本钢南芬露天矿2#排土场-职称论文发表

本钢南芬露天矿2#排土场
边坡稳定性研究及治理措施
王磊¹ 郭宇²
摘要：本溪南芬铁矿年产铁矿石1000万吨/年，其剥离下来的废石多达2500万吨/年，而2#排土场是该矿最大的废石堆料场，它的安全稳定对矿山正常运行起着至关重要的作用。
通过多项野外及室内试验，在分析已有资料基础上，对排土场的稳定性给出了综合评价，并就其隐患提出了可行的预防措施，为国家节省了大笔资金。对于排土场日后的安全运行起到了保证作用。
关键词：筛分法、直接量测法、现场剪切试验、岩土粘聚力C擦Ф
岩石的单轴抗压试验和抗拉试验、弹性模量、天然密度排土场内部滑坡、沿地基软弱层滑坡、沿地基接触面滑坡、泥石流
一、序言
本钢南芬铁矿是本溪钢铁公司的重点资源矿，作为露天矿它的一个重要特点就是必须剥离覆盖在矿体上部及其周围的岩石，并运至一定地点排弃。2#排土场即是剥离下来的废弃岩石长年堆放形成的，排土场的安全稳定对矿山生产能否正常运行起着十分重要作用。
南芬矿征地边界线紧依下游村庄，该排土场所排放的土石方受降雨冲刷影响，有泥石和含砂洪水自谷底河床流淌。2002年夏季由于连降暴雨，在冯家东沟上游产生稀性泥石流，致使河道淤积，河床改道，淹没部分农田。上述情况随着排土场土方的不断排放会逐步加深，甚至会影响下游居民的生命和财产安全。因此对此边坡进行研究分析并进行有效的治理是十分必要的。
工程技术人员通过多次现场踏勘以及搜集分析已有资料，拟订了南芬矿2#排土场边坡稳定性研究方案。2003年5、6两月，在冯家东沟进行了筛分、剪切、容重等大量野外试验，同时进行了岩石抗压、抗拉以及试样孔隙率、孔隙比等多项室内试验，取得了丰富的科研成果，并就2#排土场边坡的稳定性给出了综合评价。
二、排土场堆料粒度分布规律试验
排土场粒度分布测试是排土场稳定性研究的重要组成部分，也是研究排土场堆料力学性试验的依据。排土场堆料是一种岩块、空气和水混合类三相介质体，它的物理、力学性质不仅与堆料的岩性、湿度、粒度、密度等有关，而且与它的颗粒形状、粒度组成有密切关系。在测试方法上，较小的土类可用沉降分析法，在粒度可筛范围内用筛分法，大块岩石则用直接量测法。本次试验主要用筛分法和直接量测法测试排土场各剖面的粒度分布。
根据试验结果，该排土场粒度分布特点如下：
① 排土场排土过程中，岩块自然分级明显，由于其重力的作用，大块岩石滚至排土场坡底，而小块岩石则留在坡上部。上部平均粒径为25.3mm，中部平均粒径48mm，下部平均粒径>300mm。
② 颗粒级配的好坏取决于粒度的集中程度，依据工程级配良好标准Cu >5，Cc=1—3来评定。排土场上部粒度级配良好的比例要高（Cu =8.0，Cc=1.18）；中下部级配良好比例低（Cu =2.93—3.65，Cc=0.86—1.07），属不均匀分布，特别是下部块石孔隙大，多为空架，中间无小颗粒充填。整体上看排土场粒度级配不均匀
③ 通过现场直接量测岩块体积的同时可知，排土场岩石种类可分为：花岗岩、绿泥岩、石英长石片岩、角闪片岩等。
三、基底表土现场剪切试验
对排土场勘察后，从东到西依次选定三个部位进行了土场表土层的现场剪切试验，以求得土场稳定性分析所需要的地基地层的力学参数。根据现场岩土情况，我院采用《工程地质手册》（第三版）岩土测试水平推剪试验。通过试验可得：岩土的粘聚力C平均值为17.9 Kpa，岩土的内摩擦角Ф为32.6°。
四、室内岩石力学试验
在冯家东沟区域钻取岩芯，做了排土场区基岩力学性质试验。取芯机型号为TS—160型，钻具长300mm，直径为55mm。
冯家东沟岩石按地质年代划分属于震旦系南芬一组蛋青色泥灰岩和钓鱼台组石英砂岩。从现场取回的岩芯经过切削磨平后，分别做了自然状态下单轴抗压试验和抗拉试验。试验结果见下表：
岩石
种类抗压
强度
（MPa）抗拉
强度
（MPa）似内
