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露天矿山排土场的变形破坏及其监测 贺跃光 Ξ 中南大学资源环境与建筑工程学院,湖南 长沙 410083 摘 要分析了排土场变形、 破坏的3种主要模式压缩沉降变形、 失去平衡产生滑坡、 产生泥石流。 然后以排土场失稳定类别为基础,针对排土场变形、 破坏几何因素及生产工艺要求,探讨了排土场 的变形观测内容、 方法与精度。 关键词露天矿;排土场;变形;监测 中图分类号TD824. 7 文献标识码A 文章编号1002 - 4336200202 - 0011 - 04 露天开采是国内外矿山开采的普遍形式,据统 计,我国露天开采铁矿石占总产量的90 以上,每 年剥离的岩土量达5亿t。排土场是露天矿采掘剥 离废石的排弃堆积体,它由承纳废石的基底和排弃 的散体废石两部分组成,大型排土场的最大垂高为 400 m左右,最大容量达10亿m3。露天矿排土场 的失稳在我国露天矿山,特别是多雨的南方矿山非 常普遍,并且常常造成重大经济损失[1]。 1 排土场滑塌的主要模式 根据其受力情况及变形方式,排土场的破坏主 要可分为3种类型。 1. 1 压缩沉降变形 由于新堆置的排土场为松散岩土物料,其变形 主要是在自重和外载荷作用下的逐渐压实和沉降, 排土场沉降变形过程随时间及压力而变化,排土初 期沉降速度大,随压实和固结沉降逐渐变缓。冶金 矿山排土场观测资料表明其沉降系数为111～ 112 ,沉降过程延续数年,但在第1年沉降变形占 50 ～70 ,是产生滑坡事故的关键一年。在排土 场正常压实沉降过程中,虽然变形较大,但不会滑 坡,只有当变形超过极限值时才导致滑坡,大量观测 资料表明排土场位移速度为0～25 cmΠd时,属压 缩沉降过程,而超过25～50 cmΠd便可能出现滑坡, 需采取安全措施。 1. 2 失去平衡产生滑坡 按滑坡影响条件和滑动面所处位置的不同,排 土场失去平衡产生滑坡可分为一种形式[2]。 1排土场内发生变形破坏。当基底岩层坚硬 稳定,排弃散体透水性差,含粘土矿物多、 风化程度 高、 散体强度低时,常常发生这类破坏。这类破坏往 往是排土场台阶先鼓起后滑坡。 2沿排土场基底与接触面的滑坡。当排土场 散体物料及基底岩层强度较大、 二者的接触面存在 软弱物料时,常发生这种滑坡。如在外排土场陡倾 山坡基底表面,存在第四纪黄土、 粘土等软弱层覆盖 的排土场,或内排土场基底表面存在有被风化而又 未清除净的松散物料时,可能产生这种滑坡模式。 3基底破坏。当承纳废石的基底岩层软弱承 载能力较小,在排土场的压力作用下可能会沿基底 软弱岩层滑动,从而引起排土场滑塌。由于基底岩 层滑动,常在排土场前方产生地鼓,从而引起牵引式 滑坡。 1. 3 产生泥石流 泥石流又称山洪流或泥石洪流,是指斜坡上或 沟谷中含有大量的泥、 砂、 石的固、 液相颗粒流体,流 图1 排土场内部滑动 第20卷第2期 2002年5月 中 国 锰 业 CHINA′S MANGANESE INDUSTRY Vo1. 20№2 May 2002 Ξ收稿日期2001 - 11 - 03 作者简介贺跃光1966 - ,男,湖南桃江县人,中南大学测量实验室主任,博士研究生,高级工程师。 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图2 排土场沿接触面滑动 图3 排土场软弱基底破坏引起滑塌 体的体积密度一般在112～213 lΠm3,泥石流是地质 不良的山区的一种介于洪水和滑坡间的地质灾害现 象。常在暴雨或融雪、 冰川、 水体溃决激发下产 生。矿山泥石流是山地沟槽或河谷在暂时性急水流 与流域内大量土石相互作用的洪流过程和现象。其 特点是过程短暂、 发生突然、 结束迅速、 复发频繁。 泥石流形成必须具备3个条件;有大量的岩石破坏 产物;有数量足够的水体;山地地形[3]。 2 排土场监测的内容 排土场的监测是为安全生产和稳定性研究服务 的,一般说来,对排土场的监测,只是在特殊的条件 下,包括①基底存在软弱岩层或承载能力低的岩 面;② 在滑坡没有波及地带有排土设备,或在变形地 段有直接进行工作的机动性很强的设备;③ 为对土 场变化发展进行监测,以探求规律,指导生产;④ 为 制定并采用保证安全的专业措施,才开展监测工作。 2. 1 监测的范围 对无滑坡、 破坏可能的排土场或虽有这种可能, 但不会危及生命财产安全、 也不会影响土场正常生 产、 不至于造成生态环境破坏的排土场,并不需要监 测。但大部分排土场需要进行安全监测,以服务于 排土场新工艺、 边坡参数研究及治理效果、 后效措施 分析,具体说来,有如下情况。 1山坡排土场,基底为硬岩,山坡坡角α≥ 2710～3010,有沿基底滑坡可能。 2山坡排土场,基底为软弱岩层、 厚层腐殖土 或植物腐败层,排弃的松散土体,山坡坡角近于或略 小于2710～3010,有沿弱层滑坡可能。 3山坡排土场,基底为硬岩,存在着与山坡面 倾向一致、 倾角较小的构造弱面时,当山坡坡角小于 2710 时,也存在沿构造弱面滑坡的可能。 