露天矿山排土场灾害防治案例

    排土场与采场和尾矿库一样，是矿山企业重要的生产、安全、环保设施，企业管理者和工程技术人员应该深入了解和加强管理。为了吸取山西娄烦尖山铁矿"8·1”排土场滑坡事故的教训，有必要对排土场可能发生的灾害进行分析预测，并针对性的提出相应的防治措施。

    大宝山矿业有限公司李屋排土场位于大宝山矿凡洞矿区南西面，属岭南中低山区，地形切割强烈，山体坡度较陡，一般40°～50°。植被发育，地势北东高南西低，多呈“V”形深谷，构成地表水、地下水的强烈排泄系统。库区海拔330～1020m，属潮湿多雨亚热带气候，地表水系发育，坡降大，水量变化幅度大。场区年降雨量1532.7～2470.1mm，集中于夏季，有暴雨，小时最大降雨量为53.2mm，最大连续降雨量421.6mm（连续10天降雨）。

    李屋排土场属山沟型多台阶高中段永久性外部排土场，排土工艺为汽车一推土机排土，排放方式为较经济的高土高排，低土低排，多台阶同时排土。20世纪70年代开始排土，90年代停止外排，改内部排土，排弃岩土约2000万m³。因大开发需要，2008年启用757m排土中段，边坡顶高程761m，坡底高程649m，相对高差110m左右，边坡角约45°。根据每年330万t铜硫矿方案设计，规划排土场高程约335～765m，相对高差430m，设计分4个高台阶排弃，台阶标高分别为757、681、605和529 m，段高76m，边坡角27°，安全平台宽度大于30m，最小工作平台宽度70m，汇水面积约400hm²，用地面积约300hm²，规划容积2.5亿m³，为一等排土场。下游影响区域没有采矿场、工业场地、居民点、交通干线、输电网线和通讯干线、耕种区、水域、隧道涵洞、旅游景区、固定标志及永久性建筑等设施。

    一、工程概况

    （一）排土场工程、水文地质条件

    场区位于雪山嶂背斜的北东倾设端，基底加里东构造层寒武系形成强烈的紧闭褶曲，形成大宝山不对称向斜构造，断裂构造较发育，但无活动的大断裂通过，无岩溶、采空区和大面积沉降等不良地质现象。场区节理发育。出露地层主要有人工填土（Qml )、第四系冲积层（Qdl）、第四系残积层（Qdl）、强风化砂岩（J1）、中风化砂岩（J1）、中风化砂岩（C1）、强风化砂岩（D2）、中风化砂岩（D2）。工程地质条件中等。

    场区地表水为溪流，地下水为第四系孔隙水和基岩风化裂隙水。第四系孔隙水主要分布于平缓山坡表层，河沟两侧和山间洼地等地段，由冲洪积层，人工填土和残积的砂砾、碎石和粘土组成，残坡积层一般透水性好，富水性弱，冲洪积层局部富水性中等，泉流量0.054～0.68L/s，旱季大部分干涸，主要为大气降水补给。基岩风化裂隙水，泉流量0.01～0.6L/s，旱季大部分干涸，富水性弱。水文地质条件简单。

    场区地震动峰值加速度为0.05g，地震反应谱特征周期为0.35s，地震基本烈度为6度。

    （二）排土场散体与基底物理力学性质

    排土场散体与基底粒度分布及物理力学性质分析是排土场稳定性研究的一项基础工作，它不仅为排土场散体剪切、压缩及渗透等物理力学试验提供粒度组成及参数，而且可依据块度分布规律分析排土场岩石块度参数的变化，为研究排土场破坏模式提供依据。堆积物自然安息角25°～39°，松散系统1.1～1.3。场区散体与基底物理力学、承载力特征值、渗透性指标推荐值分别见表1和表2。

表1  散体工程特征指标推荐值

表2  基底工程特性指标推荐值

    二、排土场灾害类型及原因

    排土工序是露天矿开采的基本工序之一，作为露天矿山接纳废石的场所，是露天矿组织生产不可缺少的一项永久性工程建筑。因此，排土场在矿山整个生产时期以及闭坑后相当长时期内能否长期保持安全运行是矿山经营管理者必须考虑的重大问题。排土场一旦发生重大变化，就会对矿山生产产生严重影响，甚至迫使矿山停产。排土场的灾害形式因地质、地理、气候等自然条件不同而异，按其对环境危害的表现形式，大体上可分为以下3大类：①排土场滑坡；②排土场泥石流；③排土场环境污染。

