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        厄瓜多爾米拉多銅礦南排土場穩(wěn)定性分析

        2022-04-16 03:50:38李長城
        露天采礦技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:排土場安全系數(shù)剖面

        李長城

        (中鐵十九局集團(tuán)有限公司,北京 100176)

        排土場是露天礦生產(chǎn)過程中用來堆放剝離物的場址[1],排土場的不穩(wěn)定直接干擾露天礦的正常生產(chǎn),甚至對礦山的人員造成一定的傷亡[2-3]。在露天邊坡治理方面,我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。吳敏強(qiáng)等[4]以牙根水電站邊坡為研究對象,通過數(shù)值模擬與理論分析對動載荷作用下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,提出了嚴(yán)格極限平衡法,與傳統(tǒng)極限平衡法計算結(jié)果誤差較小,且可與數(shù)值模擬結(jié)果相對應(yīng)。張云鵬等[5]根據(jù)相似定律制作了相似模型,研究了地震作用下摩擦塊的速度時程曲線,確定了摩擦塊在動載荷作用下的安全系數(shù);龍偉文[6]通過分析水庫邊坡失穩(wěn)形式與地震對水庫邊坡的影響,建立了邊坡失穩(wěn)動力分析模型,對控制邊坡具有一定的指導(dǎo)作用;王玉凱等[7]系統(tǒng)研究了軟弱基底排土場的受力特點(diǎn)與變形特征,對比分析了2 種工況下排土場的的變形破壞特征,表明天然基底排土場的穩(wěn)定程度遠(yuǎn)大于飽和基底排土場;韓萬東等[8]通過理論分析與數(shù)值模擬確定了勝利一號露天煤礦內(nèi)排土場的穩(wěn)定系數(shù),證明了極限平衡理論的正確性,對治理危險邊坡具有一定的借鑒意義;袁遠(yuǎn)等[9]采用GEO-Slope 對安太堡礦排土場邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究,分析了邊坡破壞規(guī)律,并針對性提出了壓腳措施,大幅縮減了變形范圍,保證了排土場邊坡的安全穩(wěn)定。

        以厄瓜多爾米拉多銅礦南排土場二期終了設(shè)計為例,從排土場動載荷(地震)、水文條件等幾個影響因素,詳細(xì)論述了二期終了堆排設(shè)計的穩(wěn)定性,并計算了排土場二期終了堆排設(shè)計中各剖面在自然工況、降雨工況和地震工況下的安全系數(shù),從而提出針對二期設(shè)計的堆排建議及注意事項(xiàng)。

        1 工程概況

        厄瓜多爾米拉多銅礦地處南美洲厄瓜多爾國東南部,氣候及自然條件具有鮮明的特點(diǎn),年降雨量在2 000 mm 左右,地表植被茂密、溝壑縱橫,地表水和地下水豐富。同時該礦區(qū)處在環(huán)太平洋地震帶上,地震等級較高。礦區(qū)南排土場位于采區(qū)東南部,南排土場總共分為一期、二期和三期排土場,總?cè)萘考s為9 800 萬m3。其中一期排土場設(shè)計最終標(biāo)高1 300 m水平,容積為670 萬m3。一期物料多為砂質(zhì)黏土、砂、強(qiáng)風(fēng)化料,質(zhì)地松軟、破碎、穩(wěn)固性差,石料相對較少,因此對一期原設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化,目前一期按優(yōu)化后設(shè)計已經(jīng)在基建剝離期堆排完畢。二期排土場在一期排土場之上繼續(xù)堆存,標(biāo)高在1 300~1 500 m 水平之間,容積約為6 030 萬m3。目前礦山已經(jīng)進(jìn)入采礦期,開始二期堆排,針對南排土場二期終了設(shè)計進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

        2 影響排土場穩(wěn)定性主要因素和穩(wěn)定性分析方法

        1)動載荷。該礦區(qū)屬于環(huán)太平洋地震帶,地震基本烈度為Ⅷ度。因此,需考慮動載荷(地震)對礦區(qū)南排土場穩(wěn)定性的影響。露天礦排土場穩(wěn)定性分析一般要加入爆破振動影響因素,由于露天采場不斷擴(kuò)幫,與排土場距離逐漸縮小,爆破擾動對排土場的影響不可忽視。

        2)水文條件。由于氣候的特殊性,礦區(qū)排土場地表水與地下水發(fā)育,因此需考慮水文地質(zhì)條件對排土場穩(wěn)定性影響。

        3)邊坡穩(wěn)定性分析方法。目前,關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的計算方法非常繁多,其中簡化Bishop 法因其計算簡便且精度高便成為最普遍的邊坡穩(wěn)定性計算方法之一,為此本次采用簡化Bishop 法計算[10]。

