CN102799744B - 一种露天开采矿山冰碛土的排土方法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Abstract
本发明公开了一种露天开采矿山冰碛土的排土方法，通过对冰碛土进行元胞自动机模拟，获得冰碛土结构特性和力学性能参数，结合排土场地自然地理状况、水文地质条件、矿山开采工艺特点以及排土场的地基承载能力等，初步选定排土工艺参数，然后对冰碛土排土场进行弹塑性分析和渗流场分析，在此基础上进行冰碛土排土场的稳定性及可靠性分析，根据计算结果对排土工艺进行优化，得到最优的排土工艺参数，做到综合效益最大化。本发明解决了冰碛土排土的安全问题，并节约了排土场基建费用，综合效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种排土场的堆排工艺，尤其是涉及露天矿山排土场的土料以冰碛土为主要成分的冰碛土排土工艺，利用所述工艺技术可以更小代价解决冰碛土排土场的安全问题。适用于各类剥离料以冰碛土为主的露天开采矿山。
背景技术
排土场是指露天矿山废石等弃料堆场，也称废石场，是维持露天矿山正常生产的必要设施。我国现有一定规模的排土场2000座以上，每年剥离排放岩土量超过10亿吨，占地超过2000公顷，为名副其实的废石排放第一大国。
排土场的稳定性与土料性质、土料堆置状态、排土工艺、排土速度、场地基础、降雨、地震等因素密切相关，采用排土工艺可以在一定程度上抵消自然条件的不利因素，可以减少地基处理、排水排渗设施的工程量，达到节约成本的目的。
结构不均匀性是冰碛土的显著特性，强度参数和变形特性的确定，一直困扰着岩土工程界，因为通过现有方法都很难制备代表性试样和取得可靠的试验结果,这主要是由冰碛土自身组成和结构特点所决定的：（1）冰碛土固相可简单地看作由“二元材料”组成，即软弱的粘质土和坚硬的砾石，粘质土为基质，砾石为填充物，而砾石级配极为宽阔，粒径从2cm到约3.5 m不等；（2）不同粒径的砾石，无分选地随机地分布在粘土基质中，砾石分布具有强烈的不均匀性和随机性。在沉积过程中，由于环境的制约，在局部，砾石含量可能相对集中，呈“聚团”状产出，或者粘质土相对集中，形成粘质土夹砾的透镜体，疑视成层，显示出“聚团”状产出、组成多变的特性；（3）砾石与粘质土间的胶结程度决定于含水量和所处部位，而且胶结紧密强度一般较弱，特别是裸露在坡面的冰碛土，由于暴雨冲刷、日久风化作用和爆破振动影响，多己失去粘结能力，在很多台阶边坡地段砾石分散地滚落在平台上，造成平台破坏损失。
本发明综合考虑排土场地形条件、地质构造、地层岩性、降水量、地表水、地下水特征以及土料性质等因素确定排土工艺的具体参数。其中：对排土场基底承载力采用模糊-随机法确定，对冰碛土的特性强度和变形特性可以结合原位试验和室内试验的资料采用元胞自动机模型，和尾砂混排形成的排土场边坡采用有限元渗流场分析、稳定性和可靠性分析，同时运用数值模拟的方法验算各种排土工艺和排土场参数条件下的排土场稳定性，以确定合理的排土工艺和排土场参数。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中的不足并结合冰碛土的特性，而提供一种安全、经济的露天开采矿山冰碛土的排土方法，既确保安全又节省费用。
为实现本发明的上述目的，本发明一种露天开采矿山冰碛土的排土方法通过以下技术方案来实现：
（1）对冰碛土进行元胞自动机模拟：利用元胞自动机原理抽象出冰碛土沉积现象的基本动力学过程，为研究冰碛土体排土工艺研究提供初始参数；
（2）三轴数值模拟试验：在元胞自动机生成的反映冰碛土体天然组成和结构特性的大型“试体”上，考虑其中土和砾石两种不同材料对强度指标的贡献进行三轴数值模拟试验；
（3）结合排土场地自然地理状况、水文地质条件、矿山开采工艺特点以及排土场的地基承载能力等，初步选定排土场边坡角度、台阶高度。
（4）堆土前在排土场基底挖纵横沟，排土后形成盲沟；
（5）由于冰碛土中的砾石粒径较大且较“圆滑”，汽车卸料时砾石滚动距离较远而被自动分选出来，采用前进式排土，可在排土场内部形成排水通道，近边坡处采用倒退式排土，在外部坡脚处形成砾石保护层；
（6）对冰碛土排土场进行弹塑性有限元分析：分析采用工具是适用于岩土工程的Flac3D软件，对排土场进行位移及应力分析；
（7）地下水渗流场分析：建立排土场三维渗流场模型，得到排
土场的渗流场分布，所用的渗流计算软件是岩土工程专用的FLOW-3D渗流分析软件。
（8）冰碛土排土场的稳定性及可靠性分析：根据冰碛土排土场的岩土结构特征，采用极限平衡法进行稳定性分析，并用蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法进行可靠性分析；
