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露天矿覆岩管理：
大型石灰石采石场的选择与限制条件
Claudio Oggeria,*, Taddeo Maria Fenoglioa, Alberto Godioa, Raffaele Vinaib
（a环境、土地和基础设施工程系，都灵理工学院，都灵10129，意大利
b工程、数学和物理科学学院，英国埃克塞特大学，埃克塞特EX4 4QF，英国）
摘要：覆岩管理是露天矿开采中的一项重要工作。场地地形、地貌、天然材料和重塑材料的地质和岩土特性是影响处理阶段的最重要因素。为了达到最佳的复垦效果，必须遵循经济和环境要求，同时考虑到场地限制因素，如边坡稳定性、运输和倾倒问题以及与地下水的相互作用。本文对上述问题进行了探讨，并以某大型石灰岩采石场为例说明了一种合理的处理方法，该采石场的覆盖层厚度是与本题相关的，并且其产生的弃土须倾倒在浮坑中。由提出的综合学科研究法选择最适合的挖掘、运输和处理方法。该选择基于详细的实验室和现场特征，由其确定了在大型采石项目预可行性研究期间应考虑的有利和不利因素。
关键词：露天矿；覆盖层；土壤试验；石灰石采石场；渣土；现场测试
引言
表土处理对地表采矿项目有重要影响，必须在同时考虑采矿活动和复垦的情况下仔细规划[1,2]。覆盖层处理活动从采矿项目启动时开始，即从最初的地下开拓或剥离中移除大量材料进行现场准备时开始[3,4]。表土剥离和处理工作通常与采石同时进行。剥离覆盖层的数量及其开挖速度与（1）所需的矿石生产率，（2）矿床的形态和几何结构（图1），（3）现场或场外处理过程的效率有关，原则上，这应该是最具成本效益和技术合理性的方法。
发达国家90%以上的采矿活动采用露天采矿法[5]。在大型露天矿中，矿体通常相对靠近地表（从而确保剥采比对采矿作业是有利可图的）近水平或略微倾斜的矿床中。从山顶开采时，在剥离覆盖层和随后的填充过程中，还遇到了其他具有挑战性的情况。目前，一些国家仍在进行山顶煤剥采，由于环境限制，以及大量的材料被清除和重组，技术问题需要周密的计划和详细的监控。
覆盖层材料可以是土壤、软岩或硬岩。根据地表类型和地理背景，在露天采矿中，多种设备可以用以清除覆盖层。
如果采出的材料不能再加工（无论是出于经济或技术原因），那么覆盖层必须根据总体生产力结合挖掘技术通过一系列系统进行处理。每种方法的效率主要取决于排土距离和场地形态。在平坦和开阔的位置，剥离能使用固定或半移动系统（如斗轮、链斗或拉铲和带式输送机）很方便地进行，这些系统可提供较大的生产力，但灵活性较差。
露天采矿覆盖层剥离和处理方法的选择涉及到岩土、地形和典型场地方面，如表1所示[3,7，8，9，10]。
在剥离阶段，涉及以下方面：
（1）岩土工程特性：材料特性（存在节理/断裂地层、粒度分布、含水量、塑性指数、地面应力和承载力与厂址设施和场地设施兼容的容量）；天然和人工边坡的稳定性（岩石崩塌、滑坡和泥石流）；
（2）环境特征：地下水作用（地下水位变化，含水层枯竭，燃料、油脂、排酸等化学污染）；空气污染（碳氢化合物、一氧化碳、一氧化氮等气体、二氧化硅、石棉和噪音等空气污染物）；地表状况（天气变化，地表径流如洪水、洪涝、侵蚀等，振动、植物和野生动物、景观等）；
（3）逻辑特征：气候条件（大雨/降雪，随季节条件变化的）；场地地形/地貌（坡度、距离和地形）；可达性（主要/次要道路、坡道和铁路）；能源供应（燃料、电力和水的供应）。
在处理阶段，涉及以下方面：
（1）岩土工程特性：材料特性（粒度分布、含水量、天然或非天然压实度、变形性）；地下水作用（孔隙压力、过滤、管道）；沉降（短期和长期）；稳定性（岩石崩塌、滑坡、泥浆流、沉降）；
（2）环境特征：地下水作用（自然排水的变化，如洪涝，化学污染，化学污染如金属，硫酸盐等，增加了浑浊度）；空气污染（气体，如碳氢化合物、一氧化碳、一氧化氮等，空气传播的粉尘，如二氧化硅和石棉，噪音）；地表状况（风化，地表径流如洪水、内涝、侵蚀等，化学污染如固体废弃物掩埋，植物和野生动物，景观等）；
