排土場

排土場(dump，wastedump，wastepile)又稱廢石場，是指礦山採礦排棄物集中排放的場所。排土場是一種巨型人工鬆散堆墊體,存在嚴重的安全問題。排土場失穩將導致礦山土場災害和重大工程事故,不僅影響到礦山的正常生產,也將使礦山蒙受巨大的經濟損失。

基本介紹

• 中文名：排土場
• 外文名：waste dump
• 別稱：廢石場、渣場
• 定義：礦山採礦排棄物集中排放的場所
• 組成：巨型人工鬆散堆墊體
• 缺點：存在嚴重的安全問題

土場介紹

江西某銅礦排土場位於天排山西側山麓,地勢總的變化是東南高西北低。場區山體較陡峻,地形高差較大。自采場擴幫以來排土場急速堆高,再加上擴幫排出的大多是粘土,排土場曾發生兩起重大事故: 2004年9月,在該排土場堆存過程中由於邊坡失穩,排土車輛滑到坡腳,差點造成車毀人亡; 2005年1月份,在該排土場排土過程中造成了1人死亡。

該排土場的下游是鐵路和農田,一旦排土場出現滑坡,不僅會影響到該礦的正常生產,而且會危及到下游的鐵路和農田,因此,亟需對該礦排土場邊坡進行穩定性分析,以預測邊坡發展趨勢。

工程概況

江西某銅礦排土場原始地貌形態以構造剝蝕為主,沿東南向西北有五條溝谷,溝谷縱坡靠近山脊處較陡,前部較為平緩,溝谷上游呈“V”字型,下游呈“U”字型,溝谷中沉積有粘土和亞粘土及排土場流失下來的鬆散堆積物。場區山坡上灌木雜草叢生,地表幾乎全部為植被所覆蓋,僅局部見有中、強風化基岩裸露。

排土場地基岩層主要為混合岩,主要岩石為混合岩化的黑雲母斜長片麻岩,斑狀結構,裂隙較發育,上部表層屬強～中風化層,厚度0. 60～12. 9 m,岩性鬆軟,下部原岩灰綠色,完整堅硬。場區第四系表土分布較多,有植物層(厚0. 1～0. 4 m) 、第四系淤泥質亞粘土(厚1. 0～2. 0 m) 、第四系坡積亞粘土(厚0. 7～2. 3m) 、第四系沖積亞粘土(厚1. 31～4. 50 m) 、第四系殘積亞粘土(厚0. 40～5. 00 m) 。礦區F1、F2斷層未穿過排土場,場區內無大的斷層和斷裂構造。潛在滑坡體為人工堆積物,最大堆積高度為78 m,平均堆積坡角為34°。

排土場區內無常年地表水流,其最低標高約90m,附近的桐木江標高為50 m,故排土場不受桐木江影響。排土場區水文地質條件屬簡單類型。

排土場測量

是為進行露天礦排土場的設計、選址和了解排土場使用現狀等進行的測量工作。包括測定排土場的面積和高度、計算排土場的接受能力、在現場標定排土場境界、進行排土場的碎部測量以及對排土場的下沉和變形進行觀測。

力學性質研究

排土場岩土物理力學性質研究

影響排土場邊坡的主要因素包括基底軟層及排棄物的強度,因此有必要對其進行物理力學性質研究,以便進行計算分析。

1　地基土物理力學性質

排土場區內普遍覆蓋一層厚度不大的第四系表土,其力學強度較低,是排土場穩定性研究必須考慮的因素。為此在地基土中採集有代表性的岩土試樣進行土的物理力學性質試驗。

2　散體物料物理力學性質研究

排土場散體物質組成是決定排土場堆料的力學性態的主要依據。為此採用精度高的篩分法,結合攝影法和直接量測法,來測定岩石的粒度組成。除了在排放中的隨機因素外,各塊度級別沿邊坡高度分布存在著明顯的規律性,由上而下,塊度逐漸增大,總的趨向是小塊集中在上部,大塊在下部,中間部分各種塊度參差不齊,但以中等塊度居多。

散體物料物理力學性質的測定分以下3組:

①含細顆粒( d < 5 mm)較多,一般位於排土場上部;

② 含細顆粒中等,含中等顆粒較多,一般位於排土場中部;

③大塊岩石,一般位於排土場中下部及下部。

計算結果分析

1　最大不平衡力分析

FLAC3D程式採用最大不平衡力來刻劃計算的收斂過程。單元的最大不平衡力隨著計算時步的變化過程。單元的最大不平衡力隨計算時步增加而逐漸趨於極小值,說明計算是穩定的。

2　位移分析

在FLAC3D數值計算過程中,若邊坡達到極限破壞狀態,滑移帶內單元節點的位移將產生突變,而且,如果程式繼續疊代下去,節點的位移還將繼續無限發展下去,程式無法從計算方程組中找到一個既能滿足靜力平衡又能滿足應力2應變關係和強度準則的解,此時,可以從位移的收斂標準來判斷計算不收斂。

本次計算對坡面頂點(195, 0, 178)進行了位移監控。隨著計算疊代時步的增加,該點水平方向位移和垂直方向位移均趨向於一定值。由圖還可以看出邊坡位移比較大,這主要是因為排土場堆積高度較大,散體物料和地基軟層的彈模都很低,變形較大是合理的。因此對地基軟弱層的處理(如去除基底軟弱層,在地基軟弱層中加碎石)是邊坡穩定性防治的重要措施。

3　塑性區分析

邊坡整體失穩將發生於強度軟弱帶或應力集中區, 該部位土體單元將產生不同程度的不可恢復的塑性變形,若發生塑性變形的軟弱帶或應力集中區相互貫通, 則表明邊坡內將在相互貫通的剪下破壞面發生整體失穩。塑性應變的發生與發展表明了土體屈服或破壞的發生與發展程度,塑性應變的大小能夠從本質上描述土體的屈服或破壞發展過程,因此可以採用塑性區的相互貫通來評判邊坡整體失穩破壞。

總結

結合具體的工程實例,利用FLAC3D對江西某銅礦排土場邊坡穩定性進行了數值模擬計算。結果表明,隨著計算疊代時步的增加,最大不平衡力趨向於極小值,坡面頂點水平方向位移和垂直方向位移均趨向於一定值。邊坡位移變化比較大是因為排土場堆積高度較大,散體物料和基底軟弱層力學強度低,對地基軟弱層的處理是邊坡穩定性防治的重要措施。塑性區主要集中在排土場堆積體內,但並未貫通。邊坡穩定性安全係數為1. 16。計算結果表明邊坡整體上處於穩定狀態。