（9）排土工艺及排土参数优化：通过上述（6）、（7）、（8）步骤的计算分析，不断进行排土工艺参数调整和复核分析，得到最优的排土工艺参数，做到综合效益最大化。
上述弹塑性有限元分析是对混排排土场建立三维有限元模型，利用弹塑性理论分析其在各种工况下的应力状态、变形特征及其变化规律。
上述极限平衡法是排土场边坡稳定性分析的基本手段之一，极限平衡分析的方法很多，有瑞典法、简化Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern法、Sarma法和余推力法等。这些方法因滑坡形式不同以及采用的假设条件不同而又有所差异，但他们的基础均为极限平衡原理。
上述蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法是一种依据统计抽样理论，利用电子计算机研究随机变量的数值计算方法，是可靠度计算相对精确的方法。
本发明一种露天开采矿山冰碛土的排土方法通过以上技术方案具有以下积极效果：
（1）解决了冰碛土排土场安全排土，并较好地解决了排土场运行过程的安全，提高了冰碛土排土场的本质安全程度；
（2）简化整个排土工艺过程，节约排土场直接安全设施的工程量，经济效益较为显著；
（3）专门针对冰碛土的排土工艺，对结构特性类似的废石土的排土也可以起借鉴作用。
附图说明
图1 为采用本发明排土工艺堆排的单个台阶排土场的纵向投影图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图对本发明一种露天开采矿山冰碛土的排土方法作进一步详细描述。
图1所示的为采用本发明排土方法堆排的单个台阶排土场的纵向投影图。附图标记为：
1－排土场边坡；2－排土场基底；3－砾石保护层；4－纵横沟。
由图1看出：本发明一种露天开采矿山冰碛土的排土方法通过对排土场所在地区地质特性和排土场基底2岩层的地层特征、水文地质条件、矿山开采工艺、冰碛土结构和力学特性物及排土场基底2的物理力学性质等进行调查，分析验算排土场相关参数；初设排土工艺和排土参数，分别进行排土场边坡1弹塑性有限元分析和渗流分析，采用在排土场外部坡脚处设置砾石保护层3措施提高边坡稳定性，在排土场基底2设置纵横沟4的排渗措施；冰碛土排土场稳定性和可靠度复核；冰碛土排土场设计与施工。
冰碛土排土场的设计与施工可以分为三个阶段：
第一阶段：前期勘察试验阶段：全面地对排土场场地自然地理和基底岩层的埋藏特征、水文地质条件、开采工艺、以及基底的物理力学性质等进行勘察及试验，对冰碛土采用取样和元胞自动机模拟分析结构特性和力学性能，对初选的排土参数进行分析验算。
第二阶段在排土场基底承载力满足的基础上，对排土场边坡进行弹塑性有限元分析和三维渗流场分析，确定最优的排土工艺和排土参数。对最终排土工艺进行稳定性校核和可靠度分析；完善监测与安全检查方式、内容及制度的建立；应急预案的制定。
第三阶段进行排土场的设计与施工。
Claims (1)
1. 一种露天开采矿山冰碛土的排土方法，其特征在于通过以下技术方案来实现：
1）对冰碛土进行元胞自动机模拟：利用元胞自动机原理抽象出冰碛土沉积现象的基本动力学过程，为研究冰碛土体排土工艺研究提供初始参数；
2）三轴数值模拟试验：在元胞自动机生成的反映冰碛土体天然组成和结构特性的大型“试体”上，考虑其中土和砾石两种不同材料对强度指标的贡献进行三轴数值模拟试验；
3）结合排土场地自然地理状况、水文地质条件、矿山开采工艺特点以及排土场的地基承载能力，初步选定排土场边坡（1）角度、台阶高度；
4）堆土前在排土场基底（2）挖纵横沟（4），排土后形成盲沟；
5）汽车卸料，砾石被自动分选；采用前进式排土，在排土场内部形成排水通道；近边坡处采用倒退式排土，在外部坡脚处形成砾石保护层（3）；
6）对冰碛土排土场进行弹塑性有限元分析：分析采用工具是适用于岩土工程的Flac3D软件，对排土场进行位移及应力分析；
7）地下水渗流场分析：建立排土场三维渗流场模型，得到排
土场的渗流场分布，所用的渗流计算软件是岩土工程专用的FLOW-3D渗流分析软件；
8）冰碛土排土场的稳定性及可靠性分析：根据冰碛土排土场的岩土结构特征，采用简化Bishop法进行稳定性分析，并用蒙特卡罗（Monte-carlo）模拟法进行可靠性分析；
9）排土工艺及排土参数优化：通过上述6）、7）、8）步骤的计算分析，不断进行排土工艺参数调整和复核分析，得到最优的排土工艺参数，做到综合效益最大化。
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