我国冶金矿山排土场研究现状及展望

　　邱 宇

　　据统计，我国露天矿山每年排弃废石量总共约10亿t，占地面积约80 000～86 667 hm2。其中，冶金露天矿每年排弃废石量约5亿t，排土场占地面积是矿山总占地的40％～55％。排土场作为矿山剥离废石土松散体的受纳场所，是人类经济发展的产物，长期以来作为矿山安全生产的技术课题被广泛研究。

　　排土场是具有时空效应的人工堆积体，一旦形成即可能成为一种特殊的人工堆积边坡的永久地物。在矿山建设总体规划下，排土场形成过程大致可概括为选址→运输→排土(堆置)→灾害防治→环境保护(复垦)。目前的研究大多是针对某一排土阶段进行的，如稳定性分析方法的比较、排土参数的优化、滑坡、泥石流的灾害防治措施。对排土前的厂址选择、运排土设备选择、运距及排土线、排土后的环境保护方面的研究较少。本研究在概括国内外排土场研究现状的基础上，通过分析排土场的特点及存在的问题，提出未来发展建议，以期指导我国矿山企业排土场的发展。

　　1排土场研究现状

　　我国矿山科技工作者早在上世纪七八十年代即对露天矿排土新工艺、新技术、排土场稳定性、排土场滑坡、泥石流灾害防治技术以及复垦环境保护等方面开展了大量试验研究工作。尤其是近20 a，随着排土设备的大型化、智能化、分析技术的完善以及试验研究手段的日趋成熟，排土场的研究取得了长足进步。

　　1．1排土方式

　　目前，我国冶金矿山排土主要有汽车一推土机联合排土、铁路一装载挖掘机排土、胶带运输与排土机联合排土3种方式。由于汽车－推土机联合排土方式对物料的适应性、灵活性及其机动性，使其在冶金矿山排土场得到广泛应用。

　　排土方式的研究主要出于安全和经济方面考虑，与开拓运输系统、排土计划和运排土设备的发展有关，主要集中在如何缩短运排距，排土线优化，装、运、排设备的大型化和智能化这几方面的研究。如文献用最小的运输距离和费用开支对排土物料运量及流向进行合理规划，建立了排土高度与费用的经济分析数学模型，达到优化排土的目的。文献『5]以矿区地形数字地面模型(DTM)模拟出数字高程模型，通过计算排土场容量来规划排土。

　　1．2稳定性分析

　　由于生产力水平和价值观念差异，我国矿山企业将经济效益放在首位，追求“少征地，大容量，短运距”，这就形成了排土场高、陡的不安全局面，滑坡和泥石流灾害频繁。而国外则以环境美化和资源保护为发展原则，不仅重视排土场污染和生态复垦，而且限制土场高度和坡度，带来的结果是失稳现象少。正因为这种安全理念差异及市场需求，我国矿山排土场在这方面提供的案例较多，一定程度上使稳定性研究走在世界前沿。

　　国内外研究成果表明，影响排土场稳定的关键因素，不仅包括堆积散体物料的物理力学性质、堆排放工艺，还取决于其所处工程地质、水文地质条件、爆破震动、地震、连续降雨等因素。

　　(1)堆置要素。在堆置要素对排土场影响稳定性分析方面，文献[6]研究了荷载作用下排土场平缓表土基底的作用机制，得到排土场临界表土厚度与极限堆高的确定方法及计算公式。文献[7]提出了排土场三维表面模拟为圆锥形的模型，选取边坡角、台阶高度与宽度3个分析指标，将台阶宽度转化到台阶高度和边坡角的二元函数，分段查找体积最大点，进而得到堆置最优模型。文献[8]以稳定性安全系数为分析指标，通过对不同堆置方式形成排土场概化模型分析，得到了压坡脚式排土场适用于凹形山谷地区，堆置时应利用山谷夹持效应，及时对坡脚进行加固；覆盖式排土场安全系数较高的，适用性更广的结论。文献[9]采用多种极限平衡分析法对不同平台宽度、台阶高度下的排土场边坡进行稳定性分析，并分别对平台宽度与安全系数、台阶高度与安全系数之间的关系进行回归分析，进而优化排土场堆置要素。

