郝勇浙，劉躍忠，張飛，王昊，田睿

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010；2.內(nèi)蒙古豐沃工程技術(shù)咨詢有限公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010000)

礦山排土場(chǎng)易形成泥石流、滑坡等災(zāi)害[1]，隨著露天礦山的開采向深部發(fā)展，排土場(chǎng)的堆排高度和容積越來(lái)越大，發(fā)生災(zāi)害的概率和嚴(yán)重度也隨之增加[2]。排土場(chǎng)的滑動(dòng)破壞，會(huì)嚴(yán)重威脅到邊坡上部及下部采礦作業(yè)及安全生產(chǎn)的安全，還可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡[3]。因此，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益角度還是從安全生產(chǎn)角度，對(duì)露天礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性給予精確的評(píng)價(jià)并提出合理的治理措施顯得異常重要[4]。對(duì)于露天礦而言，保證露天礦山的安全生產(chǎn)首先應(yīng)保證其排土場(chǎng)在服役期間的安全穩(wěn)定。本文考慮一個(gè)典型剖面在是否飽水和地震的幾種工況下，采用GeoStudio巖土工程軟件傳統(tǒng)的極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分別采用Bishop法和Morgenstern-Price法對(duì)排土場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究；在對(duì)現(xiàn)狀排土場(chǎng)進(jìn)行分析后，提出了分臺(tái)階允許局部滑坡的治理方案，提高了排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。目前對(duì)于排土場(chǎng)治理措施的研究方法主要為在排土場(chǎng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出針對(duì)性的治理措施[5]。

1 排土場(chǎng)邊坡現(xiàn)狀

目前該礦每年排巖量約360萬(wàn)m2，排土場(chǎng)每5年高度增長(zhǎng)約18 m。近10年排土位置處于排土場(chǎng)南部，最高標(biāo)高1724 m，廢石最大厚度約為74 m。

現(xiàn)階段，排土場(chǎng)分為東西2個(gè)，2個(gè)堆場(chǎng)一路之隔。西排土場(chǎng)原地表北部標(biāo)高約1679 m，南部標(biāo)高約1650 m。西排土場(chǎng)分為1681，1692，1707，1724 四個(gè)平臺(tái)。1666 m～1681 m 坡角為 55°～65°，1681 m～1692 m 坡角為 46°～56°，1692 m～1707 m坡角為 43°～53°，1707 m～1724 m 坡角為 43°～53°。未做坡面工程；東排土場(chǎng)原地表北部標(biāo)高約1661 m，南部標(biāo)高約1649 m。分為 1661，1668，1680，1706，1715，1720 六個(gè)平臺(tái)。1661 m～1668 m坡角為 43°～53°，1668 m～1680 m 坡角為 38°～45°，1680 m～1706 m 坡角為 43°～53°，1706 m～1715 m坡角為32°～40°，1715 m～1720 m坡角為32°～40°。北坡坡面工程覆土厚度為20 cm～50 cm，南坡未做坡面工程。為滿足礦山安全生產(chǎn)的需要，石寶鐵礦對(duì)排土場(chǎng)北坡進(jìn)行了削坡處理，處理后的排土場(chǎng)北邊坡與采坑南幫邊坡連成整體，排土場(chǎng)北坡東部坡腳偏大，且安全平臺(tái)寬度偏小。

排土場(chǎng)剖面地層巖性按成因及巖性的不同分為3層：

（1）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，近5年堆填，稍濕，呈松散—稍密狀態(tài)。其層厚約7 m，層底標(biāo)高為1702.37m～1711.09 m。

（2）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm的碎石塊為混砂土，5～10年前堆填，稍濕，呈中密狀態(tài)。其層厚約18 m，層底標(biāo)高為1684.37 m～1693.09 m。

（3）碎石（Q4ml）：碎石土，直徑為0.1 cm至30 cm碎石塊為混砂土，近10年前堆填，稍濕，中密～密實(shí)狀態(tài)。其層厚約35 m，層底標(biāo)高為1650.05 m～1679.50 m。

