楊忠林 楊軍明 李 強(qiáng) 姜士磊

(1.太鋼礦業(yè)公司尖山鐵礦，山西 太原030304;2.中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北 保定071000)

隨著我國礦山事業(yè)的發(fā)展及采礦技術(shù)的進(jìn)步，大型深凹露天礦將逐漸增加，排土新工藝、新技術(shù)和許多大型排土設(shè)備將得到廣泛的應(yīng)用。其中汽車—破碎機(jī)—膠帶運(yùn)輸機(jī)—排土機(jī)排土的應(yīng)用就是其中之一。隨著礦山開采水平的逐年下降，巖石運(yùn)距、排土場容量、排土場穩(wěn)定性與占地的矛盾日益突出，直接影響著礦山企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益。因此，發(fā)展膠帶排土工藝，不僅可提高露天礦山的排土效率，節(jié)省排土費(fèi)用，而且可節(jié)約礦山排土占地。長期以來膠帶排土的最大段高和臺階安全距離都是以經(jīng)驗(yàn)估算和相似礦山參照的方式來確定［1］，對提高露天礦安全性能和生產(chǎn)效率十分不利:增加了排土機(jī)和排土膠帶的移設(shè)頻率，從而使露天礦的經(jīng)濟(jì)效益下降。由于沒有強(qiáng)有力的理論支撐和計算方法，為了保證生產(chǎn)安全，各礦山在參數(shù)取值時都盡可能地趨向于保守［2］。因此，為露天礦確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的膠帶排土最大段高及排土機(jī)安全距離非常有意義，而且對全國露天礦山將要采用膠帶排土生產(chǎn)也具有普遍指導(dǎo)意義。

山西某鐵礦目前使用的排土場主要為南排土場，整個土場在使用期間內(nèi)1 670 m 臺階以下部分土場為汽車直排土場，1 670 m 臺階以上土場為膠帶土場。膠帶排土機(jī)型號為SP 1600/50 +50，排土機(jī)能力設(shè)計為4 800 m3/h(松散密度:1.615)，其使用的卸料臂與受料臂長度均為50 m。為最大限度地發(fā)揮排土機(jī)的排巖能力，減少排土機(jī)軌道的移動次數(shù)，本研究對膠帶排土最大段高和膠帶排土機(jī)距排土場坡頂線的安全距離進(jìn)行研究分析。在確保排土場邊坡穩(wěn)定的前提下，又要保證排土機(jī)不至于因臺階嚴(yán)重變形發(fā)生傾覆等事故。分析所做的基礎(chǔ)工作包括:搜集已有的氣象、水文、地質(zhì)、鉆探、設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、同類工程等有關(guān)資料以及膠帶排土機(jī)的相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)場調(diào)查和了解排土場周邊環(huán)境及其相互影響，掌握排土場設(shè)計意圖及將來的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)測排土場自然休止角，現(xiàn)場進(jìn)行堆排材料的密度測試，對堆排材料取樣進(jìn)行粒度成分測試及室內(nèi)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)。通過對基礎(chǔ)資料研究、滲流穩(wěn)定性分析、抗滑穩(wěn)定性分析、數(shù)值分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，綜合確定排土機(jī)排土的最大臺階高度和排土的安全距離［3-5］。

1 排土場工程地質(zhì)條件

1.1 排土場地基

1 670 m 臺階以下部分土場為汽車直排部分土場，汽車排土場地基為黃土梁山坡、殘積土、溝谷中碎石土，膠帶排土場排土覆蓋汽車排土臺階，地基可視為汽車排土場材料。

1.2 堆排材料

排土場堆排物料是由松散顆粒體組成，主要為礦體圍巖，巖性為云母石英片巖、綠泥角閃片巖、正長閃長巖等。

(1)汽車—推土機(jī)排土。自卸車將堆排物料運(yùn)至土場并傾倒于土場坡頂邊緣，用堆土機(jī)進(jìn)行平整，最終達(dá)到土場設(shè)計堆排標(biāo)高。該排土方式對堆排物料的粒度大小沒有要求，故土場中可能包含有粒徑很大的巖塊。采用汽車—推土機(jī)排土方式堆排的排土場，設(shè)計排土段高不大，一般為40 ～45 m。

