高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及关键参数优化_张凯.pdf

收稿日期2019-07-21 基金项目山东省自然科学基金项目 （编号 017PD011） ， 2019国家级大学生创新创业训练计划项目 （编号 c201806121） 。 作者简介张凯 （1996） ， 男， 硕士研究生。通讯作者陶志刚 （1981） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及 关键参数优化 张凯 1， 2 高毓山 3 刘奎明 1， 2 陈成诚 4 陶志刚 1， 2 苏春阳 1， 21 （1. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京 ， 北京 100083； 2. 中国矿业大学北京力学与建筑工程学院， 北京 100083； 3.本溪钢铁集团南芬露天铁矿， 辽宁 本溪 117000； 4. 西藏华泰龙矿业开发有限公司地质资源部， 西藏 拉萨 850200） 摘要针对高海拔地区金属矿排土场稳定性问题， 以西藏甲玛矿区角砾岩排土场边坡为依托， 采用FLAC3D 数值模拟软件， 基于有限差分法并结合强度折减理论， 利用冻融损伤修正后的岩体力学参数， 得出了在当前排土工 艺下边坡的位移变化规律、 应力变化特征、 剪应变速率和塑性区的分布特征， 分析了其稳定性， 并进行了关键参数 优化。研究表明 ①高海拔这一因素易导致岩体在冻融循环作用下损伤劣化； ②滑坡产生的过程可归纳为 当排土 场形成之后， 坡体内部出现塑性破坏区， 伴随着剪应变带逐渐扩大， 边坡内的塑性破坏区面积也增加， 剪切塑性区 将会大面积出现在斜坡的前缘上， 其塑性区基本贯通， 滑坡产生； ③角砾岩排土场边坡在当前排土工艺下有沿着近 似圆弧滑面向坡脚滑动的趋势； ④确定的最优关键参数为单台阶高度40 m， 组合台阶宽度40 m。模拟结果与现场 破坏情况具有显著的一致性， 且优化后的排土工艺提高了排土场的稳定性， 对于类似排土场边坡稳定性研究具有 一定的借鉴意义。 关键词金属矿山高海拔排土场稳定性分析FLAC3D数值模拟参数优化 中图分类号TD854文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-071-08 DOI10.19614/ki.jsks.202003010 Stability Analysis and Key Parameters Optimization of Metal Mine Dump in High Altitude Area Zhang Kai1， 2Gao Yushan3Liu Kuiming1， 2Chen Chengcheng4Tao Zhigang1， 2Su Chunyang1， 22 （1. State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering（Beijing） ， Beijing 100083， China； 2. School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China； 3. Nanfen Open-pit Iron Mine， Benxi Iron and Steel Group， Benxi 117000， China； 4. Geological Resources Department of Tibet Huatailong Mining Development Co.， Ltd.， Tibet 850200， China） AbstractAming at the stability of metal mine dump in high altitude area， based on the slope of breccia dump in Jiama Mining Area of Tibet， FLAC3Dnumerical simulation software， finite difference ， strength reduction theory and mechani- cal parameters of rock mass modified by freeze-thaw damage are used to solve the stability problem of metal mine dump in high altitude area.The displacement change rule， stress variation characteristics， shear strain rate and shear strain rate of the slope under the current dumping technology are obtained.The distribution characteristics of plastic zone are