摩擦角
（º）弹性
模量
（MPa）天然
密度
（T/m3）

蛋青色泥灰岩 31.21 3.11 64.6 6.5*103
石英砂岩 82.0 1.89 76.0 1.02*104 2.68
五、排土场破坏模式分析
通过以上试验所得出的数据综合分析：排土场破坏模式主要受废石堆中软弱夹层、地基坡面、地基软弱层、地基中的地质构造和地形的控制，另外地表降水和天然及人工地震的影响也是很重要因素。同时还与排土场堆料的块度分布和岩性密切相关。
1、排土场内部滑坡
2#排土场所排弃废石主要来自上盘岩石，其岩性以花岗岩、绿泥岩、石英长石片岩、千枚岩、角闪片岩为主，由于排土场排土基本上为混排方式，时停时放，相对固结稳定，所以其内部不大可能存在软弱夹层，不会引起大规模的沿山坡方向滑坡。在可能时应尽量按工程级配良好粒组排废石。
2、沿排土场地基软弱层滑坡
排土场地基含有软弱地层或弱面时，由于软弱层的强度或承载力较低，在排土场散体岩石载荷或雨水等因素作用下易产生地基沉降和差异沉降，从而产生沿软弱地基的滑坡。
东沟门排土场地基软弱层主要是第四系坡洪积层，厚度并不大。由于2#排土场是单台阶高排土方式，排土台阶高达180余米，其上部荷载非常巨大，再加上雨水的浸泡容易产生沿地基软弱层的滑坡。为了预防滑坡，首先要降低排土高度，亦可以考虑多台阶排土方式。其次要适当调整排土场的边坡倾角，要尽量控制在32度以内。
3、当排土场散体岩石与地面接触面之间的摩擦强度小于排土场堆料内部的抗剪强度时，易发生沿地基接触面的滑坡。沿地基接触面滑坡一般多发生在地基倾角较陡或接触面为软弱层的情况下。东沟门排土场处于“U”型河谷中，南北两侧山坡植被发育较好，下游河道坡度较缓，而且震旦系与寒武系地层倾向与排土场方向相反，沿地基接触面这种滑坡可能性不大。
4、泥石流分析
泥石流是山区特有的一种自然地质现象。它是由于降水（暴雨、融雪、冰川）而形成的一种携带大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流。它爆发突然，历时短暂，来势凶猛，具有强大的破坏力。
形成泥石流的条件概括起来有三点：
（1）有陡峻便于集水、集物的地形；
（2）有丰富的松散物质；
（3）短时间内有大量水的来源。
2#排土场东沟门一带属低山沟谷地形，其三面环山，一面出口，地形比较开阔，有利于水和碎屑物质的集中。夏季来临，时常有暴雨，但是东沟门地形利于水的运移排泄，短时间不会造成水的大量集中。
形成泥石流最关键的一点就是要有丰富的松散物质，但是东沟门区域植被覆盖良好，山坡倾角也多在20~35度之间，不是很陡峻，当有降水冲刷，不会带下大量泥砂。该区震旦系地层节理不很发育，而且由于其上有第四系覆盖，不易于风化，基岩不是很破碎，所以不会产生大量的碎屑物质。综上所述，该区难以形成滑坡型泥石流。
六、排土场综合治理措施
1、为了确保排土场合理的边坡形态与台阶高度，由于目前是单台阶全段高排土方式，排土台阶高达180米左右，随着排土边坡日渐延伸，要尽可能降低排土台阶高度，同时保证排土场边坡倾角在32度以内，控制好排土顺序，软硬岩石要混合排弃，以避免形成软弱夹层，影响排土场稳定；
2、为保证2#排土场有一个好的渗流环境，要特别注意废石的排放顺序、方式与组成，尽量不排含粘土矿物、微细颗粒较多的废石，以避免大量微颗粒下移堆积，造成渗透性降低，地下水位上升而成后患；
3、加强排土场的监测工作，当排土场出现不均匀沉降等情况时，能及时掌握情况，以分析研究对策，保证土场的安全稳定；
4、通过对排土场的破坏模式分析，其依然存在潜在的滑坡可能性，建议在其下游修建挡石坝，挡石坝的地基座在下部基岩上。
结论：通过相关资料和试验数据对2#排土场边坡进行了系统的分析、研究，提出了切合实际的治理措施，它的安全稳定对南芬露天矿正常运行和可持续发展起着十分重要作用。