（3）逻辑特征：气候条件（大雨/降雪，可根据季节条件进入）；场地地形/地貌（坡度、距离、地形）；可达性（一级/二级公路、坡道、铁路、场地恢复后再利用）；能源供应（燃料、电力、水的供应）。
从岩土工程的角度看，材料的力学和水力性质是影响地基强度、承载力和稳定性等基本方面的关键因素[11,12]。由于其环境和岩土工程的复杂性，淤泥管理也是其他工程（如隧道）的关键阶段。从经济学的角度来看，开挖材料的再利用与处理也是一个进退两难的困境[13,14]。土壤的含水量和粘性会造成挖掘设备的堵塞，导致影响挖掘设备的效率[15,16]，采矿作业通常会产生含有一定数量粘土组分的废渣，从而影响废渣的固结行为。因此，需要对固结特性进行评估，以了解泥浆池和/或泥浆回填的特性[17]。
无论是在露天堆料还是在坑内处理，覆盖层处理都是采矿业的主要环境问题之一[3,18,19]。
从地下水位变化和渗滤液和重金属污染的角度来看，控制处理后的材料与水的相互作用，可能会对地表水和地下水造成影响，这一点至关重要[5,19,20]。
工厂设施和所用设备的选择受当地限制因素的影响，如气候条件、现场地形或地貌、能源的可达性和可用性[3]。
在大型矿山工程的初步设计阶段，需要认真考虑上述各方面的问题。过程的优化来自于对技术、经济和环境相关因素的评估。尽管每个案例都有自身特定需求和问题，但是可以（而且必须）导出一般方法。概念性和合理性的方法需要现场和实验室测试，以及由多学科团队（采矿工程师、环境工程师、地球物理学家和材料工程师）进行的辅助监测、数值模拟和反分析。
本文描述了在一个相关的案例中采用这种方法，展示了多学科的贡献如何依靠一种基于科学合理结果的已证明的解决方案的方法。
2.研究方法
2.1场地描述
分析的具体案例是比利时西北部瓦隆地区拉美克罗伊区的一个大型石灰石采石场，该采石场被选为解决综合方法在覆盖层管理中重要性的相关实例。在研究区域，石灰石层被几米厚的粘土和沙子覆盖。如地质剖面图（图3）所示，石灰石层由10-20 m厚的近水平或微倾斜层组成。
根据勘探钻探的结果，最优岩石成分（由采石者确定为45%含量的CaO）可在靠近地表的最初几米处找到，深度约为90米。露天开采遵循地质层方位而设计，从地表（60 m ASL）开始，直到250 m BSL处最深的生石灰低含量层。开采需要在采石场20年的使用期内剥离和处理约5000万立方米（Mm3）的覆盖材料。石灰岩矿床被一层50-70 m厚的土壤（粘质砂和粘土）覆盖，必须通过挖掘机/铲和链斗挖掘机进行清除。
然后，必须将材料放置在附近一个部分被淹没的废弃多台阶露天矿中，预计未来几年地下水位将升高（见图.4）。采石场业主已将设计生产率定为1000吨/小时。以下方案已被视为处理方法：（a）表面装卸技术；（b）通过传送带系统从位于顶部台阶上的固定排放点倾倒；（c）用浮式皮带运输机浮筒在水坑淹没区倾倒；（d）用输送带系统倾倒在采石坑岸边，然后用吸泥机以泥浆的形式分散物料。提出了以下主要问题：（1）为了评估有效的处理状态，需要对覆盖层材料进行地质初步调查和地质力学特征描述；（2）开挖覆盖层材料的稠度会导致较大的粘结块，影响选择正确的运输方式的倾倒法；（3）处理开挖料的矿坑部分被地下水淹没，水位将逐年升高，因此需要评估细颗粒在水中的固体浓度以及金属和硫酸盐长期释放方面的行为。
本文讨论了与第（1）点有关的研究活动的成果，而关于第（2）点和第（3）点的成果和讨论将在另外两篇专门论文中详细介绍。
2.2地质力学试验
为了评估覆盖层材料的地质力学性质，在都灵理工大学的土力学实验室和现场进行了几项试验，见表2。
因为这些试验可以模拟在增加垂直荷载阶数下材料的侧向固结变化，从而进行了固结仪试验。这种应力配置可视为类似于运输和倾倒作业期间回填材料的模拟。因此，由于边界坑岩壁施加的侧向约束作用，材料将预先在垂直方向上沉降多年，固结荷载步骤即代表了向采石场倾倒材料的附加层的作用。
得到了各加载步骤和导水率的固结模量，计算公式如下：
(1)
(2)
其中是有效垂直应力；是轴向应变，是固结系数；是水的单位重量。
为了评价土的摩擦角和粘聚力等力学参数，进行了直剪试验，这些参数以及压实度和稠度是确定覆盖层稳定性所必需的。试验结果的原理基于莫尔-库仑失效准则：
(3)
