秦 帥，姚 松，辛利民

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋 22592； 2.中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司山西分公司， 山西 河津市 043300)

孝義鋁礦邊坡殘留礦體開采內(nèi)排土場(chǎng)分析與管理

秦 帥1，姚 松1，辛利民2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司， 贊比亞 基特韋 22592； 2.中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司山西分公司， 山西 河津市 043300)

針對(duì)孝義鋁礦邊坡殘礦回收過程中的技術(shù)難題，從內(nèi)排土場(chǎng)的影響因素著手，首先通過分析內(nèi)排土場(chǎng)的破壞方式，計(jì)算內(nèi)排土場(chǎng)坡角線與工作幫的安全距離；其次分析計(jì)算排土場(chǎng)容積與廢渣松散體之間的關(guān)系，最后確定內(nèi)排土場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并提出了排土場(chǎng)的管理技術(shù)措施。

殘礦；內(nèi)排土場(chǎng)；多臺(tái)階排土法；安全距離

孝義鋁礦是中鋁山西分公司下屬供礦基地，經(jīng)過多年開采，礦區(qū)備采礦量嚴(yán)重不足，因此決定對(duì)邊坡殘礦進(jìn)行回采。經(jīng)多方分析論證，為保證高效回采，采用內(nèi)排土場(chǎng)的作業(yè)方式。

內(nèi)排土場(chǎng)是提高礦山土地利用率的一種有效方式，可以降低外排土成本，減少占用周期，循環(huán)利用土地，改良礦山區(qū)域環(huán)境，對(duì)于占地面積大，耗地速度快的沉積型薄礦體鋁土礦山具有重要意義。對(duì)孝義鋁礦而言，由于內(nèi)排土與采礦作業(yè)在受限的空間同時(shí)進(jìn)行，給生產(chǎn)組織帶來(lái)很大難度，如何保證采礦周期的安全是礦山面臨的主要問題[1-5]。

1 內(nèi)排土場(chǎng)形式和破壞方式

1.1 內(nèi)排土方式

孝義鋁礦主要采用覆蓋式排土方式進(jìn)行排土(見圖1)。覆蓋式排土有利于排土場(chǎng)的穩(wěn)定，在合理的排土結(jié)構(gòu)參數(shù)下，排土場(chǎng)不易發(fā)生泥石流，穩(wěn)定狀態(tài)較好。

圖1 西河底礦區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)

1.2滑坡方式

孝義鋁礦鋁土礦主要呈層狀、似層狀分布，上部覆蓋層主要為山西式綿黃土，灰?guī)r含量較小，其內(nèi)排土場(chǎng)可能失穩(wěn)變形方式主要有[6-7]：

(1) 沿基底接觸面滑動(dòng)。由于排棄的黃土顆粒細(xì)，與基底接觸面間的內(nèi)摩擦角小，相互作用力小，加上部分區(qū)域的礦體呈傾斜狀分布，采場(chǎng)的高程落差大，在內(nèi)排土過程中，排土場(chǎng)的底部和采場(chǎng)工作面產(chǎn)生勢(shì)能差，邊坡體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在雨水、地表水等浸潤(rùn)作用下，容易誘發(fā)滑坡。

(2) 沿底部接觸面或弱夾層滑動(dòng)。為了防止滑坡發(fā)生，礦山在排土前，用推土機(jī)清理第四系表土，在底部墊鋪一層大塊灰?guī)r，增加了廢渣排棄物與基底接觸面的內(nèi)摩擦角，在重力的作用下，在接觸面的上部存在抗剪強(qiáng)度較低的大顆粒巖層接觸面，容易產(chǎn)生新的滑動(dòng)面。

孝義鋁礦區(qū)礦體底板為奧陶系灰?guī)r，巖石強(qiáng)度較高，整體性好，軟弱夾層少，不易發(fā)生順基底內(nèi)軟弱夾層面滑動(dòng)和基底圓弧滑動(dòng)。因此，內(nèi)排土場(chǎng)的主要變形方式為順基底接觸面滑動(dòng)，易在上部形成滑移裂縫[8-9](見圖2)。

2 內(nèi)排土場(chǎng)坡角線與工作幫安全距離

為了確保排土和采礦作業(yè)同時(shí)安全進(jìn)行，排土場(chǎng)坡腳線與采礦最低工作面之間須保持足夠的空間距離。如圖3所示，采空區(qū)A、B、C、D已經(jīng)形成，須滿足以下關(guān)系：

L≥l1+l2+l3

(1)