　　(2)稳定性分析方法。国内外排土场的稳定性分析方法的研究，是结合排土工艺，在边坡稳定性分析基础上进行的，进而形成不同的分析方法。目前，以极限平衡理论为基础的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法为排土场稳定性分析的主要方法。

　　极限平衡法的主要思想是以摩尔一库伦抗剪强度理论为基础，按某种规划将有滑动趋势范围内的边坡岩体划分为一个个小块体，通过块体平衡条件建立整个边坡平衡方程，进而分析边坡的稳定性。随着计算机技术及计算方法的发展，采用理论体系更为严密的应力应变分析方法分析岩土体稳定性变为现实。复杂的工程问题可以借助计算机，采用离散化的数值计算方法得到满足工程要求的数值解。数值分析方法可从较大的工程范围考虑边坡的复杂性，能较全面地分析边坡工程应力及变形状态，能将边坡工程从局部扩展至整体的破坏过程进行量化表征，进而认识边坡破坏模式并找到边坡变形规律，是对极限平衡法的改进和补充。目前主要的数值分析方法包括有限单元法(FEM)、离散单元法(DEM)、边界单元法(BEM)、有限差分法(FDM)等。随着数学方法在工程技术领域的应用，排土场稳定性分析出现了以模糊综合评价、神经网络、可靠度分析为基础的不确定分析方法。

　　(3)基底结构及力学性质对排土场稳定性影响。在基底结构及力学性质对排土场稳定性影响方面，研究主要从基底工程地质水文地质条件，基底岩土体的物理力学性质人手，研究基底承载力对排土场边坡稳定性的影响。如文献[22]应用数值模拟，分析厚软基底型排土场边坡的位移场分布规律和变形破坏模式，找到了滑移变形的危险部位；文献[23]通过分析引起排土场滑坡影响因素，得到了黄土基底型排土场的滑坡机理；文献[24]通过对黄土基底排土场边坡进行稳定性分析，揭示了黄土基底型排土场边坡破坏模式为堆料内部滑动和底部沿基底弱面滑动。 

　　(4)散体物料分布规律及特征对排土场稳定性影响。通过对排土场散体物料特征及分布规律进行研究，可为散体物料物理力学试验提供粒度组成和级配方案，进而确定排土场的破坏模式。如文献[27]采用对数χ2正态分布函数分析原岩爆破散体组与排土场高度的关系；文献[28]将分形几何理论引入排土场废石块度分布规律研究中，进而建立了分维数与废石抗剪强度参数黏聚力、内摩擦角的线性相关关系式；文献[29]则在前人研究的基础上，建立了排土场散体物料分维数与抗剪强度参数内摩擦角呈负指数相关的定量关系式；文献[30]则通过开展不同粗粒含量的颗粒破碎和抗剪强度试验研究，进一步验证排土场散体物料与抗剪强度参数的相关性。

　　(5)水、地震、爆破振动对排土场稳定性影响。水对排土场稳定性影响分析方面，早期有学者通过模型实验分析，认为水对排土场具有冲刷、潜蚀作用，且由于松散体良好的渗透性，不可能形成较高水头的地下渗流。而后有学者将排土场地下水归结于大气降水，认为降水入渗只有通过包气带向下运移，散体物料的粒度不均造成排泄滞后。采用有限分析法、不变网格节点虚流量法进行排土场渗流场模拟分析，进一步用非线性渗流表达式建立排土场渗流模型，并将其用来判别排土场渗流状态及分析其稳定性。还有的学者将饱和-非饱和理论引入到排土场渗流分析中，用Geo—studio软件分析排土场降雨入渗过程，得到了降雨条件下排土场地下水的渗流特征。

