礦山廢石場的分類分區排放斷面探討

宋 自 平, 李 健, 周 菊 蘭, 劉 李

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

緬甸萊比塘銅礦露天開采境界內的廢石量約為9.424億 t,其中有約7.31億 t的廢石量需要外排。但有高達71%的廢石為潛在產酸(或重金屬)廢石,僅有29%的廢石為不會對環境造成污染的良性廢石[1]。因此,必須對良性廢石進行合理利用,做出最合理的分類分區設計方案并予以嚴格執行,才能保證良性廢石對廢石場表面的覆蓋,達到廢石場在永久安全存放條件下的環境保護要求。

緬甸萊比塘銅礦2號廢石場位于露天采場西側,布置在西山背坡,占地面積約1.36 km2。按照永久安全存放穩定性分析對廢石場邊坡坡度提出的設計要求為:廢石場將建成階梯形狀,其外緣每個臺階成型后的邊坡坡度為1∶2.5,整體邊坡坡度約為1∶2.9,每個臺階的高度(廢石分層排放的厚度,亦稱排廢段高)為12.5 m。根據永久安全存放坡度進行廢石場設計的2號廢石場底部標高約為100 m,頂部終了排廢標高為250 m,垂直排廢高差達150 m,排廢設計總庫容達9 585.3萬m3,主要堆存露天采場開采境界內西山及采坑內西側剝離的廢石。萊比塘銅礦2號廢石場設計總平面圖見圖1。

圖1 萊比塘銅礦2號廢石場設計總平面圖

2 廢石場分類分區排放斷面的設計

2.1 主要參數的確定

在進行廢石場分類分區排放斷面設計前,需要明確以下幾個主要參數:

(1)廢石休止角:廢石渣料在自然堆積狀態下的安全坡度是由其休止角決定的。不同種類及粒度的物料其休止角不同[2]。根據萊比塘銅礦項目的勘察設計文件,礦區的礦石(廢石)休止角為37°。

(2)良性廢石的最小厚度:按照項目ESIA報告和設計文件,其良性廢石的最小厚度按廢石排放臺階高度的一半控制,即6.25 m。

(3)分類分區排廢時先排放斷面的最小平臺寬度:萊比塘銅礦項目采用的是NTE260電動輪自卸車和TR100礦用自卸車兩種車型進行廢石的運輸與排放,為保證安全,兩種載重量相差較大的車型不能在同一個排卸點混排,因此,當出現良性廢石先排放時,按采用TR100礦用自卸車排放廢石的最小寬度需求確定先排斷面的最小平臺面寬度,其包含滿足自卸車在平臺上錯車、掉頭需要的最小寬度及臨邊安全擋墻占用的寬度。TR100礦用自卸車長10.82 m,寬5.15 m,設計最小轉彎半徑為15 m,平臺行車道寬度按照約4倍車寬考慮,因此,取20 m寬即可滿足自卸車錯車、掉頭的需要;自卸車配置的輪胎型號為27.00R49,外緣直徑為2.7 m。為保證安全,臨邊安全擋墻的高度應為通行車輛輪胎直徑的1/2～3/5,因此,在首排斷面中按1.5 m的高度進行設計,單側臨邊安全擋墻占用的寬度為5 m。故將采用TR100礦用自卸車排放廢石的先排斷面最小平臺面寬度確定為30 m。采用TR100自卸車先排廢石最小平臺寬度斷面情況見圖2。

圖2 采用TR100自卸車先排廢石最小平臺寬度斷面圖

(4)廢石場每個臺階的收縮寬度:根據廢石自然堆積的休止角和臺階成型后的永久存放各臺階安全坡度和廢石場綜合坡度要求進行廢石場斷面的設計,通過作圖確定出的每個臺階的收縮寬度為20.11 m。

2.2 基本斷面設計

綜上所述,根據萊比塘銅礦廢石場邊坡坡度設計要求及上述其他相關參數進行廢石場的分類分區排放斷面設計,得到廢石分類分區排放設計的基本斷面。廢石場分類分區排放設計的基本斷面見圖3。