(2)膠帶排土機(jī)排土。通過膠帶機(jī)運(yùn)送堆排物料，然后通過排土機(jī)將堆排物料排放至排土場的堆排方式。該堆排方式具有連續(xù)、穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)，膠帶機(jī)運(yùn)送堆排物料的最大粒徑有限值，一般不大于350 mm。

1.3 地下水和地表水

南排土場范圍內(nèi)無大的地表水體系，溝谷中存在季節(jié)性流水。地表水來源于大氣降水及地下水的滲出。

2 排土機(jī)工作方式

膠帶排土機(jī)排土可分為上排和下排2 種方式，目前排土機(jī)工作在1 745 m 排土標(biāo)高，計劃上排15 m形成1 760 m 排土標(biāo)高，上排時受設(shè)備制約，最大高度為20 m;下排時最大段高取決于排土場穩(wěn)定性及排土機(jī)的安全作業(yè)，下排正是本研究內(nèi)容。

3 膠帶排土最大臺階高度初步確定

膠帶排土機(jī)效率的發(fā)揮，取決于排土機(jī)的排土高度，排土高度越大，膠帶排土機(jī)效率越高。

3.1 研究方法

(1)將汽車排土場作為膠帶排土場的地基。

(2)假設(shè):①汽車排土場和膠帶排土場交接的臺階留有足夠的臺階寬度，膠帶排土不會影響汽車排土場的抗滑穩(wěn)定性;②1 745 m 臺階也留有足夠的寬度，其上排土場不影響下部的穩(wěn)定性。

(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料，膠排臺階內(nèi)無浸潤線，因此可不考慮滲透壓力的影響。

(4)將膠帶排土場作為獨(dú)立研究對象，進(jìn)行不同臺階高度的抗滑穩(wěn)定性計算，并對臺階高度和穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行回歸分析，令抗滑穩(wěn)定性系數(shù)等于穩(wěn)定性系數(shù)安全限值，根據(jù)回歸結(jié)果計算出臺階高度即為允許最大臺階高度，再考慮其他因素，初步確定合理的臺階高度。

3.2 計算模型建立

模擬膠帶排土實(shí)際情況，建立計算模型如圖1 所示:①計算模型邊坡角采用自然休止角為37°;②臺階高度為H;③汽車—推土機(jī)排土臺階作為膠帶排土臺階的地基;④膠排臺階堆排物料根據(jù)粒組特征和密度特征分為上、中、下3 層。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

3.3 計 算

研究對象為膠排臺階，邊坡的滑動破壞模式為切體滑坡，滑面形狀為圓弧形，潛在滑面在膠排臺階內(nèi)部，或切過其下的汽車排土臺階，選擇計算方法為瑞典圓弧法。根據(jù)排土場運(yùn)行時容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題的條件，計算工況為自然工況、降雨工況和地震工況3 種，參照同類工程安全系數(shù)的規(guī)定，結(jié)合本工程實(shí)際，確定膠排臺階抗滑穩(wěn)定性計算安全系數(shù)限值為自然工況Fs≥1.15;降雨工況Fs≥1.10;地震工況Fs≥1.10［6-7］。

3.4 計算結(jié)果的回歸分析

將計算結(jié)果按工況分別進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如下。

(1)自然工況:H =986.115 4 －761.945 2Fs，令Fs=1.15，得H=110 m;

(2)降雨工況:H=1093.230 1 －915.370 9Fs，令Fs=1.10，得H=86 m;

(3)地震工況:H=1049.154 9 －882.619 9Fs，令Fs=1.10，得H=78 m。

初步確定排土最大臺階高度為75 m。

4 排土機(jī)荷載對穩(wěn)定性的影響

(1)計算不計排土機(jī)荷載(P =0)時各工況的穩(wěn)定性系數(shù);

(2)計算排土機(jī)荷載(P =160 kPa)在不同位置時各工況的穩(wěn)定性系數(shù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到:當(dāng)排土機(jī)距坡頂線距離L 大于10 m 時，排土機(jī)荷載對抗滑穩(wěn)定性無影響。穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果Table 1 The calculation result of stability coefficient

