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排土场的整改扩建设计研究

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摘要:歪山梁子排土场为矿山已有排土场,现有设施完善,但在堆置过程中局部边坡陡峭,经过稳定性计算存在一定的安全风险,同时矿山露天远期排土场建设周期长,为维持露天采场正常生产,经过对歪山梁子排土场原始地形、现状堆置情况和四邻关系的分析可知歪山梁子排土场具备整改扩建条件。在现有拦碴坝下游再新修拦碴坝,经过计算确定堆置要素后,对现有边坡进行覆盖式堆置排土,经过稳定性分析验算整改扩建后整体稳定性能满足要求,说明歪山梁子排土场整改扩建后安全可靠,能解决露天矿山废石堆存接替问题。

关键词:露天采场;排土场;稳定性计算;堆置要素

排土场为集中堆放露天开采剥离或地下开采废石的场所,也称为废石场。排土场设计主要和地形条件、岩土情况、四邻关系、物料物理特性相关,在满足安全的前提下尽量多的设计出有效库容能更好的保障矿山正常持续的生产。现就云南金鼎锌业有限公司歪山梁子排土场扩容设计浅析排土场的设计要点。

1工程概况

云南金鼎锌业有限公司位于云南省怒江州兰坪县,属于低纬山地季风气候,本区内总体上属次稳定区域。矿区内废石主要为露天采场剥离,每年约750万立方米,矿山现有歪山梁子排土场已经堆排到设计库容,但局部堆置边坡过陡,经过稳定性计算后发现存在一定的安全风险,因此对歪山梁子排土场进行整改,消除安全风险,在此基础上扩建增加一定的库容。歪山梁子排土场原始地形为冲沟,北侧为山坡,南侧为山脊现状设计库容2884.90万立方米,堆排总高度269m,坝体采用堆石坝,采用汽车运输。整改扩建工程在此基础上新修筑堆石拦碴坝,对下部进行压坡脚确保稳定,再在上部进行扩建堆置废石。

2设计要点

2.1原始地形和堆置现状

歪山梁子排土场位于露天采场南侧,两山脊之间的沟谷地带。冲沟总体呈东北~西南走向,东高西低,沟长约1.6Km,沟底前缘坡度约6°;后缘沟底坡度约20°。冲沟在下游标高2450m左右收口,收口处有一山头,山顶标高2470m。北侧为现有南大沟排土场,南侧山脊为练登大沟。歪山梁子排土场原始地形三维模型见图1。歪山梁子排土场现状顶部2745m至2750m标高与南大沟扩容排土场连成一片。堆石坝坝顶标高为2500m;堆置台阶共11个,一般段高25m,平台宽度10m至15m,台阶坡面角约34°~35°,整体坡面角度2525m~2599m段整体坡面角约25°;2599m~2745m整体坡面角15°。现状和原始地形结合典型断面图见图2。现有排土场外部截洪沟底排渗设施都按照规范进行了设计,并且运转良好。主沟上游部分已被现有废石覆盖,北侧为延展山体,主要为东北至西南走向的山坡,地形坡度约20°;南侧与练登大沟北部支沟有山脊相隔。现有歪山梁子排土场为多台阶堆置,堆排主冲临空方向和歪山梁子沟走向相近,东南临空方向主要分布在现有排土场上部。歪山梁子下游呈东北~西南~西走向,左岸有山脊和一山头,可选择在沟心转折处筑坝,利用山头作为屏障。下游沟心整体纵坡约10°,除有部分人工填土堆积外,总体地形有利。因此设计在现有拦碴坝下游约265.00m处新修筑拦碴坝,沟心坝高约21.50m,对现有排土场进行压坡脚,保障排土场稳定;采用覆盖式排土,覆盖掉原有排土场堆排部分,西北部分在新设计堆存标高提高后,可以在现有排土场边界基础上向西侧延伸约125.00m,以此在整改基础上,尽可能利用地形增加库容。因东南边界已经堆排至山脊,设计维持现状,根据西北和中部主要台阶的延展和堆排现状自然搭接,通过调整台阶宽度的措施,做到两者自然融合。