4较缓山坡,基底为硬岩,排土场堆料为坚硬 岩块,f 3～10 ,堆置高度为92～103 m ,土场总体 坡角α≥33,有滑坡可能。对高度超过200 m的排 土场,可按坡角30 作为监测与否的依据。 5复垦区陡边坡稳定问题,从排水系统、 稳定 及复垦出发,排土场的最终坡面角不应大于2710, 各排分层间的台阶宽度最小应保持5 m ,接近或超 过此限值时考虑其稳定性监测。 6土场局部变形与破坏,可按照对新建土场, 以单位坡顶长度在单位时间内排入土体体积来表示 废石流量指标,其最佳值为150 m3Πmd ,当土场形 成后,可按实际沉降速度为指导,如冶金矿山的沉降 速度极限一般为3 cmΠh ,小于此值,排土作业正常; 沉降速度增至3～5 cmΠh ,预示着3～5 d内沉降速 度仍会增加;沉降速度增至5～10 cmΠh ,1～2 d内 将会塌陷,超过30 cmΠh ,破坏即将发生。 对进行过测量的排土场,可按垂直位移 △w与 水平位移 △u的比值b -△uΠ△w来判断稳定性。 建设土场初期 b 011801091 建设终止阶段 b 019101202 建设成形后 b 011601203 7软弱地基排土场,沉降变形超限可能会导 致失稳。 △h α h1△ σ Π1 e14 △ σ γ h5 式中 △h 软弱地基最终沉降量,cm; α 压缩系数,m2ΠN ; h1 压缩前软弱地基厚度,cm; e1 孔隙比; σ 垂直压应力,NΠm2; H 上场堆料高度,m; γ 土场堆料容重。 21中 国 锰 业第20卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 当软弱地基的沉降变形相对量 △hΠh 15 时,基底已发生了破坏,并向周围产生塑性滑动,土 场破坏。 8由于软弱地基排土场超过基底极限承载能 力而致失稳,一般按排土场最终设计高度,用勃兰特 公式对地基承载力进行检校。 P0 2C L- X Πh1 2C Hctgβ- X Πh16 式中 P0 导致软弱地基地鼓的极限垂直压力, NΠm2; C 基底岩土的粘结力,NΠm2; H 排土场边坡高度,m; L 排土场边坡斜长的水平投影,m; α 台阶坡面角; h1 软弱基底岩土厚度,m; X 从边坡眉线到计算点距离的水平投 影响,m。 对允许边坡极限高度,当X 0 ,P0Pmax时, 土场基底的最大单位压力为γh ,当PPmax,土场 稳定,P≥Pmax,土场有可能失稳,需要监测。 2. 2 监测内容 以排土场失稳类别为基础,根据排土场变形、 破 坏几何因素及生产要求来确定排土场的监测内容如 下[4] 1土场顶面微量沉降与位移监测。如生产土 场在基底倾斜条件下,土场沿基底弱面滑移前邻近 基底处的土场顶面沉降与位移,永久性土场稳定状 态下的沉降与位移。 2排土场沉降与位移监测。包括永久性土场 的稳定监测;生产土场在作业过程中的坡顶面沉降 观测;牵引式滑坡引起的坡顶沉降与位移观测;软弱 地基土场在坡脚前沿地鼓的过程观测。 3土场坡面形态测量,指土场边坡形态,包括 边坡角、 台阶边坡角测量,以及不同排弃方式、 排弃 顺序、 排弃工艺、 排弃速度、 料流量大小等,坡角与形 态变化量测,滑坡瞬间、 措施实施后的坡角与形态量 测。 4土场变形、 破坏观测和记录,包括变形及破 坏类别、 范围、 条件、 时间、 特征量测与记录,坡顶开 裂、 错动、 塌陷、 崩落、 隆起等破坏的定时、 定量观测。 此外,有的还应进行地球物理量测、 水文孔观测,并 结合其稳定性进行状态分析,与泥石流问题相关联 进行分析。 2. 3 监测精度、 周期与方法 与失稳类别相对应,排土场顶面沉降及相邻山 坡滑移监测、 局部变形与破坏监测、 地鼓与滑坡监 测、 泥石流监测的精度、 周期与方法如下 1精密位移与沉降观测。精密位移按5 s级 导线要求,坡顶平台及相邻山坡沉降观测按四等水 准要求,平台间按四等水准要求进行联测,该等级精 度要求在于控制基底滑坡所造成的失稳。测点间 距沿眉线横向观测线按50 m以内;竖向观测线,在 眉线附近20～30 m范围内,每隔10 m设置一点,距 眉线30 m以外,每隔20～30 m设置一点;附近山坡 上每隔10 m设置一点,但至少不能少于3点。 观测周期在土场沉降大时,沉降观测每月1次, 水平位移观测的周期可加大,发现特殊情况或滑坡 时应加强观测,水平位移观测周期可定为每月1次。 2土场顶部沉降观测。主要用于区段沉降监 测,可按等外水准测量要求,测点间距可按5～15 m 设置,也可在已有固定点的基础上加设临时性木桩, 其设置范围为对某工程研究目的感兴趣的区段,周 期一般可定为每2 d 1次。 3土场坡面形态及坡角测量。可采用大地测 量的方法或摄影测量的方法,但因实地测量时往往 会因为生产而人员和设备不安全,因此应尽可能采 用摄影测量的方法[4]。一般可视剖面形态的变化 而不定期地测量。 4土场坡脚处地鼓测量。