5 滲流穩(wěn)定性分析

排土場的滲流計算是為排土場抗滑穩(wěn)定性分析提供浸潤線參數(shù)，穩(wěn)定性計算一般只關(guān)心最危險的情況，即某次降水地下水能達(dá)到的最高位置，因此，只計算穩(wěn)定流即可。認(rèn)為區(qū)域中地下水位在一定時期內(nèi)認(rèn)為是相對穩(wěn)定的，因此可選取典型的排土場斷面建立排土場滲流的二維數(shù)學(xué)模型，利用穩(wěn)定滲流分析軟件，計算浸潤線的分布。在此鐵礦南排土場選擇1 條典型剖面進(jìn)行滲流計算，有限單元法比較靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，能較好地描述邊界條件，對變動的邊界條件也能處理，對非勻質(zhì)問題處理比較簡單，綜合分析，采用有限元法進(jìn)行排土場潛水滲流場的模擬計算。當(dāng)認(rèn)為水和散體不可壓縮時，穩(wěn)定滲流基本方程為

其邊界條件為

式中，h0為邊界水頭，n 為邊界的外法線方向，z 為浸潤線上各點(diǎn)的幾何縱坐標(biāo)值。滲流分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 滲流分析結(jié)果Fig.2 Seepage analysis diagram

計算結(jié)果:計算剖面的浸潤線在堆排體以下，在排土場溝谷的坡腳處，地下水位埋藏較淺，有少許滲出的可能性。實(shí)際觀察來看，南排土場下游的部分溝谷中有少量地表水。這符合此鐵礦排土場巖性較好，散體塊度較大，滲透性較好的實(shí)際特征，可以作為現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析的依據(jù)。

6 整體抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

經(jīng)過前面的分析計算，已經(jīng)初步確定了膠帶排土最大臺階高度，還需要計算當(dāng)膠帶排土到初步確定的最大臺階高度時排土場邊坡整體抗滑穩(wěn)定性。若整體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)也滿足安全系數(shù)限值要求，則初步確定的膠排最大臺階高度即是膠排最大臺階高度。整體穩(wěn)定性計算如圖3。

圖3 整體穩(wěn)定性計算Fig.3 The calculation of overall stability

根據(jù)排土場原始地形地貌及排土場地基的工程地質(zhì)條件，選擇1 條典型剖面(與滲流分析剖面相同)進(jìn)行整體抗滑穩(wěn)定性計算，根據(jù)破壞模式分析，計算方法選瑞典圓弧法，安全系數(shù)自然工況Fs≥1.25;降雨工況Fs≥1.15;地震工況Fs≥1.15。計算結(jié)果如表2。

表2 穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果Table 2 The calculation results of stability coefficient

從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)膠帶排土臺階高度為75 m 時，排土場整體穩(wěn)定性系數(shù)計算值在3 種工況下均大于安全系數(shù)限值。

7 數(shù)值分析

7.1 計算方法

排土場的數(shù)值分析擬采用有限差分法。數(shù)值分析的目的是了解排土場的應(yīng)力場分布特征以及位移場特征。

7.2 計算模型的建立

排土場堆排體的變形是伴隨著自身重力壓密過程產(chǎn)生的，與時間相關(guān)，隨著時間的推移，重力壓密逐漸完成，變形也隨之完成，也就是說，一定時間之后，排土場堆排體不再產(chǎn)生自身壓密變形。

根據(jù)堆排時間，將整個排土場劃分為以下3 個區(qū)域。

(1)Ⅰ區(qū):膠排臺階最近堆排部分。膠排移設(shè)周期取決于排土場土線長度和排土厚度，一般為2 ～3個月，假定膠排移設(shè)周期為2 個月，把膠排臺階堆排時間在2 個月之內(nèi)的部分劃分為該區(qū)，根據(jù)排土計劃，該區(qū)寬度約為120 m。該區(qū)一般為排土機(jī)作業(yè)時所在區(qū)域，其應(yīng)力、應(yīng)變問題是我們關(guān)心的核心問題，也是確定排土機(jī)安全距離的重要因素。

