流態(tài)返回準泥石流態(tài)。

(2)細粒含量控制：通過表土剝離巖土分排即可減少排土過程中的粉化細粒含量，尤其是黏粒含量。

(3)料源含水量控制：采用2.2節(jié)措施完全可以控制松散體的飽和度和濕化及泥化作用。

3 結語及討論

研究結合礦山工程實際，在評述礦山排土過程諸如清除地基軟土層，設置攔碴壩、坡腳擋墻、截水溝等被動措施的實用性和有效性后，基于對環(huán)境的影響后果，從排土場邊坡與基底的相互作用機理出發(fā)，兼顧安全性與經濟性，按照允許適度變形的設計理念，基于空間效應，構架了合理使用排土空間，調整土場生成過程的時空關系，控制排土速度的動態(tài)調控機制，主要有：

(1)對凸形排土場應控制排棄強度，確保土場沉降正常，以廢石流量為安全調控關鍵指標。

(2)對軟弱地基排土場，采用堆載預壓原理，通過控制第一層排土高度，一方面提高基底承載力，另一方面作為上覆土場基礎，不需大面積清除軟基層。

(3)對沿軟弱土梁山谷縱向推進排土，采用左右對稱，由遠及近，自下而上的后退式覆蓋排土工藝，調整排土場生成過程的時空關系，可規(guī)避側向擠壓作用觸發(fā)的牽引式滑坡危害。

(4)從飽和—非飽和滲流場出發(fā)，利用排土料自身組構上的寬級配和空間分層性，提出了分區(qū)跳躍點排法?；诮缑媸鑼г硖岢龅男沽骰追椒杀苊饨涤暾T發(fā)滑坡的作用。

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(責任編輯 徐志宏)

Active Regulation Mechanism of Mine Waste Dump Stability

Mi Zijun

(LuanxianMiningCompany，TaiyuanIron&Steel(Group)Co.，Ltd.，Luanxian030027，China)

The high bench and high intensity dumping，large-scale dumping equipment are becoming the development tendency for mine dump.Consequently，the dump bench instability or other foundation failure rise rapidly，that is，the dump capacity decreases with the dump height lowered，and strengthening or cleaning the soft layer of foundation results in vast project costs.The practicality of the passive control measures，such as debris dam，retaining wall at toe，was analyzed，and the validity of the drain was evaluated.Based on the environmental protection，and starting with interaction characteristics between the waste dump and the foundation，the design principle of deformation and local failure allowance was proposed.Active regulation mechanism was established according to spatial effect，that sets up a reasonable dump space and adjusts time-space relation during waste dumps emission.①On the waste dump with convex slope，the emission intensity must be controlled to ensure normal consolidation and settlement，and the waste disposal discharge be taken as the key adjusting and controlling index.②On the waste dump with soft ground，the first dump bench height should be limited，and the bearing strength of the foundation should be improved by preloading principle，regarding it as the base of the next bench and avoiding from wide-spread cleanup of the soft soil layer.③When the ridges and gulches are criss-crossed in the site，and the foundation is soft，the symmetrical，even and vertical disposal style can evade retrogressive landslide induced by lateral extrusion.Meanwhile，by adopting the zoning interval discharging and based on the principle of interface relief，the discharging base was built to ensure that raining does not induce into landslide and debris flow.The field tests proved that the dump process with active regulation gave consideration on both the security and the economy，and met requirement of the mine.

Waste dump，Stability，Geological disaster treatment，Space-time effect，Active regulation mechanism

2014-05-04

米子軍(1964—)，男，高級工程師，經理。

TU 443

A

1001-1250(2014)-09-001-06