analyzed， its sta- bility is analyzed， and the key parameters are optimized.The study results show that① high altitude is easy to cause damage and deterioration of rock mass under the action of freeze-thaw cycle； ② the process of landslide can be described asafter the ation of waste dump， plastic failure area appears inside the slope body， along with the gradual expansion of shear strain zone， the area of plastic failure area in the slope also increases， the shear plastic area will appear on the front edge of the slope in large area， and its plastic area is basically connected， resulting in landslide； ③ under the current dumping technolo- gy， the slope of waste dump tends to slide along the approximate arc sliding surface to the slope toe； ④ the optimal key pa- rameters are determined as followsthe height of single step is 40 m， and the width of combined step is 40 m.The simulation results are consistent with the site failure， and the optimized dumping technology improves the stability of the waste dump， Series No. 525 March 2020 71 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 which has a certain reference significance for the slope stability study of similar waste dump. KeywordsMetal mine， High altitude， Dump， Stability analysis， Numerical simulation by FLAC3D， Parameter optimiza- tion 排土场边坡由散体材料组成， 粒径分级不明显， 颗粒级配较差， 坡体较为松散， 且不稳定， 一旦排土 方式不当， 极易引发安全事故 ［1-3］。如 安太堡露天煤 矿南排土场滑坡、 攀矿尖山第六排土场滑坡、 太和铁 矿排土场滑坡、 黑山露天煤矿北排土场滑坡等都造 成了较大的人员伤亡和财产损失 ［4-6］。究其原因， 是 对排土场稳定性分析不足和排土工艺优化欠缺， 并 且关于诸如西藏甲玛矿区这类高海拔地区的排土场 边坡的研究少之又少， 因此， 对于高海拔地区排土场 边坡稳定性分析和排土工艺关键参数优化就显得尤 为重要。 近年来， 众多学者针对排土场稳定性分析开展 了大量的研究工作， 取得了丰富的研究成果 ［7-10］。张 燕飞等 ［11］以云南某金属矿山为背景， 用Monte-carlo 法对边坡进行了稳定性分析， 评价了该排土场边坡 的稳定性及风险性， 但缺少了与现场破坏情况的对 比， 稳定性分析不足。王海等 ［12］针对霍林河南露天 煤矿西四排土场沉降问题进行了分析， 针对排土场 沉降现状制定了相关的治理措施， 并通过极限平衡 法对采取的措施进行了安全评价， 但未对现场排土 场的破坏情况进行详细描述且未进行排土参数优 化。长沙矿冶研究院的相关技术人员对南芬铁矿和 厂坝七架沟排土场进行了稳定性研究， 但工程背景 均不是高海拔地区， 其研究成果难以应用于高海拔 地区 ［13-14］。曹兰柱等［15］以蒙东西二露天矿排土场边 坡为工程背景， 基于刚体极限平衡与三维数值模拟 方法， 揭示了不同基底倾角条件下的排土场边坡稳 定性变化规律， 分析了软弱倾斜复合基底排土场的 边坡失稳机理。Sloan ［16］研究认为排土场边坡破坏主 要是由软弱土层控制， 在夹层附近位置塑性应变较 大， 控制了排土场边坡的破坏模式。