(2)Ⅱ區(qū):膠排臺階較早堆排(后緣)部分。把膠排臺階堆排時間超過2 個月的部分劃分為該區(qū)，認(rèn)為自身壓密變形基本完成。

(3)Ⅲ區(qū):下部汽車排土部分?？梢钥醋鍪悄z帶排土的地基。由于汽車排土場已經(jīng)形成較長時間，可以認(rèn)為其自身壓密變形已完成，只是在上覆膠排堆體作用下產(chǎn)生相應(yīng)的變形。

計算模型見圖4。

圖4 數(shù)值分析計算模型Fig.4 Numerical analysis model

7.3 計算結(jié)果

有限元數(shù)值分析結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 位移分布Fig.5 Displacement distribution

圖6 位移矢量Fig.6 Displacement vector

7.4 結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，可以得到結(jié)論:排土場變形由坡面至后緣方向是逐漸減小的過程，排土場邊坡坡頂線附近最大，而排土場后緣處最小，其表現(xiàn)形式為產(chǎn)生大體平行于邊坡埋線的沉降裂縫，越靠近邊坡坡頂線裂縫規(guī)模越大。

8 排土機(jī)安全距離的確定

排土機(jī)安全距離越小，軌道移動次數(shù)越少，向前推進(jìn)的空間越大，膠帶排土機(jī)效率越高。

8.1 抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果

排土場穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，當(dāng)排土機(jī)距坡頂線距離大于10 m 時，排土機(jī)荷載對抗滑穩(wěn)定性無影響。

8.2 數(shù)值分析結(jié)果

數(shù)值分析結(jié)果表明，排土場變形由坡面至后緣方向是逐漸減小的過程，排土場邊坡坡頂線附近最大，而排土場后緣處最小，其表現(xiàn)形式為產(chǎn)生大體平行于邊坡埋線的沉降裂縫，越靠近邊坡坡頂線裂縫規(guī)模越大。當(dāng)膠帶排土段高為75 m 時，排土機(jī)距坡頂線的距離不宜小于30 m。

8.3 調(diào)查結(jié)果

根據(jù)相似材料排土實(shí)例調(diào)查，當(dāng)排土場臺階邊坡穩(wěn)定性符合要求時，變形較大的部位出現(xiàn)在眉線部位，寬度大約為排土高度的1/5 ～1/3，當(dāng)下部覆蓋錯開臺階部位時，由于排土高度驟變產(chǎn)生沉降差較大，排土速率較快時，沉降較大或出現(xiàn)裂縫區(qū)域接近臺階高度的0.35 倍，這與理論計算極其接近。當(dāng)然，排土場地基材料、地基地形、排土速率均為安全距離的影響因素，實(shí)際操作中應(yīng)綜合考慮。

8.4 安全距離推薦值

安全距離與膠排材料的性質(zhì)、膠排地基、臺階高度及排土速度相關(guān)，根據(jù)此鐵礦南排土場實(shí)際情況，結(jié)合分析計算結(jié)果，推薦排土機(jī)距坡頂線的安全距離經(jīng)驗(yàn)值為膠排段高的1/2。

安全距離推薦值的前提條件是，前期汽車排土場作為膠帶排土的地基，當(dāng)膠排地基為黃土?xí)r，安全距離應(yīng)增大。

9 結(jié) 論

膠帶排土最大推薦段高為75 m，膠帶排土機(jī)距排土場坡頂線的安全距離為膠排段高的二分之一，適用條件是，下部汽車排土場作為膠帶排土的地基;膠排推進(jìn)過程中，遇到黃土覆蓋的山坡時，排土順序?yàn)橄绕履_后坡頂，避免順坡排土，黃土作為地基時的排土段高(黃土坡腳至坡頂?shù)母叨?建議不超過汽車排土場設(shè)計段高;膠排推進(jìn)過程中，在排土段高突變或覆蓋黃土山坡時，可能產(chǎn)生較大規(guī)模裂縫，該裂縫是差異沉降的結(jié)果，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測;應(yīng)合理安排排土計劃，并控制排土速度，盡可能延長排土機(jī)移設(shè)周期，使排土機(jī)工作面所在的堆排體有較充足的固結(jié)時間;排土過程建議進(jìn)行日常檢查。日常檢查和檢測發(fā)現(xiàn)危險跡象時及時治理。

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