式中：l1—— 邊坡底邊界到內(nèi)排土場(chǎng)底線之間的距

離，m；

l2——安全距離，m，大小等于排土段高；

l3——采礦最小作業(yè)面寬度，m。

圖2 內(nèi)排土場(chǎng)滑移面裂縫

圖3 內(nèi)排土場(chǎng)安全距離要求

西河底礦區(qū)非工作幫邊坡角為48°，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡自然安息角為31°～34°，安全距離通常取排土段高(設(shè)計(jì)為12 m)，因此，安全距離為12 m，采場(chǎng)平臺(tái)寬度為30～40 m。經(jīng)過計(jì)算，內(nèi)排土場(chǎng)坡底線與工作幫邊坡最小距離須大于42～50 m。

3 排土場(chǎng)容積與廢渣松散體的關(guān)系

礦山在開采過程中，隨著剝離的不斷推進(jìn)，底部的鋁土礦層底板奧陶系灰?guī)r不斷被揭露，隨著鋁土礦不斷被開采，工作面不斷推進(jìn)，新的采空區(qū)不斷形成，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大[10-12]。為了節(jié)省外排土的壓力，減少土地占用量，在保證安全的前提下，在非工作幫一側(cè)實(shí)行內(nèi)排土作業(yè)。

（三）發(fā)揮老師的課堂主導(dǎo)作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性和創(chuàng)新能力，在課堂教學(xué)中應(yīng)當(dāng)以學(xué)生為主體。學(xué)生根據(jù)自己的意愿和理解獨(dú)立自主地進(jìn)行地理實(shí)踐活動(dòng)。培養(yǎng)學(xué)生的地理技能，除了實(shí)踐要符合學(xué)生的實(shí)際、能夠引起學(xué)生的興趣外，最主要的就是讓學(xué)生在實(shí)踐中動(dòng)手獨(dú)立思考、參加實(shí)踐過程的設(shè)計(jì)與實(shí)施、管理、評(píng)價(jià)等全過程。通過實(shí)踐活動(dòng)運(yùn)用理論、深化知識(shí)、提高技能，使學(xué)生真正成為地理實(shí)踐課的主體，給學(xué)生以自由的空間，但是時(shí)間上不能放任自由，實(shí)踐課和正常的教學(xué)一樣也應(yīng)該給以時(shí)間上的限制，讓學(xué)生有時(shí)間的觀念，在有效的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量的完成實(shí)踐內(nèi)容，努力達(dá)到教學(xué)的目的。

圖4 內(nèi)排土場(chǎng)容積計(jì)算

工作幫每推進(jìn)一定距離，所剝離的巖土松散體積與采空區(qū)容納的廢渣體積見圖4。假設(shè)內(nèi)排土場(chǎng)上部標(biāo)高與工作幫一致，當(dāng)工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離為B時(shí)，剝離物廢石體積Vb為：

Vb=LSbKp

(2)

(3)

內(nèi)排土場(chǎng)可容納的體積(Vp)為：

Vp=LSp

(4)

Sp=HBsinγ(cotγ-cotΦp)

(5)

式(2)～式(5)中，L為采場(chǎng)走向平均長(zhǎng)度，m；B為工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離，m；Φb為采場(chǎng)工作幫坡角；Φp為內(nèi)排土場(chǎng)工作幫坡角；Sb為工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離為B時(shí)，橫剖面上的剝離面積，m2；Sp為工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離為B時(shí)，截面圖上的內(nèi)排土面積，m2；Kp為內(nèi)排土場(chǎng)廢渣松散系數(shù)；H為工作幫開采深度，m；n為開采深度為H時(shí)的剝采比，m3/t；r為礦石容重，t/m3；η為回采率；γ為礦體傾角，(°)。

工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離為B時(shí)，內(nèi)排土場(chǎng)可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的百分比(P)為：

(6)

將上述各式代入式(6)，并設(shè)

則：

P=Kφ×100%

(7)

從式(7)可以看出，系數(shù)K主要與露天礦的剝采比有關(guān)，系數(shù)φ主要與礦體傾角有關(guān)。因此，采場(chǎng)內(nèi)排土場(chǎng)可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的百分比(P)主要與剝采比和礦體的傾角有關(guān)。

西河礦區(qū)鋁土礦呈層狀似層狀、緩傾斜-急傾斜狀產(chǎn)出，鋁土礦容重為2.85 t/m3，回采率η=92%，內(nèi)排土場(chǎng)剝離物松散系數(shù)Kp=1.15，工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)距離為B，開采深度為H時(shí)的生產(chǎn)剝采比在1～10 m3/t之間變化，則系數(shù)K與生產(chǎn)剝采比n間的關(guān)系見圖5。

