某高邊坡排土場排土工藝優(yōu)化對(duì)比

李小艾 屈曉朋

(中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司)

某鐵礦2#排土場現(xiàn)采用膠帶機(jī)—排土機(jī)排土系統(tǒng)單臺(tái)階排土，排土機(jī)站立標(biāo)高為600 m，坡底標(biāo)高約320 m，臺(tái)階高280 m；終了狀態(tài)時(shí)的設(shè)計(jì)臺(tái)階高度將達(dá)到320 m。排土機(jī)排巖系統(tǒng)建成投產(chǎn)后，由于2#排土場的排土機(jī)排土部位是單臺(tái)階、高段高排土作業(yè)，自2002年先后發(fā)生過2次局部中、小規(guī)模滑坡事故和多次水石流(排土場坡面稀性泥石流)事故，對(duì)礦山排土作業(yè)安全、下游村莊和設(shè)施造成了一定程度的影響。

2014年某科研機(jī)構(gòu)對(duì)礦山開展排土場的穩(wěn)定性及排土規(guī)劃設(shè)計(jì)可行性論證研究得出，排土場單臺(tái)階整體邊坡在自然工況時(shí)屬于病級(jí)排土場，降雨工況時(shí)屬于危險(xiǎn)級(jí)排土場，應(yīng)結(jié)合礦山開拓系統(tǒng)，調(diào)整排巖工藝，降低排土髙度，減少水的影響，從本質(zhì)上解決排土場的高臺(tái)階排土安全問題。

為了保障礦山排土作業(yè)及排土場下游居民和相關(guān)設(shè)施安全，滿足安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門日益健全、嚴(yán)格的監(jiān)管要求，礦山開展了排土工藝優(yōu)化及綜合治理工作。

1 排土場臺(tái)階高度的確定

根據(jù)排土場堆置總高度、排土總?cè)莘e，參照《冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51119—2015)[1]，該排土場等級(jí)為一級(jí)。在綜合考慮自然、地震、降雨及其組合作用以及發(fā)生頻率等條件后確定工況條件：自然工況為不考慮降雨和地震影響；降雨工況為自然工況+降雨，只考慮降雨影響，不考慮地震影響；地震工況為自然工況+地震，只考慮地震影響，不考慮降雨影響。臺(tái)階高度確定、驗(yàn)算時(shí)的安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)為自然工況1.10,降雨工況1.05,地震工況1.02。

根據(jù)臺(tái)階邊坡角、堆置體的物理力學(xué)參數(shù)的推薦值和排土場邊坡的圓弧破壞模式，使用Slide軟件對(duì)不同高度的臺(tái)階邊坡采用Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price法等極限平衡分析方法計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)，直至臺(tái)階邊坡在各種工況條件下的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)大于允許安全系數(shù)；同時(shí)對(duì)降雨、地震工況條件下通過排土機(jī)站立位置(坡頂眉線以內(nèi)30 m處)的滑動(dòng)面的安全系數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算后，確定排土機(jī)排土工藝的臺(tái)階高度控制在不大于170 m時(shí)，汽車直排工藝的臺(tái)階高度控制在不大于160 m時(shí)，臺(tái)階安全系數(shù)均能夠滿足設(shè)定的臺(tái)階安全穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)排土場現(xiàn)狀到終了狀態(tài)總堆置高度(280～320 m)、采用汽車直排或排土機(jī)排土方式的臺(tái)階最大高度，排土場由現(xiàn)狀單臺(tái)階排土調(diào)整為2個(gè)臺(tái)階的多臺(tái)階排土。為充分發(fā)揮排土機(jī)排土優(yōu)勢，上部臺(tái)階高度確定為170 m。

