排土场边坡稳定性敏感性分析

    1 引言

    随着我国矿产资源的不断开采，对排土场空间的需求不断增大，排土场加高扩容过程中的边坡稳定性直接关系到露天矿安全生产，另外，露天矿排土场用地约占矿山总用地的30%～50%^[1]，提高排土场土地资源利用率能够为矿山企业带来可观的经济效益。因此，开展排土场边坡的稳定性敏感性分析，研究排土场加高扩容的可行性，对于保障矿业生产安全及人民生命财产安全有重要意义。目前国内学者从不同角度对排土场的稳定性进行了深入细致的研究^[2－4]，但由于排土场边坡由采矿剥离散体岩块堆积组成，散体物料的力学性质受排土工艺的影响也较大，对其稳定性的研究相对较少，急需形成针对该类边坡特点的研究方法。由于人工排土场的稳定性受多方面因素影响，各因素又具有不确定性和复杂性，采用传统的确定性分析方法研究排土场的边坡稳定性存在局限性，其计算结果的可信性和适用性较差。因此，本文采用正交设计方法与极限平衡法相结合的方式，计算不同组合条件边坡安全系数，以此确定排土场边坡体力学参数和排土场加高扩容设计方案，有效地提高土地资源利用率，保障露天矿的生产安全。

    2 排土场边坡稳定性敏感性分析

    边坡稳定性敏感性分析研究的主要内容是根据工程实际情况确定出影响边坡稳定性的各个因素，并估计出其可能的取值范围，分析不同取值条件下这些因素对边坡稳定性的影响程度^[5]。这种影响程度可以采用确定性分析方法计算不同取值条件下的边坡安全系数，进而分析影响因素对边坡稳定性影响程度。通常边坡稳定性敏感性因素主要有：岩土体重度、粘聚力、内摩擦角、地下水、坡高、坡角、震动等。然而多因素敏感性分析会给设计人员带来很大工作量，为了减少工作量又不影响分析结果，人们将正交设计方法引进边坡稳定性敏感性分析中。

    3 正交设计方法

    正交设计方法是一种处理多因素试验科学方法，它是利用一套现成规格化正交表来安排多因素试验，并对结果进行统计分析一种方法^[6]。本文在边坡稳定性影响因素敏感性分析中，根据排土场工程地质实际情况，确定边坡稳定性影响因素为边坡体重度、内聚力、内摩擦角，利用正交设计方法对各因素进行水平划分，然后以安全系数fs作为综合评判指标，采用极限平衡方法计算不同组合条件下的边坡下安全系数fs，得出各影响因素对边坡稳定性敏感程度。

    4 工程应用

    鞍千矿业有限责任公司矿区在区域地质上位于由太古代鞍山群变质岩系组成的鞍山复向斜的东北翼，区内出露的地层主要为前震旦纪鞍山群、辽河群变质岩系、混合岩和第四纪地层。该矿区涉及有两个排土场，南北各一个，采用汽车排土工艺。设计排土场底部标高为北采区排土场+160米，南采区排土场+190米。目前排土场标高为北采区排土场+206米，南采区排土场+190米。设计最高排土场高程为两个排土场+220米。

    排土场堆积的散体物料是矿山开采剥离的各种风化的岩石及亚粘土，它是影响排土场稳定性以及泥石流形成的第一条件。这些废石的颗粒和力学性质随着开采方法不同和岩石的性质不同而变化^[7,8]。排土场松散岩土物料的变形特征受其物理力学性质、粒度组成、密度、湿度及载荷等因素影响。表1给出了排土场散体材料三因素三水平正交设计表，利用鞍千矿排土场某一区域边坡已知的变形破坏情况，借助数值计算软件和正交表实验方法，获得了排土场边坡安全系数变化规律。由试验4条件可知，边坡安全系数接近1，处于边坡失稳的边缘，可作为排土场稳定性计算的等效力学参数值。

表1 排土场散体三因素三水平正交设计表

图1试验9条件下边坡安全系数0.864-1.864滑动面变化情况

    由图1可见，影响排土场边坡稳定性的重要力学参数为内摩擦角，其大小与排土场岩石性质和块度组成有密切关系。若排土场散体中粗颗粒较多，则组成排土场散体骨架的刚性提高，其内摩擦角增大。

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