2.2排土场四邻关系

拟建歪山梁子整改扩容排土场四邻关系相对简单,北侧为正在使用的南大沟扩容排土场,中间有厚大山体相隔,顶部在南大沟扩容排土场排满时在标高2745.00m连成一体;东侧与练登大沟北部支沟中间有山脊相隔;下游拟新建拦碴坝距离沘江直线距离约1.68Km。距离七联山地生态养殖场距离约190.22m,该养殖场现已废弃,建议将现有建构筑拆除,避免外来人员利用该建筑居住等。拟建排土场主要临空面为东北-西南方向,现有大园坪选厂位于排土场下游北侧,冲沟北岸,距离排土场厂区边界现状标高为2371.00m,拟建拦碴坝距离选厂厂界854.58m,因此结合稳定性计算按照《有色金属矿山排土场设计规范》的要求,拟建排土场与现有大园坪选厂之间的安全间距满足要求。拟建排土场东南侧与练登大沟北部支沟相隔山脊末段有一垭口,垭口西侧有一山头,可作为拟建排土场的屏障,设计考虑在此处修筑拦碴坝,总体有利。

2.3工程地质条件

本工程详细勘查报告表明拟扩建场区现状下基本稳定,区域地质条件适宜筑坝建场。场地内主要地层岩性构成由新至老主要为:人工堆积层废石;冲洪积卵石;坡残积粉质黏土;下第三系古新统云龙组粉砂质泥岩;白垩系上统虎头寺组石英砂岩;白垩系上统南新组细砂岩;侏罗纪中统花开左组下段粉砂质泥岩;三叠系上统三合洞组下段角砾状灰岩。设计根据详勘报告对初步方案各个主要剖面进行了试算,发现整改扩建北部区域最不利滑面出现在堆排设计台阶2650m附近沿植被层和粉质粘土层交界处滑动,自堆排最低台阶坡脚滑出。结合这一因素,设计最终将北侧边界收缩,尽量减少上部台阶堆排,实行载措施后,结合下部部分区域清除根植土,安全系数满足要求。另一方面,主沟断面试算结果较为理想,下游堆排区域沟心将人工填土清除后,安全系数满足要求。新建拦碴坝布置在歪山梁子排土场现有堆石坝下游约255m处,该处地形较为平缓,沟心纵坡约9°,岩土层自上而下为人工填土、卵石层、弱风化粉砂质泥岩。拦碴坝采用堆石坝,背坡设置滤水层,防止渗漏。

3设计方案

充分考虑地形和岩土情况以及四邻关系,在现有冲沟转折处,山头处设置拦碴坝,与现有歪山梁子排土场堆排台阶近似水平方向多台阶堆排;在拟建排土场顶部设计台阶坡顶标高2780.00m,让新的排土场台阶与现状自然搭接过渡,不翻过东南山脊。西北侧现有场地上,根据公路现状和顶部标高情况,设计最终堆置标高2745.00m。

3.1废石物理性质

拟扩建排土场所排废堆料与已建排土场内的堆料来源基本相同,主要为生产剥离的废石,其母岩主要为花开左组砂岩、麦初箐组粉砂质泥岩、三合洞组灰岩、果郎组粉砂质泥岩、中细粒粉砂岩以及云龙组泥质粉砂岩,除灰岩外均为软弱岩层。架崖山、北厂矿段,构造变动强烈,风化作用强烈。排土场散体物料具有风化快、遇水易崩解等特点。物料性质对废石场设计参数、堆排方式、安全性影响较大。本次可研结合现有歪山梁子排土场和正在堆排的南大沟扩容排土场废石堆排现状,废石自然安息角介于34°到36°,设计取台阶坡面角为35°。废渣性质:项目堆放采场废石,由监测报告判定本项目堆放的废石为第Ⅰ类一般工业固体废物。