    （一）排土场滑坡

    滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。排土场滑坡是排土场灾害中最为普遍、发生频率最高的一种，按其产生机理可分为排土场沿基底接触面滑坡、排土场沿基岩软弱层滑坡和排土场内部滑坡。产生滑坡的基本条件是斜坡体前有滑动空间，两侧有切割面。从斜坡的物质组成来看，松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低，容易滑坡。降雨对滑坡的影响最大。结合李屋排土场实际情况，排土场滑坡原因可能有以下几种：

    1、设计不合理。在排土场工程地质勘察和排土场设计等涉及到排土场建设质量的许多方面必须加以重视。不能因为建设进度的要求，而放松对设计合理性的审查，这会给排土场滑坡埋下隐患。

    2、基底民采巷道和排土工艺不科学。排土场上部基底一方面地势较陡，另一方面分布大量民采巷道，民采巷道的水直接流入排上场基底。在生产的某一时期，进行岩土混排，人为的在排土场内部形成了软弱面。上述软弱面的物理力学强度低，随着排土场废石堆积高度的加大，当某一软弱面的剪应力超过其抗剪强度时，便会沿此软弱面发生滑坡。

    3、大暴雨同时排水设施不健全。大暴雨是导致排土场滑坡的重要诱因。大气降雨和地表水对排土场的浸润作用，导致排土场初始稳定状态发生改变，稳定条件迅速恶化。暴雨时，排土场排水不及时，大量的地表水汇入排土场。雨水渗入内部后，排土场原来的平衡状态会发生变化，土场充水饱和，一方面增加了排土场承载质量，同时又降低了排土场内部潜在滑动面的摩擦力，从而形成排土场滑坡。

    4、农民捡矿活动。农民在土场周边及下游进行采矿活动和在排土场坡角进行捡矿活动，一方面导致排土场坡角不稳定，另一方面土场边坡滑坡直接掩埋捡矿者。

    （二）排土场泥石流

    泥石流是大量松散堆积物在水和重力作用下形成强大流体的现象。泥石流的形成必须同时具备以下3个条件：陡峻的便于集水和集物的地形、地貌；有丰富  的松散物质；短时间内有大量的水源。

    矿山泥石流从成因上一般分为水动力成因泥石流  和重力成因泥石流。水动力成因泥石流是大量松散的  固体物料堆积在汇水面积大的山谷地带，在动水冲刷作  用下沿陡坡地形急速流动。重力成因泥石流是吸水岩  土遇水软化，当含水量达一定时，便转化为粘稠状流体。

    根据拜格诺的颗粒流理论，粘滞流体中的固体颗粒在动  能作用下，彼此撞击频繁，使颗粒及相邻滑移层间动量  交换，进而使流体中的固体颗粒具有弥散压力，被水软  化成似液态的泥化母岩（如粘土、风化岩）与岩土块及水  混合成浆体（液固相），在滑坡势能转化来的动能作用下，促使滑体向流动转化，酿成泥石流。

  （三）排土场环境污染

    空气中含有大量有害粉尘或污水携带有害重金  属，对环境造成空气污染和水污染。矿山排土场作为  矿山开采中收容废石的场所，其中必然存在大量的固体小颗粒，无论是哪种排土工艺，在卸土和转排时，随着排弃的废石在排土场坡面滚动及风力的作用，产生  大量的粉尘，随风四处飞扬，影响排土作业人员的身体健康，造成空气污染。另外，排土场污水中含有有害重金属和强酸性对下游水系造成严重污染。

    三、灾害防治措施

    （一）重视排土规划设计

    李屋排土场所处的山坡地形上陡下缓，如果从下往上方向排，是最安全的方法，但最不经济；如果从上往下方向排，是最经济的方法，安全保障难度相对要大一些，但是能够找到有效的解决办法。不管哪个方向，还是要从影响排土场边坡稳定性的几个因素上去找答案—基底坡度、水、重力和岩土性质、构成等。分别采用基底处理、多级拦挡坝、截水排渗措施、削坡减载压坡角等方法处理。