圖3 廢石場分類分區排放設計的基本斷面圖

由于回填料一般要經歷一個自然沉降的過程才能逐步達到穩定狀態[3],因此,廢石臺階排放完成后一般要經歷一個雨季或半年以上的自然沉降,再按照永久存放安全坡度的要求進行削坡處理,才能達到最終的穩定狀態。廢石場分類分區排放斷面設計的各種坡度變化情況見圖4。

圖4 廢石場分類分區排放斷面設計的各種坡度變化圖

從圖4中可以看出:廢石場中的良性廢石在邊坡削坡后的最小厚度約為6.39 m,滿足良性廢石最小厚度不低于6.25 m的設計要求,即良性廢石的平面排放寬度最小不能少于30 m;另外,邊坡在進行削坡處理后每個臺階還保留一條5.45 m寬的馬道,能夠滿足邊坡復植地貌及日常維護的通行要求,由此表明該設計方案是合理的。

2.3 實際施工斷面的調整

在露天采場剝采施工過程中,一般的規律是前期廢石剝離的量會比較大,而穩產期則是盡量追求較穩定的剝采比[4],后期礦石的比重會逐漸增加。單就廢石剝離施工來講,一般的規律是前期良性廢石多,重金屬廢石和酸性廢石少;而越到后期其良性廢石會越來越少甚至完全缺失,酸性廢石則會越來越多。穿越淋濾帽巖層時,在一定時期內其重金屬廢石會相對集中出現,淋濾帽巖層剝離完即意味著重金屬廢石也就沒有了。因此,在廢石場排廢的前期,可以利用大量的良性廢石做好底層的平鋪排放施工;隨著廢石場的廢石排放施工向上層臺階發展,為了合理利用有限的良性廢石,將會出現先排放廢石場臨邊良性廢石區的情況;一定時期內,在重金屬廢石較集中排放時會出現必須先進行重金屬廢石區排放的情況;隨著露天采場剝采工作的深入開展、酸性廢石的逐漸增多,則會逐漸出現需要先排放酸性廢石的情況;在某些特定時段,還會出現最后排放重金屬廢石的情況。故前期對于多余的良性廢石不應無序排放而導致出現資源浪費,應根據實際情況設置專門的臨時堆場進行集中存放,以便用于后期的廢石場上部臺階及頂面良性廢石層的覆蓋。廢石場不同類別廢石先排放的典型設計斷面見圖5。

圖5 廢石場不同類別廢石先排放的典型設計斷面圖

因此,實際施工過程中的廢石分類排放是一個不斷動態變化的過程[5]。廢石場的分類分區排放設計斷面絕不是一成不變的,而是在遵循保證廢石場永久存放安全設計坡度和良性廢石最小厚度的原則下根據現場生產情況靈活選擇在同一廢石排放臺階安排某一類廢石先排放的、可調整的分類分區排放斷面。

3 結 語

在緬甸萊比塘銅礦項目2號廢石場進行廢石排放施工時,項目部的工程技術人員結合銅礦山廢石的分類特點,對廢石排放的分類分區排放斷面設計進行了深入研究,找出了設計需要遵循的一般規律:在遵循保證廢石場永久存放安全設計坡度和良性廢石最小厚度的原則下,根據現場各時段的實際生產情況靈活選擇在同一廢石排放臺階安排某一類廢石先排放的、可調整的分類分區排放施工斷面。按照該規律進行斷面設計并指導廢石分類分區排放施工取得了良好的效果。目前,該廢石場已完成95%的廢石排放,很好地實現了廢石場排廢施工的環境保護目標,其可調整式分類分區排放施工斷面設計的一般規律對類似工程具有積極的借鑒意義。

參與文獻：

[1] 劉平旭,孟浩.萊比塘銅礦廢石分區排放研究[J].采礦技術,2019,19(5):88-90.

[2] 田明,鄒云麗,肖羚,等.山區公路棄渣顆粒組成與休止角的統計分組特征及工程應用[J].巖土力學,2022,43(增刊2):469-476.

[3] 馮辰晨,劉瀚澤.管線溝槽回填土密實度與自然沉降時間關系試驗探究與總結[J].水利建設與管理,2016,36(10):35-39.

[4] 雅娜(Iana Rybnikova). 基于數學建模的反鏟式液壓挖掘機剝采比均衡方法研究[D].中國礦業大學,2021.

[5] 吉占華. 大型露天礦山合理開采境界及采場廢石排放方案研究[D].河北大學,2013.