2 排土場工藝優(yōu)化

下部臺(tái)階的形成有溜槽溜放與汽車倒排、汽車直排、排土機(jī)下行轉(zhuǎn)場排土、排土機(jī)與電鏟倒排結(jié)合等工藝方式，其中,排土機(jī)下行轉(zhuǎn)場排土不適應(yīng)目前排土場用地空間、地形地貌特點(diǎn)以及排土場邊坡等現(xiàn)狀條件；采用電鏟倒排方式需要多次倒排，投資和運(yùn)行費(fèi)用都十分巨大，目前礦山生產(chǎn)難以承受。因此,由單臺(tái)階排土調(diào)整為2個(gè)臺(tái)階組成的多臺(tái)階排土場時(shí),下部臺(tái)階的排土工藝有溜槽溜放—汽車倒排、自卸汽車直排可供選擇。

2.1 溜槽溜放—汽車倒排工藝方案

溜槽是利用巖石的勢能將其自高處搬運(yùn)至低處的一種運(yùn)輸設(shè)施，是克服高差最有效、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式之一[2]。

2.1.1 溜槽位置的確定

利用排土場2個(gè)排土機(jī)排土部位之間的鞍部地形條件，布置南、北2條溜槽，位置見圖1。

2.1.2 溜槽主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)山脊及南北區(qū)域地形條件確定溜槽上部受料口標(biāo)高為590 m;南溜槽底部標(biāo)高為398 m，斜傾角為45°；北溜槽底部標(biāo)高為400 m，斜傾角上部為55°，下部為45°;溜槽底寬2.5 m,最小深度為2.0 m;溜槽側(cè)壁坡腳為1∶0.5。

2.1.3 溜槽下部料堆及轉(zhuǎn)載能力

根據(jù)能量守恒原理[3]計(jì)算溜槽下部巖石滑動(dòng)距離達(dá)到23.52 m。溜槽下部倒裝設(shè)備采用4 m3液壓挖掘機(jī)，其最大挖掘高度為10 m。根據(jù)有關(guān)規(guī)程、規(guī)范中料堆高度不得大于挖掘設(shè)備最大挖掘高度1.5倍的要求，料堆高度為15 m。每個(gè)溜槽下部料堆的容積可達(dá)2萬t，滿足現(xiàn)狀膠帶排土運(yùn)輸系統(tǒng)1班的巖石堆存需求。

圖1 溜槽平面位置

考慮到轉(zhuǎn)載的巖石塊度最大為350 mm，液壓挖掘機(jī)的能力為165萬t/a，根據(jù)每個(gè)溜槽下部倒裝場地的大小均可布置2臺(tái)挖掘機(jī)進(jìn)行倒裝作業(yè)。經(jīng)核算，溜槽下部的料堆5班可完成倒裝、運(yùn)輸作業(yè)。

根據(jù)排土進(jìn)度計(jì)劃，南側(cè)區(qū)域下部臺(tái)階在剩余服務(wù)年限完成，經(jīng)計(jì)算，南側(cè)區(qū)域下部臺(tái)階需要的倒排能力為485萬t/a。為此，在南、北區(qū)域倒裝場地間開鑿一條聯(lián)絡(luò)隧道，以達(dá)到向?qū)Ψ絽^(qū)域運(yùn)輸巖石的通行需求。隧道通過能力驗(yàn)算結(jié)果表明，單車道隧道的能力滿足需要。

2.1.4 膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的改造

如圖1所示，在溜槽上部沿山脊向東新建6#固定膠帶機(jī)至現(xiàn)狀3#轉(zhuǎn)運(yùn)站，同時(shí)抬高現(xiàn)狀3#轉(zhuǎn)運(yùn)站，并在其下部、現(xiàn)有4#移置式膠帶機(jī)與新建6#固定膠帶機(jī)的上方新建5#可逆膠帶機(jī)平臺(tái)。采場內(nèi)剝離的巖石利用現(xiàn)狀破碎-膠帶系統(tǒng)運(yùn)輸至600 m平臺(tái)后，經(jīng)改造的3#轉(zhuǎn)運(yùn)站與新建5#可逆膠帶機(jī)分時(shí)輸送至下部的現(xiàn)有4#移置式膠帶機(jī)或新建6#固定膠帶機(jī)，現(xiàn)有4#移置式膠帶機(jī)通過卸料小車將巖石轉(zhuǎn)運(yùn)到排土機(jī)排棄；新建6#膠帶機(jī)將巖石輸送到溜槽上部的分料點(diǎn)，分別由南、北溜槽溜放至各自下部轉(zhuǎn)載平臺(tái)，液壓挖掘機(jī)裝自卸汽車后，運(yùn)輸至排土場下部臺(tái)階排棄。改造后的膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)見圖2。