白羽等 ［17］以元 宝山露天煤矿内排土场为背景， 利用刚体极限平衡 法对不同排弃平盘宽度的内排土场稳定性进行了分 析， 确定了最优排弃平盘宽度为55 m， 但平台台阶高 度也是排土场边坡稳定性的重要控制因素， 该项研 究缺少了对其进行准确取值； 胡旭东等 ［18］进行了排 土场稳定性分析， 提出了合理的排土方案， 并编制了 某排土场的排土规划； 王俊 ［19］针对安太堡露天煤矿 南寺沟排土场的增高扩容问题， 通过优化分析， 使得 南寺沟排土场的最小工作平盘宽度由 65 m 缩小至 60 m， 但该参数较难在具有冻融损伤作用的高海拔 地区应用。 现阶段对于排土场稳定性分析和关键参数优化 的研究方法较为多样， 但针对高海拔地区排土场稳 定性的研究及关键参数优化的成果较少。本研究以 西藏甲玛矿区排土场为背景， 基于有限差分方法和 强度折减原理， 对排土场进行稳定性分析， 利用 FLAC3D软件对不同单台阶高度和多台阶平台宽度工 况下的角岩排土场边坡进行稳定性分析， 得出最优 关键参数， 减小排土场失稳风险并为类似排土场问 题研究提供参考。 1工程概况及区域地质条件分析 1. 1工程概况 甲玛矿区位于西藏自治区拉萨市周边， 距离市 区约 68 km， 角岩排土场位于角岩采场东北方向约 600 m处的山沟， 为沟谷型排土场， 属于典型的多台 阶覆盖式排土场， 如图1所示。不同于低海拔的常温 地区， 该矿区处于高海拔、 高寒地区， 排土场常年暴 露于昼夜温差大、 四季温差大的环境下， 长期受到冻 融循环作用， 对排土场边坡的稳定性不利。 1. 2地层岩性 工程区地层岩性主要为白垩统林布宗组， 其次 为侏罗统多底沟组。角岩排土场场地基岩基本裸 露， 对场地稳定性有利。区内主要地层见表1。 72 ChaoXing 2020年第3期张凯等 高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及关键参数优化 1. 3地质构造 矿区位于从北到南的一系列推覆构造系统中， 地层之间存在一体化的接触关系， 褶皱构造较为发 育， 主要有红塔背斜、 牛马塘背斜、 夏工普向斜、 轴面 节理密集带和层间破碎带。 2高海拔排土场稳定性分析 2. 1模型构建 角岩排土场平面图如图2所示， 选取近似垂直于 坡面的A-3剖面进行分析， 该剖面所反映出的地层 组成和地质结构都与现实较为贴切， 可以更好地了 解整个排土场的变化， 并且可以更准确地判定排土 场的整体安全性。依据现场调查， 各台阶高度为30 m， 平台宽度为30 m， 台阶坡面角为45。在建立计算 模型时， 排土场的滑坡体需要有一定的外延空间， 才 能更有效地模拟排土场坡面的临空状态， 以便尽可 能减少边界条件对于计算结果的影响。本研究计算 模型如图3所示。 2. 2初始参数选取 本研究选用的初始岩土体参数是以各类岩石的 实验室力学参数为基础， 以实际工程经验进行工程 类比得到的。根据甲玛铜矿所处地理位置的特殊 性， 运用边坡冻融损伤岩体力学参数修正方法 ［20］， 结 合排土场实际情况， 对岩体力学参数进行了冻融损 伤修正， 结果见表2。 2. 3角岩排土场边坡稳定性分析 为了能够对各个台阶的位移变化进行准确描述， 分别在平台5 075 m、 5 045 m、 5 015 m、 4 985 m 4个台 阶的坡顶和坡脚处设置了位移监测点， 如图4所示。 最终境界下的稳定性分析云图如图5所示。由 图5可以看出只有部分区域为受压状态， 台阶顶部零 73 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 星出现受拉状态， 虽然没有形成贯通的剪应变带， 但 是从平台5 045 m处剪应变已经有贯通的趋势。并且 有局部压应力不均匀扩展会导致小范围的应力集 中， 当所产生的应力超过排土场所能承受的应力时， 岩体将会发生破坏。从剪应变图中可以预测， 在各 个部位与区域的破坏点贯通后将会形成破坏面， 直 至扩展到自由面时将发生滑坡。 结合位移图、 应力图和塑性区云图， 可以看到排 土场边坡坡面应力较大， 且边坡中上部相对于下部 位移量较大， 塑性区即将贯通， 排土场边坡即将发生 失稳， 破坏特征可能是坡顶发生位移挤压到坡脚， 发 生剪切破坏， 导致滑坡体沿着近似圆弧滑面向整体 排土场的坡脚进行移动。 本研究在计算过程中所设置的各个监测点获得 的位移信息如图6所示。 由图6可知 在计算排土场边坡稳定时， 其监测 点位移的变化趋势仍处于上升阶段， 在当前排土工 艺下并没有达到沉降稳定的程度， 仍有滑坡趋势。 排土场现状如图7所示， 顶部沿平台方向出现了垂直 裂缝， 但裂缝均较小， 还没有发生坡体滑动， 若处理 不当， 继续对排土场顶部施加荷载， 将会形成前一缘 拉着后一缘、 后一缘推着前一缘的张拉破坏。 3角岩排土场关键参数优化 控制排土场稳定性的3个重要参数为台阶高度 h、 平台宽度b、 台阶坡面角φ（图8） 。本研究选取前两 个控制因素进行优化设计。 74 ChaoXing 2020年第3期张凯等 高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及关键参数优化 本研究构建单台阶模型时， 台阶坡面角取散体 物料的自然安息角37， 坡高为h， 排土场坡脚到右边 界的距离为1.5h， 坡顶到左边界的距离为2.5h， 模型 总高为2h， 如图9所示。