        3 排土場等級及允許安全系數(shù)

        1)南排土場的設(shè)計等級。根據(jù)GB 50421—2018《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,排土場的設(shè)計等級應(yīng)根據(jù)使用期內(nèi)排土容積V、排土場的地形條件、排棄物堆置最終高度H 等因素確定。排土場設(shè)計等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。米拉多銅礦南排土場終了設(shè)計標(biāo)高為1 220~1 500 m 水平,終了堆排高度280 m,容積約9 800 萬m3,因此確定等級為一級。

        表1 排土場設(shè)計等級

        2)南排土場安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)取值。根據(jù)GB 50421—2018《有色金屬礦山排土場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第7.4.2 條,一級排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)Ks取值宜取1.25~1.3,排土場穩(wěn)定性應(yīng)校核降雨工況與地震工況。最終得出二期終了設(shè)計排土場在不同工況下的最小安全系數(shù)取值見表2。

        表2 排土場最小安全系數(shù)許用值

        4 穩(wěn)定性分析及結(jié)果

        合理的剖面直接關(guān)系到邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。南排土場二期終了設(shè)計邊坡穩(wěn)定性分析共計算了A-A'、B-B'、C-C'、D-D'、E-E' 5 個剖面,所選取的5 個剖面具有一定代表性,能相對全面地反映出礦區(qū)南排土場的堆置情況,對礦區(qū)排土場的穩(wěn)定性研究具有一定的可靠性。排土場各剖面平面位置分布圖如圖1。

        圖1 排土場各剖面平面位置分布圖

        對選取的5 個剖面分別計算了自然工況、降雨工況、地震工況下的安全系數(shù),不同工況條件下各剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖2~圖6。將上述結(jié)果繪制成折線的不同剖面最小安全系數(shù)折線圖如圖7。

        圖2 A-A'剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

        圖3 B-B'剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

        圖4 C-C'剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

        圖5 D-D'剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

        圖6 E-E'剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

        圖7 不同剖面最小安全系數(shù)折線圖

        由圖7 可知:二期終了排土場設(shè)計中B-B'、DD' 剖面在3 種不同工況下都可以達(dá)到最小安全系數(shù)許用要求;A-A'、C-C' 剖面在自然工況和降雨工況下可以達(dá)到安全系數(shù)許用要求,但在地震荷載作用下其最小安全系數(shù)小于規(guī)范的下限要求,須采取有效的堆排要求或工程措施;E-E'剖面在不同工況下都不能達(dá)到安全系數(shù)許用要求,應(yīng)采取有效措施保證排土場安全,使其穩(wěn)定性符合要求。當(dāng)各剖面在各種工況條件下達(dá)到最小安全系數(shù)時才能進(jìn)行排土場的運(yùn)行。

        不同工況下最小安全系數(shù)對比發(fā)現(xiàn),對米拉多銅礦南排土場安全起決定性的荷載組合為地震工況。由于礦區(qū)位于安第斯山褶皺系,屬于環(huán)太平洋地震帶范圍,該地區(qū)屬于地震頻發(fā)地區(qū),參照中國恩菲工程技術(shù)有限公司提交的《厄瓜多爾南排土場邊坡穩(wěn)定性研究》,礦區(qū)地震基本烈度為8 度。如此強(qiáng)大的地震荷載作用下,邊坡最小安全系數(shù)大幅降低,使得地震工況成為排土場邊坡的最危險工況,礦方應(yīng)對排土場結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計以達(dá)到防震要求。米拉多銅礦所在地區(qū)年降雨量大,在強(qiáng)降雨作用下排土場坡面會形成表面徑流和沖溝,從而引發(fā)局部失穩(wěn)甚至連鎖式組合臺階失穩(wěn),且排土場匯水面積較大,排土場坡面很容易形成匯水與徑流,礦方應(yīng)加以重視,定期對坡面進(jìn)行修整、壓實(shí),完善礦區(qū)南排土場的排水疏干系統(tǒng)。

        5 結(jié)語

        南排土場在自然、降雨和地震工況條件下的最小安全系數(shù)下限為1.25、1.20、1.15。在3 種不同工況下,B-B'、D-D'剖面的安全系數(shù)大于要求下限,符合規(guī)范;地震工況下,A-A'、C-C' 剖面安全系數(shù)不足1.15,須采取有效堆排要求或其他工程措施;E-E'剖面在3 種工況條件下的安全系數(shù)都低于規(guī)范下限,必須采取必要工程措施甚至改變堆排結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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