式中，为抗剪强度；为垂直（围）应力；以及内摩擦角和破坏包络线或粘聚力的截距。对于砂土，由于低围压垂直应力的拉伸效应，应采用双线性破坏包络线来强调较高的摩擦角
岩土材料的稠度通过塌陷试验进行测量的，尽管塌陷试验并不是土壤应用的标准化试验，但它被有效地用于研究细粒土的塑性和矿山尾砂密实度[9,22]。试验的演绎是基于测量不同含水量下覆盖层材料（砂、粘土和混合材料）的圆锥落差和静止角。塌陷试验能反映土壤的稠度、材料的自承能力、土壤的塑性和粘性，有助于对可能的处理方法进行技术评价。
2.3沉降试验
由于水泥生产厂目前正在使用被淹没的料坑里的水进行日常生产，因此本研究从浊度和沉降率两个方面调查了倾倒材料对排料场的水的影响。研究不同土壤类型的沉降主要有两个目的：（a）评估表土倾倒到采石场湖中的沉积过程，评估地表附近逐渐澄清的水的固体颗粒浓度，（b）提供从采石场湖到工厂的工业用水再循环数据。当考虑采用反疏浚系统（以泥浆形式处理材料）进行覆盖层管理时，水/固体相互作用尤其重要。反疏浚系统通过将土壤从倾倒材料的水下堆料中破碎和重塑来改变土壤的稠度，然后将泥浆沿着管道在表面水平泵送，并在水下释放（图5）。
虽然泵送阶段需要土壤颗粒高度分散，但这会对沉积阶段产生负面影响，因为颗粒越细，沉积时间越长。管道沿线的泥浆循环需要其他参数的控制，特别是为了避免粘性行为或系统堵塞。在许多研究和科学文献中，都讨论过粒子的沉降问题。最近提出了一种新的基于已知理论定律并利用大量实验数据拟合的球形颗粒阻力系数测定方法[23]。在本研究中，在两个称为“小”（直径15cm，高度50cm）和“大”（直径20cm，高度100cm）的垂直圆柱体中，通过机械搅拌获得1:3的土壤/水的样本后，进行沉降试验，并测量一段时间内的净水高度（图6）。
2.4现场试验
在规划排土场旁的研究区域，以模拟开挖后废土的实际规模条件对未压实的表土材料进行了现场试验。研究区域分为三个子区域，每个区域使用一种覆盖层材料（砂、砂和粘土混合物、粘土）。在每个区域进行现场试验，获得每种材料的一组参数。
圆锥贯入试验（CPT）是使用静态笔式电流计（荷兰锥）进行的，通常用于软土。以2cm/s的穿透速率推动圆锥（60°角，横截面积为10cm2），每20cm深度测量一次穿透阻力qc。
加州承载比指数通过与标准颗粒土（分选良好的碎石）的比较来评估天然地基的承载力。根据细粒土文献[24，25，26]中提出的关系，通过动态圆锥贯入仪试验（DCPT）间接获得CBR指数。DCP试验是从575 mm的高度测量8kg质量锤每一次下落后锥尖（60°锥角，20 mm直径）的穿透深度。渗透指数（PI）按深度与击数之比计算，并与CBR相关，测井曲线方程一般形式如下：
(4)
其中，A,B,C为回归常数。
平板荷载试验（PLT）用于确定土壤的极限承载力，包括测量在几个垂直荷载步骤下放置在地面上的钢板的沉降。变形模量M是根据荷载-沉降关系的斜率测量的，计算如下：
(5)
式中，是在规定载荷步距下平板的压力；是平板沉降值（3次百分表读数的平均值）；D是平板直径。用于试验的平板表面积为750平方厘米，同时，垂直荷载通过液压千斤顶施加，使用自卸车作为反作用框架。试验只在沙地上成功完成。
用砂锥密度仪获得了原位密度。对于每个土壤样本，原位湿密度（rho;w）和干密度（rho;d）计算如下：
(6)
(7)
其中和分别是试验孔中材料的湿质量和干质量；V是试验孔的体积。
对调查土壤的现场试验结果汇总在表3a和表b中。
设计了一个自卸汽车对比试验来研究实际规模中覆盖层材料在运行条件下的力学特性，并估计与可用倾倒设备生产率有关的物流问题。使用天然含水的覆盖层材料、交变砂、粘土和混合材料修建了一条50m长的路堤。一辆总重量为53吨的三轴铰接式自卸车在纵向截面上来回行驶（图7）。将观察到的自卸汽车与路堤之间的相互作用当作指示器，来衡量通过地面运输和自卸技术剥离预计覆盖层的实际大小。
如图7所示，路堤上部做纵断面和自卸汽车穿越试验；下部，根据土层的压实度和含水量，重复车辆通过，在新的路堤左侧、
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