　　地震和爆破振动动力荷载作用下排土场边坡稳定性评价理论尚不成熟，目前的研究主要集中在采用动力有限元进行排土场稳定性评价的有限元分析法，以及考虑频谱结构、加速度衰减及尺度效应等因数的等效静力法。如文献[37]结合等效静力法和有限元动力响应分析法，研究排土场边坡在重力和爆破振动动力荷载作用下的稳定性，结果表明：当坡面顶部表层或浅层张裂缝达到一定深度时，会导致表层物料会顺坡滑下产生表面滑塌型破坏。文献[38]则采用相似模拟试验与数字散斑观测方法，研究抛掷爆破作用对排土场边坡稳定性的影响，结果表明：爆破会引起内排土场边坡发生微小位移，不会引起内排土场发生破坏性滑坡。文献[39]运用ANSYS动力时程分析，认为在地震动力荷载作用下，主要表现为排土场顶部因位移过大产生滑移破坏，或排土场底部因剪力过大产生塑性区，当塑性区一旦贯通，即可能发生边坡整体性滑移破坏。

　　1．3灾害防治

　　根据国内外矿山安全管理经验，滑坡及泥石流是矿山排土场主要的灾害。滑坡及泥石流的防治对象是地表和地下水，主要措施是疏干排水，在排土场下游构筑谷坊群坝也是必要的泥石流防护措施。另外，新排弃的台阶上半部和边坡内部含地表土等细粒岩土软弱夹层以及软弱地基层等，都是最危险的潜在滑面，容易产生滑坡和泥石流。              

　　研究结果表明：泥石流的形成必须同时具备3个：条件，即丰富的物料、充沛的水源、纵坡降较大。滑坡的关键原因主要是基底承载力低、排土工艺不合理。由于没有找到一个安全与经济的平衡点，排土场灾害防治主要表现为被动、事后控制，大多数研究主要为泥石流、滑坡的成因与治理措施研究。如文献[40-41]通过对新桥硫铁矿四方排土场泥石流的成因进行分析，提出了排土挤淤-堆载固结的治理方法。文献[42]针对齐大山铁矿排土场泥石流提出了岩土混排、构筑挡泥坝的措施。文献[43]针对七架沟排土场提出控制粒径小于5 mm的细粒散体物料、构建底部泄流体、超高台阶排土的措施。文献[44]针对某矿山排土场利用模糊互逆矩阵得出松散物料>水>纵坡降的泥石流3个必要条件的影响关系，提出多级拦挡坝、土石分排的措施。

　　1．4生态复垦

　　国内外学者对于排土场生态复垦研究，主要集中在复垦适宜性、复垦模式、复垦植被种类、复垦工艺等方面。国外把矿山土地复垦问题纳入了采矿设计之中，重视复垦后期的土地管护与资源可持续利用。国内部分学者则通过构建矿山排土场植被复垦适宜性评价指标体系，来评价排土场植被复垦适宜性。如采用GIS软件技术的评价方法、基于模糊的综合评价法、基于生态环境的AHP与模糊数学评价法、层次分析法和神经网络等评价方法。部分学者则研究复垦模式，如文献[47]提出限制草原地区排土场植被恢复的主要因素是风蚀作用，以沙棘为主的灌丛，应成为草原露天矿排土场环境整治的主要模式。文献[48]通过对大宝山排土场进行复垦试验，得出使用无土有机质混合物改土和采用乔、灌、藤、草的林草复合模式有利于排土场进行生态恢复，这也是国内冶金矿山排土场生态复垦的主要模式。

　　2排土场存在的主要问题

　　区别于普通岩土问题，排土场是人工堆积体，自然产生了安全、环保等社会问题，主要表现在间断性、批量排废过程中自然形成的边坡稳定性问题；由于地质环境及工程手段的改变，在降雨、地震等因素激发下导致的滑坡、泥石流问题以及由于剥离废石土自身产生的环境问题。

　　2．1超高台阶排土场稳定性

　　矿业的迅速发展与征地之间的矛盾，使矿山排土强调运距短、少占地，即在露天开采境界外就近排土，为追求经济效益最大化，导致多数单台阶作业、高台阶作业，单台阶高度从原来的50．0～60．0 m上升到200．0～300．0 m，个别达到400．0～500．0 m，从而带来了超高台阶的稳定性的问题，如南芬铁矿、海南铁矿、德兴铜矿、永平铜矿、汤丹铜矿的排土场。