若鋁土礦層傾角γ在0°～ 12°之間變化，則系數(shù)φ與礦體傾角γ之間的關(guān)系見圖6。

由圖5可知，當(dāng)鋁土礦礦體一定，礦體的容重、回采率、內(nèi)排土場(chǎng)剝離物松散系數(shù)皆為常數(shù)，系數(shù)K與剝采比n成反曲線關(guān)系，即隨著剝采比的增大，系數(shù)K逐漸變小，曲線的斜率變化較大；若剝采比小于3 m3/t時(shí)，系數(shù)K下降較快，而剝采比在3～8 m3/t之間時(shí)變化相對(duì)較緩。證明隨著剝采比的增大，工作幫沿礦體傾斜方向向前推進(jìn)時(shí)，內(nèi)排土場(chǎng)可容納的體積Vp占剝離物松散體積Vb的百分比P逐漸減小。

圖5 系數(shù)K與剝采比的關(guān)系

圖6 系數(shù)Φ與礦體傾角的關(guān)系

由圖6可知，當(dāng)開采方法一定，采場(chǎng)工作幫坡角、內(nèi)排土場(chǎng)排土工作幫坡角皆為常數(shù)，系數(shù)φ與鋁土礦傾角γ也成反曲線關(guān)系，即隨著鋁土礦傾角的增大，系數(shù)φ逐漸變小，曲線的斜率變化不大。說明隨著礦體傾角的逐漸增大，工作幫沿礦體傾斜方向推進(jìn)B距離時(shí)，內(nèi)排土場(chǎng)容積Vp占剝離廢渣松散體積Vb的百分比P逐漸減小。

4 內(nèi)排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5021-2007)中規(guī)定，由于內(nèi)排土場(chǎng)局部高出地面，發(fā)生失穩(wěn)后影響面廣，損失較嚴(yán)重，因此確定礦界邊緣允許安全系數(shù)Fs=1.3；礦界內(nèi)部中心區(qū)域確定允許安全系數(shù)Fs=1.15。

經(jīng)過穩(wěn)定性理論分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)參數(shù)取值如下：

排土場(chǎng)臺(tái)階高度為12 m，安全平臺(tái)寬度為16 m，臺(tái)階坡面角為31°～34°，內(nèi)排土場(chǎng)的總邊坡角為19°～21°。內(nèi)排土場(chǎng)與采場(chǎng)工作面間的最小安全距離為36 m，內(nèi)排土場(chǎng)坡底線與工作幫邊坡最小距離不得小于42～50 m。采用覆蓋式排土法，底部墊大塊廢石，上部排土以黃土、碎石土分層碾壓，分層高度為2 m，以抵抗可能的垂向滑移面。

5 內(nèi)排土過程管理

(1) 合理規(guī)劃設(shè)計(jì)。西河底礦區(qū)面積為5.595 km2，生產(chǎn)規(guī)模為165萬(wàn)t/a，服務(wù)年限為25年，總棄渣量為10681萬(wàn)m3，其中65%左右的棄渣進(jìn)行內(nèi)排土作業(yè)。如果沒有科學(xué)的排土設(shè)計(jì)規(guī)劃，將導(dǎo)致采場(chǎng)作業(yè)嚴(yán)重受限，大量的棄渣無(wú)法疊排，土地復(fù)墾工作無(wú)法進(jìn)行。因此，孝義鋁礦通過合理進(jìn)行排土場(chǎng)的總體規(guī)劃，在現(xiàn)場(chǎng)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定中長(zhǎng)期排土規(guī)劃，降低排土成本，增加礦山經(jīng)營(yíng)效益。

(2) 優(yōu)化排土工藝。孝義鋁礦地處黃土高原丘陵地帶，礦區(qū)高程起伏，排土場(chǎng)主要選擇在溝壑地帶，排土作業(yè)通常從底部開始，避免從高處直接往低處排土；清理內(nèi)排場(chǎng)底部第四系表土層，消除軟弱接觸層，先將硬度大巖石堆置在底層，在穩(wěn)固基礎(chǔ)的同時(shí)，增加排土場(chǎng)的透水性。同時(shí)，利用大塊巖石在排土場(chǎng)的底部形成一個(gè)反壓層，壓密邊坡底腳。

(3) 分層排土。在排土作業(yè)過程中實(shí)行分層排土作業(yè)：水平分層，即按塊度自然分級(jí)進(jìn)行分層排放，黃土層和碎石層間隔排放；傾斜分層，傾斜分層一般傾角為自然邊坡角，由于棄渣的強(qiáng)度不同存在分層強(qiáng)度差異性。為了降低分層間的弱化作用，應(yīng)采用選擇性排土法，即將棄渣劃分為若干分區(qū)分別排放，以降低滑坡發(fā)生的概率。