3.2排土场要素确定

3.2.1堆排第一台阶高度的确定废石场作为一种特殊的工程建设,同样要求基底的承载力满足最基本的需要,在排土体的荷载作用下,地基由于压缩性大,孔隙比大,渗透性小等因素,宏观表现为竖向压缩变形,水平挤出的变形剪切破坏,因此按照堆载预压提高地基承载力的机理,控制排土场第一台阶高度,预压地基,提高“地基承载力”,并将第一台阶作为后续台阶的“基础”。在排土初期,基底岩土开始被压实,当堆置到一定高度时,基底被压实到最大的承载能力,但尚未到达极限状态,经过计算排土场地基最大的承载能力允许堆置高度H1为15.2m,《有色金属矿山排土场设计规范》规定“多台阶排土基底第一级台阶高度易取10m~25m”,参考采矿手册中“第一台阶高度以不超过20m~25m为宜,当基底为倾斜的砂质粘土时,第一台阶的高度不应大于15m”。结合场地地形环境、工程地质条件及与现有排土场堆排边界标高合理衔接等因素,设计中取第一台阶高度为10m。

3.2.2废石场工作平台宽度确定设计废石场场采用多台阶排土,废石场堆置阶段的工作平台宽度主要取决于排弃物的物理力学性质、上一台阶的高度、大块石滚动距离、运排设备的工作宽度、平台上最外运输线至眉线的安全距离等确定,并应满足上下两相邻台阶互不影响的要求。目前矿山南大沟扩容排土场以及原有歪山梁子排土场均采用凯沃矿用自卸汽车运输,整车长9.3m,整车宽2.5m,转弯半径15.0m。本废石场采场汽车运输,推土机辅助作业,汽车运输平台宽度如下:经计算公路运输工作平台宽度为52.1m,设计取53.0m,最初在工作平台没有达到宽度时,需要利用推土机辅助装载堆置。

3.2.3其他要素根据以上确定的要素对歪山梁子排土场进行了纸上作图设计,堆置总高度320m(设计台阶2460m至2780m);台阶坡面角:35°;总体边坡角:约21°;废石松散系数K0=1.533;废石沉降系数K1=1.20;废石场堆存系经计算公路运输工作平台宽度为52.1m,设计取53.0m,最初在工作平台没有达到宽度时,需要利用推土机辅助装载堆置。

3.2.3其他要素根据以上确定的要素对歪山梁子排土场进行了纸上作图设计,堆置总高度320m(设计台阶2460m至2780m);台阶坡面角:35°;总体边坡角:约21°;废石松散系数K0=1.533;废石沉降系数K1=1.20;废石场堆存系通过对以上要素确定,歪山梁子排土场整改扩建最终设计有效库容2403.56万立方米。歪山梁子排土场典型断面图见图3。

3.3稳定性计算

根据《有色金属矿山排土场设计规范》(GB50421-2007)对排土场设计等级的确定,按照计算库容和堆置总高度,确定本排土场设计等级为一级,则歪山梁子现有排土场安全系数标准:自然工况:Ks≥1.25;地震工况:Ks≥1.10;降雨工况:Ks≥1.15。选取7个控制性剖面按照详勘提供的岩土力学指标进行经过两种方法校核计算后均能满足安全系数要求。选取的控制性断面位置见图4总平面布置图。

4结论

(1)通过对歪山梁子排土场原始地形、现状堆置情况和现有设施、四邻关系以及岩土条件的分析可知,具备整改扩建条件。(2)对堆置要素进行计算后,按照堆置要素进行设计,通过对整体稳定性验算,增加库容是安全可靠的。

参考文献

[1]《有色金属矿山排土场设计规范》(GB50421-2007).

作者:郑浩林 丰书荣 单位:昆明有色冶金设计研究院股份公司

排土场的整改扩建设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次