2.1.5 排土作業(yè)制度變化

溜槽系統(tǒng)投入運(yùn)行后，膠帶排巖系統(tǒng)的作業(yè)制度調(diào)整到2 d一個(gè)循環(huán)，其中溜槽系統(tǒng)生產(chǎn)2班；每個(gè)循環(huán)內(nèi)各溜槽均有1班向下部倒裝場地溜放巖石，其余5班下部倒裝場地的液壓挖掘機(jī)與自卸汽車進(jìn)行倒裝、運(yùn)輸與直排作業(yè)。

圖2 改造后的膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)平面布置

上部膠帶排巖系統(tǒng)在2 d一個(gè)周期的循環(huán)內(nèi)非溜槽作業(yè)時(shí)間均采用現(xiàn)狀4#移置式膠帶機(jī)和排土機(jī)在上部臺(tái)階進(jìn)行排土作業(yè)。

2.2 汽車直排工藝方案

現(xiàn)狀南側(cè)區(qū)域排土場邊坡坡底至征地界限外約70 m的范圍被滑坡體覆蓋，征地界限處的滑坡體標(biāo)高約320 m。

汽車直排工藝方案調(diào)整目前礦山實(shí)施的在4#膠帶機(jī)頭部南側(cè)邊坡坡底，自3#路580 m回頭處向西沿排土場坡底修筑反壓平臺(tái)的路由，調(diào)整現(xiàn)狀道路的縱坡后,在現(xiàn)有征地界限內(nèi)繼續(xù)西北方向的低處延伸至2個(gè)區(qū)域間山脊處500 m標(biāo)高，最終形成南側(cè)區(qū)域600 m臺(tái)階以下的580～500 m臺(tái)階。

南側(cè)區(qū)域580～500 m臺(tái)階在中部高度將達(dá)到190 m，超出設(shè)定的允許安全系數(shù)下的汽車直排工藝的臺(tái)階高度(不大于160 m)，為此，設(shè)計(jì)在其下部增設(shè)355 m臺(tái)階，由于該臺(tái)階無法采用排巖作業(yè)修筑，需要利用滑坡體廢石或開挖北側(cè)山體進(jìn)行修筑。

南側(cè)區(qū)域下部580～500 m臺(tái)階形成后，越過南、北區(qū)域間的山脊上500 m標(biāo)高的埡口，延伸至北側(cè)區(qū)域并沿其外側(cè)采取下坡筑壩式汽車直排作業(yè)至其西北部450 m標(biāo)高處，在外側(cè)形成一個(gè)標(biāo)高500～450 m攔擋壩，最終成為終了狀態(tài)時(shí)600 m臺(tái)階排土邊坡以下臺(tái)階。

與礦山現(xiàn)在執(zhí)行的設(shè)計(jì)相比，汽車直排作業(yè)的汽車運(yùn)距變長，需要相應(yīng)增加部分巖石運(yùn)輸自卸汽車。汽車直排工藝方案的排土場平面布置見圖3。

2.3 方案比較2.3.1 可比投資比較

溜槽溜放—汽車倒排工藝方案中的可比投資除現(xiàn)有膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)改造、溜槽及其底部倒裝場地、聯(lián)絡(luò)道路和倒裝、運(yùn)輸設(shè)備外，還包括連通南、北區(qū)域倒裝場地的聯(lián)絡(luò)隧道。