依据此原则的模拟计算结果 较为理想。 在保证排土场边坡稳定性的条件下， 为了能够 最大限度节约矿山成本， 降低工程量， 本研究对单台 阶的高度进行不同排土高度下的模拟分析， 根据不 同高度下所得到的安全稳定性系数曲线， 分析安全 稳定性系数与台阶高度之间的关系， 从而确定最优 单台阶高度。依据最优单台阶高度对不同组合台阶 的平台宽度进行模拟， 同样根据不同组合台阶平台 宽度情况下所得到的安全稳定性系数， 分析组合台 阶平台宽度与安全稳定性系数之间的关系， 确定最 适宜的组合台阶平台宽度。 3. 1单台阶高度确定 根据现场排土场要求， 台阶高度不宜超过 100 m， 故选取20 m、 30 m、 40 m、 50 m、 60 m共5种不同高 度的台阶进行模拟， 归纳总结得出稳定性系数与台 阶高度的变化规律。选取30 m、 40 m、 50 m典型台阶 高度的位移云图和剪应变云图 （图10） 进行分析。 75 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 由图10可知 台阶高度为30 m时， 坡顶处出现 最大位移， 其余坡面位移量较小， 边坡处于稳定状 态， 从其剪应变云图来看， 尚未形成贯通的剪切带； 台阶高度为 40 m 时， 位移最大处位于坡顶， 位移量 较小， 模型计算稳定后并未出现破坏现象； 台阶高 度为50 m时， 位移最大值已经达到1 m， 由剪应变云 图可以看出其剪应变主要集中在下坡脚处， 并且已 经形成了贯通的剪应变带， 模型已经出现了破坏现 象。各台阶高度安全系数及其变化曲线见表3及图 11。 分析表3及图11可知 随着排土场台阶高度的 增加， 安全系数逐渐降低， 在台阶高度为50 m时， 安 全系数发生突降， 可见当边坡堆载高度为40 m时， 土 场已达到安全平衡状态， 同时安全系数大于1.25， 符 合边坡排土场的安全储备， 大于40 m时台阶高度成 为主导边坡稳定性的因素， 安全系数下降率变大， 边 坡更加容易失稳， 因此最优台阶高度选择40 m。 3. 2组合台阶平台宽度确定 本研究以单台阶高度40 m为不变量， 选取30 m、 40 m、 50 m、 60 m作为平台宽度进行模拟， 分析平台 宽度与稳定性系数的关系， 推断出安全又经济的平 台宽度。选取30 m、 40 m、 50 m作为典型台阶宽度， 其位移云图和剪应变云图如图12所示。 76 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 2020年第3期张凯等 高海拔地区金属矿排土场稳定性分析及关键参数优化 由图12可知 平台宽度为30 m时， 在排土场上部 有剪应变集中， 并有向下扩散的趋势， 结合位移云图 来看发生最大位移处与最大剪应变处位置相近， 说 明排土场在此次工况下不会发生整体性破坏， 可能 会发生局部破坏； 当平台宽度为40 m时， 最大位移的 位置上移， 其剪应变主要集中在排土场最上的台阶 处； 当平台宽度为50 m时， 随着台阶宽度的增大， 每 个台阶所发生的位移并未相连。不同平台宽度的安 全系数见表4， 安全系数变化曲线见图13。 由表4及图13可知 台阶宽度为30 m时， 其安全 系数为1.20， 尚未符合排土场的安全储备， 在40 m的 工况条件下的安全系数是一个陡增的状态并满足排 土场的安全储备， 50 m、 60 m两种工况下， 也满足了 排土场的安全储备条件， 但是对于安全系数的增幅 较小， 也减少了排土场自身所能堆载的废料数量， 在 一定程度上增加了矿山生产成本。从整体趋势来 看， 最优平台宽度为40 m。 综上分析 选取台阶高度为40 m， 台阶宽度为40 m时， 不仅保证了排土场边坡安全， 还使排土场的利 用率达到了最大化， 节约了矿山生产成本。 4结论 （1） 运用冻融损伤修正后的岩体力学参数对西 藏甲玛矿区角砾岩排土场进行了稳定性评价， 结果 表明 在当前排土工艺下并没有达到稳定程度， 有滑 坡的趋势， 滑坡整体可能沿着近似圆弧滑面向整体 排土场的坡脚移动。 （2） 当排土场形成之后， 滑坡体内部出现塑性破 坏区， 沿着排土场内部的软弱土层延展到最近的坡 面， 并且软弱层的前缘也具有扩展趋势。随着剪应 变带的扩大， 边坡内的塑性破坏区面积也有所增加， 剪切塑性区将会大面积出现在斜坡前缘上， 其塑性 区基本贯通， 导致滑坡产生。 （3） 从单台阶高度和多台阶平台宽度两个角度， 分不同工况对关键参数进行了优化设计， 利用 FLAC 3D软件对不同单台阶高度和多台阶平台宽度工 况下的角岩排土场边坡进行了模拟， 分析了其位移 变化规律、 应力应变变化以及塑性区范围大小， 根据 所得结果云图和安全系数的变化趋势， 确定最优的 关键参数为单台阶高度40 m， 组合台阶宽度40 m。 参 考 文 献 王光进， 杨春和， 张超.超高排土场的粒径分级及其边坡稳定 性分析研究 ［J］ .岩土力学， 2011， 32 （3） 905-913， 921. 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