　　超高台阶边坡主要呈上陡下缓的上凹型曲线，稳定性问题主要表现：①散体物料力学参数取值偏低；②基底承载机制与排土堆高的关系；③潜滑面的确定；④渗流耦合。

　　2．2环境影响

　　排土场对环境方面的影响主要表现在噪声、粉尘、水体及重金属污染。噪声和粉尘采取相应的技术措施可以得到很好解决，而水体污染和重金属污染则主要因松散岩土物料化学性质不同，对周边环境有较大的潜在影响，污染土壤和水源。

　　2．3软弱基底排土

　　不同于其他地基，排土场基底表土一般未清除。在我国，将排土场布置在软弱基底之上的露天矿有许多，由此带来的排土场稳定性问题日渐凸显，排土场变形及滑坡灾害频频发生。软弱基底承载力直接影响排土场堆高，大多数研究集中在如何提高软弱基底地基承载力方面。《GB 51119—2015冶金矿山排土场设计规范》也只是对堆载预压第一台阶高度作出了相关规定，而忽略了排土对基底软弱层演化规律的影响。

　　2．4机械化水平不高

　　装、运、排设备的机械化水平影响排土作业的功效及连续化。目前，国内冶金矿山排土场普遍机械化水平不高，主要表现在设备的大型化和智能化方面欠缺。

　　2．5稳定性评价结果与现状不匹配

　　稳定性分析计算作为排土场安全评价的一个重要指标，即便力学参数采用原位剪切试验和大型三轴试验来获得，分析方法也采用瑞典圆弧法、Bishop法、 Morgenstem-Price法综合分析，但稳定性分析结果仍面临与排土场实际状态不相符的尴尬境地，如安全系数较高的典型剖面，实际却失稳破坏。这就需要我们解决力学参数等效性取值、力学模型如何确定以及排土场空间效应突出方面的问题。

　　3对策建议

　　3．1多台阶排土

　　采用覆盖式和压坡脚式多台阶排土，对于有软岩地基或含大量表土软岩的排士场稳定性具有积极的作用。当采用多台阶复盖式排土方式时，下部排大块岩石，上部排软岩和破碎岩石，如此底部硬岩台阶直接接触软岩地基土层，有利于地基的压缩、固结、排水，进而增加基底承载能力。也可进行压坡脚式排土方式，先期排土和风化岩石，后期排弃大块岩石，反压坡脚，以保证排土场下部的排水疏畅及其稳定性。

　　3．2逆排工艺

　　在露天矿排土工艺上一般都选择顺排的方式，即由内向外、由近向远排土方式。而采用逆排工艺则有利于排土场的稳定性。它在排土时，可以选择在排土场的出口处，先构筑坡脚坝(宜用大块、硬岩石形成透水坝)，然后由外向内分层排土，排土顺序是由低到高、由外到内，最终形成单台阶或多台阶的排土边坡。这种采用小段高、多台阶、由外向内分层排土的排土方式，即逆排工艺。这种排土方法工艺简单，排水费用低，对于稳固排土场坡脚和软岩地基有积极作用。

　　3．3加强排土场空间效应研究

　　可以采用参数反演等方法，来论证力学参数选取和力学模型的合理性；建立符合排土场实际的本构方程，进而研究排土场边坡的空问效应。《GB 51119—2015冶金矿山排土场设计规范》的出台，建立了排土场安全等级和控制标准，同时疏理并优化了稳定性评价方法，是化解评价结论和现状不匹配尴尬的基础，具有实用意义。

　　4展望与前沿

　　在新《安全生产法》、《环境保护法》以及国家“十三五”规划建议出台的背景下，随着冶金矿山露天开采规模的加大，特别是排土场规模和占地范围的扩大，排土场安全及环境要求进一步提高。这就对排土场的排土工艺、安全稳定性论证、灾害防治技术、复垦技术提出了更高要求，以符合国家建设环境友好型企业和绿色矿山的思路。