汽車直排工藝方案中的可比投資主要包括底部355 m平臺(tái)修筑、巖石運(yùn)輸?shù)缆仿访婕霸黾拥牡V用自卸汽車。

圖3 汽車直排工藝方案平面布置

經(jīng)計(jì)算，溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的可比投資為8 217.02萬元，汽車直排工藝方案的可比投資達(dá)到46 585.41萬元，2個(gè)方案的可比投資對(duì)比見表1。

2.3.2 運(yùn)營費(fèi)用比較

根據(jù)排土進(jìn)度計(jì)劃，溜槽溜放—汽車倒排工藝方案中，2個(gè)區(qū)域下部430 m臺(tái)階的巖石總量為1 722萬t，在南部區(qū)域剩余的3 a服務(wù)年限內(nèi)完成；而汽車直排工藝方案中，南側(cè)區(qū)域580～500 m臺(tái)階和北側(cè)區(qū)域500～450 m臺(tái)階的巖石總量達(dá)到8 017萬t，由于前2 a缺少來自露天采場內(nèi)的直排巖石,南側(cè)區(qū)域形成580～500 m臺(tái)階的巖石量不得不采用排土機(jī)排棄的巖石經(jīng)倒裝自卸汽車后完成。

根據(jù)礦山的運(yùn)營指標(biāo)計(jì)算出溜槽溜放—汽車倒排工藝方案運(yùn)營費(fèi)用為4 060.51萬元，汽車直排工藝方案的運(yùn)營費(fèi)用達(dá)到51 762.28萬元，2個(gè)方案的運(yùn)營費(fèi)用對(duì)比見表2。

表1 可比投資對(duì)比

表2 運(yùn)營費(fèi)用對(duì)比

2.3.3 可比總費(fèi)用比較

2個(gè)方案的可比投資與運(yùn)營費(fèi)用之和的可比總費(fèi)用見表3。可以看出，汽車直排工藝方案的可比總費(fèi)用為溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的8.01倍，其可比投資為溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的5.67倍，運(yùn)營費(fèi)用更是溜槽溜放—汽車倒排工藝方案的12.75倍。

表3 可比總費(fèi)用對(duì)比 萬元

溜槽溜放—汽車倒排工藝方案從可比投資、運(yùn)營費(fèi)用和可比總費(fèi)用等方面均具有明顯的優(yōu)勢，因此，該高邊坡排土場排土工藝優(yōu)化采用溜槽溜放—汽車倒排工藝方案。

3 結(jié) 論

(1)排土工藝優(yōu)化是高邊坡排土場運(yùn)營期內(nèi)邊坡綜合治理工作的重要組成部分，高邊坡排土場由單臺(tái)階排土調(diào)整為多臺(tái)階排土?xí)r，下部臺(tái)階的排土工藝對(duì)投資、運(yùn)營費(fèi)用具有決定作用。

(2)運(yùn)營期高邊坡排土場由膠帶機(jī)—排土機(jī)排土工藝優(yōu)化采用溜槽溜放—汽車倒排工藝，在降低投資、節(jié)省運(yùn)營費(fèi)用方面優(yōu)勢明顯，是一種行之有效的可靠工藝，可供類似排土場邊坡優(yōu)化與治理借鑒，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 中國冶金建設(shè)協(xié)會(huì).冶金礦山排土場設(shè)計(jì)規(guī)范GB 51119—2015[S].北京：中國計(jì)劃出版社.2015.

[2] 米子軍，白俊.峨口鐵礦東區(qū)放礦溜槽的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)踐[J].太鋼科技，1998(4)：34-36.

[3] 李中楠，胡福祥，郝學(xué)冉.露天采場溜槽底部安全設(shè)施設(shè)計(jì)原理探討[J].金屬礦山，2008(3)：150-152.