    （二）基底处理与调整排土工艺

    一般情况下，矿山排土场的基底都覆盖着一层表土或一层风化软岩，这层软弱面往往成为排土场滑坡的重要诱因。新建矿山可以在排土之前挖掉，再垫上一层排渗岩石，增加排土场基底的摩擦力和排渗能力，提高排土场的稳定性。而李屋排土场已经排弃了2000万m³的岩土，根据工程地质勘探资料，虽然没有不良地质现象，但上部较陡的地形和底部较厚的泥石流是影响排土场稳定的重要因素。本文认为可以多台阶同时排土，下一台阶压上一台阶的坡角，并保持台阶坡面角小于岩土自然安息角及保持较小的总边坡角。另外岩土分排，a层排中下部，b层排上部，上部的b层以后还可以作为排土场复垦的土源。对于有水的民采巷道采取封堵措施。

    （三）增加堆料的块度

    剥离时采用松动爆破，尽量采用较多的大块，以增加岩土的摩擦力和排渗性能。

    （四）建设截水排渗设施，消除和减轻地表水和地下水的危害

    排土场灾害的发生常与水的作用密切相关，在排土场灾害中起着十分重要的作用。因此需要采取一定的工程措施进行水的治理和疏排工作，降低孔隙水压力和动水压力，减轻岩土体的软化及溶蚀分解，减小水的冲刷和浪击作用。

    1、修筑排土场上部的截水沟，减少排土场汇水面积，对大气降水进行拦截。定期对修建的截水沟进行修缮和清理，以便雨水能畅通地排至排土场外围的低洼处。

    2、暴雨时，排土场的岩土料中含有大量孔隙水，排土场基底内存在大量承水压，在用排土场不能采用一般边坡排水疏干方法进行处理。因此在排土场中下部的底部排弃较厚的大块岩石以增加摩擦力和排渗能力，使承水压能够顺利的排出。采用土石分排，提高渗透系数，降低静水压力。对于排土场高边坡暴雨时人员和设备应当避开，暴雨后排土场稳定前停止排土作业，下游可能的滑坡范围内禁止人员进人。

    （五）清理库区内民采和捡矿人员

    排土场下游影响范围内的民采检矿人员始终是排土场安全运行的大隐患，必须彻底清理。知道危险但排土场下游少部分村民没有及时撤走也是导致尖山铁矿“8·1”矿难严重后果的因素之一。

    （六）土地复垦和修建拦挡及污水处理

    1、排土场环境污染治理应与排土作业计划统一规划，因地制宜，在工程治理的同时，采用生物措施—土地复垦进行处理。排土场植被不仅可以起到固坡和防止雨水对排土场坡面冲刷的作用，而且可以固化表土和表面风化岩石，防止扬尘。

    2、在排土场最下一级坡角至澄清水区上部沟谷的收口部位修筑多级挡砂坝，形成泥沙沉淀池，能够起到挡砂的作用。

    3、在挡水坝下游修建污水处理厂，处理重金属和酸性水。

    四、排土场边坡稳定性分析

    由于排土场堆存体积大，一旦边坡失稳后果严重，因此规划设计用4个较典型断面进行稳定性计算，将边坡确定为一级边坡，采用瑞典圆弧法中的总应力法，考虑了地震力、渗流力对边坡稳定的影响。边坡如图1所示。

    式中Fs为边坡稳定分析的安全系数;li为条块的滑动面长度，m；bi为条块宽度，m；wi为条块重力，kN；ai为条块底部的坡角，（°）；ci、ψi为土的抗剪强度指标，采用总应力法时，取总应力指标，采用有效应力法时，取有效应力指标。

    根据计算结果，4个典型断面的边坡稳定安全系数FS均大于一级边坡稳定性安全系数限值1.30，因此可以判断设计的排土场是安全稳定的。

    五、结语

    排土场的稳定与安全是实施露天矿采掘进度计划和排弃计划的重要保证，如果排土场管理不到位，措施跟不上，就会给企业和社会带来很大危害。因此矿山企业必须对排土场的管理给予足够的重视。根据排土场的特点，因地制宜地采取措施，防患于未然，让其更好地为矿山建设服务，是每个矿山建设者必须关心和重视的问题。