由相關(guān)生產(chǎn)勘察報(bào)告可知，F(xiàn)12、F18斷層產(chǎn)狀及位置，因 F12、F18斷層投影到本次剖面圖后距離本次研究不利區(qū)域及地層很遠(yuǎn)，故本次計(jì)算暫不考慮F12、F18斷層這一因素。

2 排土場(chǎng)防治方法

露天排土場(chǎng)治理方法通常有3種：第一種是削坡減載，降低坡角，通過(guò)開挖邊坡上部碎石降低邊坡角，并將塊度較大的石塊放置于坡腳處以增加邊坡的抗滑動(dòng)能力；第二種是加筑人工阻擋物，如擋土墻、抗滑樁等；第三種是通過(guò)在軟弱層添加力學(xué)性質(zhì)較好的巖石的方式以此來(lái)增加其抗滑能力[6-9]。由于本排土場(chǎng)之前有序排土，為等厚土層，其軟弱層分布均勻，一般排土場(chǎng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期堆排，采用人工加固的方法不僅成本高，且施工困難[5]。因此， 石寶鐵礦排土場(chǎng)邊坡防治措施應(yīng)采取上部減重、增加臺(tái)階個(gè)數(shù)、減緩邊坡角、疏干排水與內(nèi)排工程相結(jié)合的綜合措施。

3 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

3.1 初始狀態(tài)下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

此次分析選取排土場(chǎng)南部剖面，臺(tái)階上部有鱷式破碎機(jī)，一旦滑坡會(huì)造成機(jī)器損毀或人員傷亡，加之降雨對(duì)排土場(chǎng)的侵蝕，使得南部排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定受到威脅，地質(zhì)模型見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)模型剖面

如圖1所示，剖面處臺(tái)階高度為60 m，臺(tái)階剖面角為41°，土層分為3層，從上至下土層厚度分別為7 m，18 m，35 m。

排土場(chǎng)堆積物以礦山生產(chǎn)剝巖的廢石為主，黃褐色～灰黑色，呈干～稍濕、稍密～中密狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、已有地質(zhì)資料以及文獻(xiàn)資料[10-12]，選取計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)項(xiàng)目所處排土場(chǎng)周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，采用GeoStudio巖土軟件進(jìn)行建模分析，計(jì)算自然條件下和飽和地震條件下的排土場(chǎng)穩(wěn)定性系數(shù)，研究其排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性變化情況。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 計(jì)算剖面自然狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50191—2012），達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）確定該排土場(chǎng)邊坡安全等級(jí)為三級(jí)，排土場(chǎng)南部邊坡Fst=1.15，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）中邊坡穩(wěn)定性劃分見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可知，計(jì)算剖面邊坡在正常條件下的穩(wěn)定系數(shù)高于1.15，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽和地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)低于1.15，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡，需要進(jìn)行削坡減載，降低最終邊坡角來(lái)提升邊坡穩(wěn)定性。

圖3 計(jì)算剖面飽水和地震狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果

表2 邊坡穩(wěn)定性劃分

3.2 削坡減載后的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

為了項(xiàng)目安全生產(chǎn)的需要，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)計(jì)算剖面邊坡進(jìn)行相應(yīng)的治理。結(jié)合石寶鐵礦排土場(chǎng)實(shí)際情況，采用分臺(tái)階削坡減載降低邊坡角的治理方案。

考慮最小安全平臺(tái)為5 m，選擇在平臺(tái)寬度b=8 m的情況下，計(jì)算2種工況下飽和地震狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性。削坡后的地質(zhì)模型見(jiàn)圖4。其臺(tái)階參數(shù)H1=H2=30 m，臺(tái)階邊坡角為41°，最終邊坡角為38°。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 削坡后地質(zhì)模型剖面

由圖5可知，在飽和地震狀態(tài)的工況條件下，其計(jì)算排土場(chǎng)邊坡在上部臺(tái)階存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，但其整體穩(wěn)定性良好。