　　4．1超高台阶排土    

　　超高台阶排土场建设是减少采矿业对土地资源破坏的创新对策，为了确保超高台阶排土场的运营安全，需对其稳定性进行分析。要建设超高台阶段排土场，存在以下技术颈瓶：

　　(1)根据目前的基底承载机理与土场极限堆高计算体系很难建立超高台阶排土场。

　　(2)传统极限平衡分析方法对超高台阶排土场稳定性分析不适应性，因而要借鉴新的分析技术进行超高台阶稳定性验证。

　　(3)排土场泥石流已成为矿山常见灾害之一，要确定建立高台阶排土场，其泥石流控制机制与对策亟待解决。

　　(4)排土场水患频繁，需加强排土场基底泄流、地基处理和疏干排水技术的研究。

　　(5)定量分析超高台阶排土场稳定性与散体粒径分布及其抗剪强度参数之间的关系。

　　4．2排土场与尾矿库混排

　　为了资源与场地高效利用，国内外有关学者在尾矿库与矿山排土结合方面做了一些探索和研究，如利用废弃尾矿库建高阶段排土场，尾矿库上覆排土场、尾矿库坝体下游排土压坡，近年发展起来的将尾矿(或固化尾矿)与废石土以一定方式混合进行排放，如格栅式、废石土筑坝式等。混排不仅节约了资源，还为矿山排土场提出了新的发展模式。

　　4．3排土场重金属污染治理技术

　　据有关统计，我国有大约300万hm2的土地因矿业开发而受到污染，在我国对环境破坏最大的主要是铅锌矿和铜矿。对矿区土壤污染物的类型主要元素为Cu、Pb、Zn、As、Cd，其中以Zn、Pb的污染最为严重。矿区土壤主要污染物种类不同，其存在形式不同，Cu多以有机结合态赋存，Zn主要以残渣态形式存在，而Cd主要以可浆的态存在，由于易产生迁移，所以对周边环境潜在影响较大。多种赋存状态的重金属进而形成更加严重复杂的复合污染。因此，加强重金属生物有效性和排土场中重金属迁移转化的理论研究应该是未来发展的重点。排土场重金属污染治理关键技术包括排土场区域重金属化学形态与生物有效分析、重金属污染程度评价、重金属污染修复与治理技术。

　　4．4智能化监测技术

　　排土场易发生滑坡、泥石流等灾害，是矿山安全生产的重要环节和重要监测对象。目前的GPS远程监测系统监测工程经费巨大以及监测操作难，监测范围具有局限性。应开展与排土密切结合的大范围、动态稳定性监测。综合监测GIS体系即是在此基础上发展起来的。综合监测的思想是通过遥感图像分析的结果与样本化学分析的数据进行关联，建立自主监测的固废堆置场所空间管理模式，分层次监测排土场的环境状况，从宏观监测和微观分析角度构建基于 GIS排土场的综合监测模式。宏观监测通过遥感获得的信息数据库，建立对不同时段排土场的地表结构、植被覆盖、环境变化等状况对比分析。微观监测是根据遥感监测敏感区进行水环境变化、土壤污染、坡面结构等方面的信息分析统计。将宏一微观层面的信息转入综合GIS服务平台，可综合监测排土场稳定性。多层次、宏微观、动态监测、评价和预测排土场稳定状况，为矿山的现代化生产和管理提供新的技术平台。

　　4．5多场耦合作用下排土场稳定性分析技术

　　排土场的沉降、流变、动载特性对排土场安全性影响深远。排土场边坡的沉降现象普遍存在，对排土场的安全影响不容忽视。排土场岩土的性质、地基地形、排土工艺、工程水文条件、气候条件皆对排土场的沉降规律产生影响。震动、水压影响散体强度，易导致坡体沿软弱层滑移。排土场由不同粒径颗粒组成，散体介质具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性，开展排土场流变特性、沉降规律研究，动态载荷等多场耦合作用研究，对分析排土场时效稳定性和动态安全具有重要的理论意义和实际应用价值。

　　5  结 语

　　我国冶金矿山排土场研究经过几十年的研究已经从单一的稳定性分析方法的比较、排土参数优化、滑坡、泥石流灾害防治措施研究，到着眼于矿山可持续发展的系统研究方面。针对我国冶金矿山排土场主要存在的超高台阶排土稳定性、软弱地基排土、稳定性评价结果与实际不符等问题，提出了多台阶排土、采用逆排工艺等解决方法。同时，应加强超高台阶排土、排土场与尾矿混排、重金属污染治理技术，以及智能化监测等方面的应用研究，进而推动我国冶金矿山排土场发展。

　　《金属矿山》2016,9