排土场岩土物理力学性质研究

影响排土场边坡的主要因素包括基底软层及排弃物的强度,因此有必要对其进行物理力学性质研究,以便进行计算分析。

1　地基土物理力学性质

排土场区内普遍覆盖一层厚度不大的第四系表土,其力学强度较低,是排土场稳定性研究必须考虑的因素。为此在地基土中采集有代表性的岩土试样进行土的物理力学性质试验。

2　散体物料物理力学性质研究

排土场散体物质组成是决定排土场堆料的力学性态的主要依据。为此采用精度高的筛分法,结合摄影法和直接量测法,来测定岩石的粒度组成。除了在排放中的随机因素外,各块度级别沿边坡高度分布存在着明显的规律性,由上而下,块度逐渐增大,总的趋向是小块集中在上部,大块在下部,中间部分各种块度参差不齐,但以中等块度居多。

散体物料物理力学性质的测定分以下3组:

①含细颗粒( d < 5 mm)较多,一般位于排土场上部;

② 含细颗粒中等,含中等颗粒较多,一般位于排土场中部;

③大块岩石,一般位于排土场中下部及下部 。

是为进行露天矿排土场的设计、选址和了解排土场使用现状等进行的测量工作。包括测定排土场的面积和高度、计算排土场的接受能力、在现场标定排土场境界、进行排土场的碎部测量以及对排土场的下沉和变形进行观测。

江西某铜矿排土场原始地貌形态以构造剥蚀为主,沿东南向西北有五条沟谷,沟谷纵坡靠近山脊处较陡,前部较为平缓,沟谷上游呈“V”字型,下游呈“U”字型,沟谷中沉积有粘土和亚粘土及排土场流失下来的松散堆积物。场区山坡上灌木杂草丛生,地表几乎全部为植被所覆盖,仅局部见有中、强风化基岩裸露。

排土场地基岩层主要为混合岩,主要岩石为混合岩化的黑云母斜长片麻岩,斑状结构,裂隙较发育,上部表层属强～中风化层,厚度0. 60～12. 9 m,岩性松软,下部原岩灰绿色,完整坚硬。场区第四系表土分布较多,有植物层(厚0. 1～0. 4 m) 、第四系淤泥质亚粘土(厚1. 0～2. 0 m) 、第四系坡积亚粘土(厚0. 7～2. 3m) 、第四系冲积亚粘土(厚1. 31～4. 50 m) 、第四系残积亚粘土(厚0. 40～5. 00 m) 。矿区F1、F2断层未穿过排土场,场区内无大的断层和断裂构造。潜在滑坡体为人工堆积物,最大堆积高度为78 m,平均堆积坡角为34°。

排土场区内无常年地表水流,其最低标高约90m,附近的桐木江标高为50 m,故排土场不受桐木江影响。排土场区水文地质条件属简单类型 。

江西某铜矿排土场位于天排山西侧山麓,地势总的变化是东南高西北低。场区山体较陡峻,地形高差较大。自采场扩帮以来排土场急速堆高,再加上扩帮排出的大多是粘土,排土场曾发生两起重大事故: 2004年9月,在该排土场堆存过程中由于边坡失稳,排土车辆滑到坡脚,差点造成车毁人亡; 2005年1月份,在该排土场排土过程中造成了1人死亡。

该排土场的下游是铁路和农田,一旦排土场出现滑坡,不仅会影响到该矿的正常生产,而且会危及到下游的铁路和农田,因此,亟需对该矿排土场边坡进行稳定性分析,以预测边坡发展趋势 。

1　最大不平衡力分析

FLAC3D程序采用最大不平衡力来刻划计算的收敛过程。单元的最大不平衡力随着计算时步的变化过程。单元的最大不平衡力随计算时步增加而逐渐趋于极小值,说明计算是稳定的。

2　位移分析

在FLAC3D数值计算过程中,若边坡达到极限破坏状态,滑移带内单元节点的位移将产生突变,而且,如果程序继续迭代下去,节点的位移还将继续无限发展下去,程序无法从计算方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力2应变关系和强度准则的解,此时,可以从位移的收敛标准来判断计算不收敛。

本次计算对坡面顶点(195, 0, 178)进行了位移监控。随着计算迭代时步的增加,该点水平方向位移和垂直方向位移均趋向于一定值。由图还可以看出边坡位移比较大,这主要是因为排土场堆积高度较大,散体物料和地基软层的弹模都很低,变形较大是合理的。因此对地基软弱层的处理(如去除基底软弱层,在地基软弱层中加碎石)是边坡稳定性防治的重要措施。

3　塑性区分析

边坡整体失稳将发生于强度软弱带或应力集中区, 该部位土体单元将产生不同程度的不可恢复的塑性变形,若发生塑性变形的软弱带或应力集中区相互贯通, 则表明边坡内将在相互贯通的剪切破坏面发生整体失稳。塑性应变的发生与发展表明了土体屈服或破坏的发生与发展程度,塑性应变的大小能够从本质上描述土体的屈服或破坏发展过程,因此可以采用塑性区的相互贯通来评判边坡整体失稳破坏 。

结合具体的工程实例,利用FLAC3D对江西某铜矿排土场边坡稳定性进行了数值模拟计算。结果表明,随着计算迭代时步的增加,最大不平衡力趋向于极小值,坡面顶点水平方向位移和垂直方向位移均趋向于一定值。边坡位移变化比较大是因为排土场堆积高度较大,散体物料和基底软弱层力学强度低,对地基软弱层的处理是边坡稳定性防治的重要措施。塑性区主要集中在排土场堆积体内,但并未贯通。边坡稳定性安全系数为1. 16。计算结果表明边坡整体上处于稳定状态 。

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水力排土场指构筑堤坝形成的水力排土空间。水力排土场所属现代词，指的是进行露天矿水力开采时，用水力将剥离物和选矿尾砂排弃的场所。

中文名称

水力排土场

英文名称

debris disposal area

定　　义

构筑堤坝形成的水力排土空间。

应用学科

煤炭科技（一级学科），煤矿开采（二级学科），露天开采（三级学科）

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排土台阶沉降后高度与初排高度的比值。 由于新堆弃的岩土密实性小,孔隙大,经压实后排土台阶顶面下沉。为了保证安全卸载和充分利用排土场的容积,堆堆弃岩土时应考虑下沉系数,并使台阶顶面保持2%的反向坡。

中文名称

排土场下沉系数

英文名称

subsidence factorof dump

定　　义

排土台阶沉降后高度与初排高度的比值。

应用学科

煤炭科技（一级学科），煤矿开采（二级学科），露天开采（三级学科）

排土场分内部和外部两种：前者设于采场内部，运距短、成本低；后者设于露天开采境界之外，应选择工程水文地质条件好、不妨碍矿山长远发展的地方，尽量靠近采场，少占土地，并位于居民点的下风侧，对将来还可利用的废石，要考虑回收的方便。