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排土场位移监控系统在安全生产中的应用
2013-09-05
排土场位移监控系统在安全生产中的应用。
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    2008年8月1日,山西省太原市娄烦县尖山铁矿排土场发生特别重大跨塌事件,造成45人遇难。十几年前,梅州市某矿山废石场也发生过滑坡事件,造成一定的人员伤亡和财产损失。如何防范矿山排土场的跨塌、滑坡灾害,保障人民生命财产安全,已经成为非煤矿山企业经营者的一个十分严峻的重大课题。

    由于开采初期历史的原因,梅州市某矿山废石场地段长达近1000米,由于废石场的高位势能得不到释放,加之特殊的地质条件,因而埋下了滑坡隐患,成为矿山的一个重大危险源,存在着随时可能发生跨塌、滑坡的安全生产事故。而且排土场各地段发生跨塌、滑坡的风险概率具有随机不确定的特征。

    为了使制定排除重大安全隐患应急预案有科学依据,防患于未然,有效地控制排土场避免发生跨塌、滑坡灾害。2005年,矿山建立了一套矿山排土场位移监控系统。该系统投入运行以来,我们掌握了矿山排土场各地段动态位移的准确信息,使重大安全隐患优先治理的事故处理原则有了科学的决策依据,并曾经成功地预报并防范了一次排土场潜在的滑坡危机,收到了良好的效果。

                           二、排土场位移监控理论机理简介

    排土场发生位移是因为排土场内的固体排弃物受外界因素的诱发而获得的了产生位移的动能。根据能量平衡定律。滑体得到的动能等于滑体损失的位能与克服滑体移动摩擦阻力所作的功之差。

    摩擦系数f值决定了排土场滑体的抗下滑力。足够大的摩擦系数是保障排土场隐定的前提条件。

    摩擦系数f值是个变量。由于大气降水下渗,加之地下水的作用,在排土场内部形成渗水流,增加了排土场土岩中的静水压力和动水压力,从而使排放的固体排弃物与土岩接触面的f值逐渐减少,降低了土岩的抗剪强度;另外,有的排土场原始山坡植被发育,残积土层厚,在排放过程中又不注意土、石分弃,因而增强了排弃物亲水性,在渗流水的作用下很容易软化,而形成滑体的软弱层。从而进一步加剧了f值的下降速度。当摩擦系数f值下降到其临界点(即f=tgα)时,将产生滑体整体突发性跨塌并形成“雪崩式”的连锁反应,即泥石流跨塌灾害。

   f值的变化不是瞬间完成的,它的变化有一个过渡过程,由此而引发的滑体位移亦有一个从“渐变”到“突发”的过程。在这个过渡过程中,人们完全可以通过对排土场动态位移的准确监控达到对排土场跨塌、滑坡风险预报的目的,从而进行科学的风险评价,从不确定的风险场中确定出高风险段,在其滑坡“渐变”的过渡过程中争取足够的时间进行应急处置,及时有效地防范和控制排土场出现的险情,将跨塌、滑坡灾害消灭在事故萌芽状态。

                           三、监控系统在安全生产中的应用

     根据排土场滑坡产生机理,2005年,我们在矿山建立了一套排土场动态位移监控系统,在矿山1#、2#、3#三个原历史遗留下来的顺坡排弃的废石场敏感部位建立控制点,引进日本进口的电子全站仪,分别以三个固定点三维坐标为测量基点,测量控制点的三维坐标。专人操作,周期测量(每十日一次,暴雨后加密测量),通过测量掌握其动态位移,成功地预报并防范了一次排土场潜在的滑坡危险,收到了良好的效果。

     2005年12月至2001年2月间,检测数据表明1#原废石场位移较为明显。该废石场高程在+285m至+163m之间,其前后缘相对高差122m,轴向长约220m,横向宽约120m。人工堆积的废石分布于原始坡度比较陡峭的山坡上,矿山开采早期废石任意排放,顺坡堆积,形成了人工石锥群约20万立方米,其巨大的荷重对山坡前缘及下部残积土产生巨大的水平及垂直推力,致使近20万m。滑体产生位移变形。监测数据如下表所示(其中N,点处于前缘位置,N4、N5点处于后缘位置)。