(4) 控制排土強(qiáng)度。排土強(qiáng)度的大小影響廢渣疊放高度及排土場(chǎng)內(nèi)部壓力增加的速度，當(dāng)應(yīng)力增加的速度超過一定閥值時(shí)，底部廢渣與地表接觸面的內(nèi)摩擦力超過自重產(chǎn)生的摩擦力時(shí)，應(yīng)力平衡遭到破壞，容易產(chǎn)生滑移面，誘發(fā)整個(gè)排土場(chǎng)失穩(wěn)，發(fā)生大規(guī)模坍塌滑坡。因此，在排土過程中，要控制排土強(qiáng)度。

同時(shí)，在內(nèi)排土作業(yè)時(shí)，利用大型推土機(jī)、重載卡車的自重對(duì)廢渣進(jìn)行反復(fù)碾壓，不斷增加層面間的摩擦力，減少層面可能產(chǎn)生的剪切力，也是調(diào)整排土強(qiáng)度的有效途徑。

(5) 排水、植物防護(hù)。另一個(gè)造成內(nèi)排土場(chǎng)滑坡的主要原因是地表降水。為了降低滑坡發(fā)生的概率，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤炅?，設(shè)計(jì)專門的排水溝、攔水溝，減少對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)的累積侵蝕，可以提高內(nèi)排土場(chǎng)的服務(wù)年限，降低維護(hù)成本。

孝義鋁礦位于黃土高原，地表植物根系發(fā)育良好，排土工程結(jié)束后，應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)剀俎！⑸臣?、披堿草等植物的生物護(hù)坡作用，利用植株發(fā)達(dá)根系，快入侵入地表3～10 m以上的特點(diǎn)，強(qiáng)化陡坡固土，發(fā)揮根莖的小型“抗滑樁”阻滑作用，以減少邊坡維護(hù)成本。

(6) 擋土墻。為了確保采場(chǎng)工作面的安全，在內(nèi)排土場(chǎng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理安全系數(shù)取值，增設(shè)擋土墻，優(yōu)化內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階容許高度。增設(shè)擋土墻可以增加坡體抗剪切應(yīng)力，是提高內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的有效途徑之一。

(7) 位移監(jiān)測(cè)。保障礦山采場(chǎng)和內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡位移變形，隨時(shí)掌控邊坡位移變化情況以及可能存在的劇烈變形，發(fā)現(xiàn)可能存在的不穩(wěn)定區(qū)域，把控內(nèi)排土邊坡的破壞形式及變形移動(dòng)方向，在生產(chǎn)周期內(nèi)，提高內(nèi)排土場(chǎng)的安全系數(shù)。

6 結(jié) 論

(1) 針對(duì)孝義鋁土礦生產(chǎn)特點(diǎn)，在系統(tǒng)分析單臺(tái)階全段高排土、壓坡腳式排土工藝、覆蓋式排土等排土方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了西河底礦區(qū)最優(yōu)排土方式為覆蓋式內(nèi)排土模式。

(2) 在系統(tǒng)分析順基底接觸面滑動(dòng)、順基底內(nèi)軟弱夾層滑動(dòng)、基底圓弧滑動(dòng)等可能破壞模式基礎(chǔ)上，針對(duì)西河底礦區(qū)排土特點(diǎn)，確定了礦山內(nèi)排土場(chǎng)的主要滑坡模式為順基底接觸面的滑動(dòng)，并指出了防控重點(diǎn)。

(3) 通過對(duì)西河底礦區(qū)內(nèi)排土坡腳線與工作幫安全距離研究，給出了礦山內(nèi)排土場(chǎng)和采場(chǎng)的最小安全距離；通過內(nèi)排土場(chǎng)容積與廢渣體積之間關(guān)系的研究，給出礦山內(nèi)排土場(chǎng)可容納的體積(Vp)占廢渣松散體積(Vb)的關(guān)系式，以及可容納的體積(Vp)與礦體的容重、剝采比、礦體的傾角、回采率、廢渣松散系數(shù)之間的關(guān)系。

(4) 在礦界邊緣允許安全系數(shù)Fs=1.3、礦界內(nèi)部中心區(qū)域允許安全系數(shù)Fs=1.15條件下，確定了西河底礦區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(5) 從合理規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化排土工藝、控制分層排土作業(yè)、控制排土強(qiáng)度、排水及植物防護(hù)、擋土墻、現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)等方面，提出了內(nèi)排土過程的安全管理技術(shù)措施。

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2017-08-08)

秦 帥( 1987-)，男，山東東營(yíng)人，碩士，工程師，主要從事采礦工程技術(shù)研究，Email: qinshuai_2008@163.com。