以排土场坡脚附近 的工程水准测量,距离测量、 宏观破坏调查来实现, 其精度要求较低。测线一般为沿与底部眉线垂直的 临时性测点组成,测点间距5～10 m ,测线需延设至 地鼓区以外20～30 m ,一般设置相互平行的观测线 3条以上,测线间距10～20 m。周期一般每星期1 次,变化剧烈时每天1次,稳定后1个季度至半年1 次。 5土场变形与破坏调查。该项工作作为土场 坡顶面眉线处相对位移、 坡顶面开裂扩展、 坡顶面眉 线附近相对沉降、 破裂与错动测量等。测量范围及 精度要求以满足工程要求以及研究破坏发展过程的 统计学要求为准则。因而可在破坏处现场摄影、 素 描,以及钢丝悬锤法、 边坡位移记录仪、 倾斜仪和其 它简易测量,观测周期可视变化随时调整。 6其它方面的测量,可视实际需要而定。 3 结 语 分析排土场的变形、 破坏原因,确定与之相适应 31第2期贺跃光露天矿山排土场的变形破坏及其监测 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的观测方法、 观测精度与观测周期,既可避免监测过 程的盲目性,又可确保排土场的稳定性与安全生产 的需要。 参考文献 [1] 廖国华.边坡稳定[M].北京冶金工业出版社,1995. [2] 颜荣贵,贺跃光.倾斜地基排土场与对策[J ].江西有色金属, 1990 ,43 40 - 42. [3] 戴塔根,刘悟辉,等.环境地质学[ M].长沙中南大学出版社, 1999. [4] 贺跃光,颜荣贵.高台阶排土场摄影测量技术研究[J ].矿冶工 程,1992 ,123 5 - 9. Open2pit Dump Deation and Breach Observation HE Yue2guang College of Resources , Environment and Civil Engineering of Central South University , Changsha 410083 , China Abstract Open2pit dump detormation and breach pattems are compress subside , coast due to unbalance , mud and rock flow. based on unsteady sorts , and dump deation , and breach geometry and technics , observation content and mcans and preeision is discussed. Key words open2pit ; dump ; detormation ; observation 上接第10页 Quality of Mn3O4and Its Determination PAN Ying2qing , TANG Xiao2zhuang National Committee of Manganese Industry Technology , ChangSha 410006 , China Abstract This paper describes the chemical and physical quality of Mn3O4and its application requirements , in2 vestigates the measures to improve its quality and explains the basic means for quality determination. Key words quality; determination ; Mn3O4; density; specific area 锰业信息快讯月刊 自办发行 锰行业及相关行业的商情刊物 翔实佳作纵观锰业市场风云变幻 汇集世界商贸重要信息 锰业信息快讯1986年创刊,深受国内外读者的喜爱。 该刊优点可信、 实用、 新颖、 系统。所提供的数据均基于严谨调查加科学分析;所报道的内容紧密结合 网员单位的生产、 销售、 供需双方的需求;诸多信息为首发稿件,可以负责地说,我们随时跟踪国内外锰行业 及相关行业的动向,大部分内容报道时差仅1～2月;很多栏目中的信息具有系统性,为各订户了解市场、 分 析市场、 判断、 分析、 统计提供了依据。被专家誉为行业致富的良师益友,企业领导的决策参谋。 锰业信息快讯 设有锰业信息、 研究与开发、 技术与应用、 电解锰之窗、 铁合金动态、 商贸传真、 热门话 题、 部委消息、 政策与法规、 会议消息、 价格行情、 供求热线等栏目;定期召开学术会议等。 锰业信息快讯 订阅手续随时办理,每年600元国内订价。该刊提供免费阅读,订阅者除可获得该刊 外,还可免费获得 中国锰业,并免费在 锰业信息快讯 上刊登供求信息。周柳霞 41中 国 锰 业第20卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.