     准确的监测数据表明滑体目前正处于一种平衡与不平衡的极限状态中。从监控数据表可以看出,从1月23日至2月4日不足半个月的时间段内,滑体前缘向正北方向移动了0.4米,而滑体后缘向正北方向移动了1.2米。前后缘均有移动说明了位移不是局部的崩塌,而是滑体在整体下滑。而且如此大范围的位移说明了滑体正承受着巨大的水平推力,滑体有可能处于全面跨塌的“临界”状态。如果不及时启动排除重大事故隐患应急措施,滑体的“渐变”过程将有可能在强降雨或持续降雨的作用下产生突发性下滑。科学的风险评价机制的建立给我们赢得了处置重大安全隐患的宝贵时间,同时也给我们提供了制定排除这种重大安全隐患的方案的科学决策依据。在启动处理应急预案的过程中,一方面我们采取了及时汇报、公布险情、封锁道路、严密观测的应急措施。同时寻求技术支持,委托富有地灾处理经验的地质工程勘察院进行以下勘察分析:(1)因时间紧迫,在不采用物探手段的条件下根据目前场地情况最大限度地查明废石场的地质条件。(2)综合分析近段时间位移监控数据,对废石场进行稳定性分析及推力计算。(3)对卸荷减载可行性具体方案提出具体的可操作的咨询意见。在地勘院有关专家的指导下,对废石场滑坡特征进行分析,进而对位移变形的成因进行探讨,最后形成了如下结论:(1)滑体由矿碴和残坡积土组成,滑坡面位于残坡积土中;(2)滑坡面积约3 7万m2,涉及方量约37万m3,属推移式大型滑坡;(3)滑体目前正处于平衡与不平衡的极限状态中,在诱发因素的作用下,将可能产生整体下滑并形成泥石流。根据对险情分析的结果,立即采取卸荷减载压脚的紧急治理措施,用数月时间彻底排除了滑坡隐患。

                                   四、结束语

    排土场是露天开采矿山的重大危险源之一。在矿山建立起排土场动态位移监控系统,利用观测得到的排土场碴、土的位移量和位移速率,并进行推力计算和稳定性分析,根据分析的结果可以判定排土场的碴、土是否存在跨塌、滑坡的危险,制定采取相应的技术措施,是有效防范排土场发生跨塌、滑坡事故的方法手段之一。

    露天矿内排土场是排弃露天采场内剥离物的场地。包括排弃物本身及其基底两部分。排|考试|大|弃物分为土、岩石或土和岩石的混合物料,基底可为土层或岩层。
    内排土方案及排土参数的选择、合理排土工艺的确定等均影响排土场的稳定性与排土场占地的大小。排土场的失稳可影响到露天采场和排土场的正常生产及人员、设备的安全。
    排土场稳定性的研究内容主要包括分析影响排土场稳定性的各种因素,确定排土场的合理边坡角与高度,排土场的变形机理与防治等。
    
1 内排土场的变形破坏类型
    内排土场的变形破坏类型按其发生的形态可分为以下几种。
    (1)滑动、即滑坡,是指有明显滑动面的排土场边坡变形破坏。按滑动面位置,排土场滑坡又可分为:①排弃物内部滑动,即滑动面全部产生在排弃物中的滑动;②排弃物沿基底面滑动,即滑动面通过排弃物和基底二者接触面的滑动;③排土场基底滑动,即滑动面通过基底内岩层中的软弱夹层滑动。
    (2)流动,即泥石流,是指排弃物经暴雨冲刷浸透,混合成粘稠流体,迅速沿坡面向下的移动。
    (3)沉降,是指新堆筑的松散排弃物在自重作用下压密下沉,这种变形没有明显的滑动,变形速度初期较大,以后逐渐减小。 
    
2 影响内排土场稳定性的因素
     (1)自然地理、基底岩层埋藏特征。自然地理因素包括排土场基底地形、地表水流特征、大气降水强度、边坡冻结和融化等因素。基底岩层埋藏特征主要指层状基底内的层面、软弱夹层等大型结构面的产状及它们离基底面的远近等。
    (2)水文地质因素。考虑排土场的含水情况时,不但要考虑原剥离土岩的含水情况、内排土场地形、大气降水情况,而且要考虑内排土场基底含水条件。
    (3)开采工艺因素。影响内排土场稳定性的开采工艺因素有多种,主要有不同岩种剥离台阶的开采程序与排土程序,排弃岩石的块度,排土方法,排土带宽度与排土工作线的推进强度,排土台阶与排土场的高度等。
    (4)排弃物及基底的物理力学性质。采场内岩体的种类不同,又因开采程序、爆破、采掘、运输方法、排土程序、排土方法、排土段高、水的|考试|大|作用等不同,因而排弃物的混合成份、粒度组成、结构、含水等也不同,其物理力学性质比较复杂,主要包括排弃物容重、排弃物的抗剪强度指标。
    排土场基底的物理力学性质,应结合内排土场的特点,通过一定的工作之后来确定。 
    