圖5 計(jì)算剖面飽水和地震狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果

3.3 治理措施

根據(jù)上述計(jì)算得知，排土場(chǎng)邊坡在削坡減載后的飽和地震狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但上部臺(tái)階存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)，仍需進(jìn)行進(jìn)一步治理，所以提出允許局部滑坡的治理措施。由于基本穩(wěn)定的上部臺(tái)階允許垮落，且其滑落體對(duì)下部臺(tái)階的邊坡穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響，這就要求安全平臺(tái)有足夠的寬度承接上部垮落的巖石而不影響下部臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)分析計(jì)算，上部臺(tái)階邊坡滑坡后形成的堆積體在安全平臺(tái)上堆體寬度為8 m?？紤]最小安全平臺(tái)為5 m，綜合考慮其平臺(tái)寬度為15 m，圖6為滑坡后邊坡模型圖。其計(jì)算結(jié)果及分析見(jiàn)圖7～圖8。

圖6 滑坡后邊坡模型

由圖7可知，允許上部臺(tái)階局部滑落后邊坡穩(wěn)定性在飽水和地震狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定。

根據(jù)圖8可知，在飽水和地震狀態(tài)下的初始狀態(tài)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)削坡減載后，安全系數(shù)有所提升，但依然存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，在保證留有5 m安全平臺(tái)的基礎(chǔ)上允許滑坡后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在1.15以上，滿足安全生產(chǎn)要求，并提高了邊坡穩(wěn)定性。

圖7 允許滑坡后邊坡飽水和地震狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果

圖8 兩種方法在飽水和地震狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4 排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)

露天排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性十分重要，一旦邊坡失穩(wěn)破壞，將嚴(yán)重威脅工作面的人和設(shè)備安全。為及時(shí)掌握邊坡穩(wěn)定性情況，設(shè)計(jì)并建立地表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測(cè)[13]，以實(shí)時(shí)掌握剝采過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，這些對(duì)于避免滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。

（1）位移監(jiān)測(cè)。邊坡從受到力的作用變形到最終破壞，通常要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的演化過(guò)程。邊坡失穩(wěn)的發(fā)展過(guò)程，往往伴隨著一系列邊坡地表、地下的宏觀與微觀變形現(xiàn)象，包括邊坡地表的位移、地面裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展、地下滑動(dòng)面的形成等，通過(guò)位移監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌握這些現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。

（2）邊坡監(jiān)測(cè)管理措施。項(xiàng)目應(yīng)成立邊坡管理小組，選派技術(shù)人員或有經(jīng)驗(yàn)的工人專門負(fù)責(zé)邊坡監(jiān)測(cè)和管理工作。邊坡監(jiān)測(cè)工作主要是建立邊坡監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，定期進(jìn)行地表、地下位移監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理，加強(qiáng)工作面水的管理，如發(fā)現(xiàn)不按設(shè)計(jì)施工或違反規(guī)定以及出現(xiàn)滑坡險(xiǎn)情時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。邊坡監(jiān)測(cè)或現(xiàn)場(chǎng)檢查有重大滑坡征兆等緊急情況時(shí)，邊坡管理人員有權(quán)停止有滑坡險(xiǎn)情或險(xiǎn)情危及區(qū)域的生產(chǎn)或施工作業(yè)，并向礦山負(fù)責(zé)人報(bào)告，以保證生產(chǎn)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)包頭市某露天礦排土場(chǎng)南部邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)項(xiàng)目所處排土場(chǎng)周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，計(jì)算剖面邊坡在正常條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在飽水狀態(tài)和地震狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）在建模分析之后，由于在飽水和地震狀態(tài)下的排土場(chǎng)邊坡存在安全隱患，并在削坡減載后采取允許滑坡的邊坡治理手段，為其他類似邊坡提供參考；

（3）在進(jìn)行安全分析計(jì)算的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌控邊坡的位移變形數(shù)據(jù)，以確保排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定安全。