3 内排土场的稳定性分析
    根据目前掌握的资料来看,排土台阶坡面角一般都是自然形成的,基本上为35°,排土台阶段高、多台阶排土场稳定系数和边坡角大都由经验确定的,有些排土场的高度和边坡角则是由排土工艺条件确定的。
    根据上述分析,内排土场的稳定分析的工作重点,应放在对滑动变形的研究上,并结合内排土场的具体特点给出排土台阶或排土场的稳定性的定量概念,即稳定系数,以便确定排土台阶或排土场的稳定段高和边坡角。
    (1)稳定基底排土场。指基底的岩层相对排弃物来说比较坚硬,因而滑动面全部发生在排弃物内,或部分在排弃物内,部分沿基底面,在排弃物内的滑动面通常为圆弧形。
    (2)软弱基底排土场。如果基底的土岩强度较低且较厚,则基底中可产生完整的圆弧形滑动面;如果基底中软弱层较薄,则滑动面的底部可能沿坚硬层表面;如果坚硬基底中有软弱夹层,则滑动面可能沿此面。
    (3)倾斜基底排土场。若排弃物的基底是倾斜的,排弃物可能沿基底面滑动,可按滑动面的倾角将滑落体分条块进行稳定分析。 
    
4 内排土场变形破坏的防治
     (1)土岩按性质要求安排剥离工程计划,实现不同土岩的合理运输及排弃程序。靠近基底,应排弃渗透性好的岩石,如大块、大颗粒砂质土岩,其上排弃细粒和粘土质土岩,这样不仅能增加排土场的透水性,而且也能提高排弃物下部的抗剪能力。
    (2)疏干排水。排土场防止地面水的措施大致有:在排土场上部修建水沟,拦截流向排土场的大气降水和地表水;用推土机整平排土场表面,防止雨水积聚和渗入;内排前在基底修建横向排水沟或建永久性暗渠。
    (3)基底工程处理。内排前将表面的松软岩石、岩土用推土机清理后再内排,以提高排弃物基底的抗剪能力,或者在局部地段先打钢轨抗滑桩加固基底,然后再进行内排。
    (4)排土工艺。应采用自下而上的逆序排土,待下部排土留出足够宽的平盘后,再由|考试|大|上一个排土台阶进行内排。以保证人员、设备等的安全和排土工作的顺利进行。
    (5)根据实际情况,适当调整排土高度与边坡角,用减缓排土场总边坡角的方法来增加每个排土台阶的平盘宽度。
    (6)在内排土场初具规模之后,就应加强内排土场的地面和地下变形的观测,研究掌握排土场所变形的规律。例如:新排弃物的排土台阶一般都有压实沉降,但有其规律性,即初期沉降幅度大,后期沉降幅度小。若发现有加速沉降,台阶上出现走向裂缝,则可能是滑坡的先兆。因而研究内排土场的变形规律,加强观测、监控,有利于防止事故发生。
    (7)支挡工程。内排土场形成后,若发现有局部滑坡的可能,可采用抗滑桩、抗滑挡坝、挡墙等工程措施,来保证排土场的稳定。
    抚顺西露天矿西区西端的内排,是我矿执行“分区开采,联合运输,内部排土”方案的最后一个环节,标志着我矿已进入一个新的时期,西区的内排开始,将为我矿的内部排土拉开序幕,对我矿今后的生产具有重要意义。内排土场能否保证稳定,将直接影响到露天采场和内排土场的正常生产及人员、设备的安全。随着|考试|大|内排土场的逐步形成,应对内排土场的变形类型、影响内排土场稳定的因素、内排土场的稳定性研究以及内排土场的变形破坏和整治工程措施进行深入细致的研究,提出符合实际的对策和措施。  
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