排土场设计：几何参数、容量与检查

每一吨矿石都伴随着废石：为揭露矿体而剥离的覆盖层，以及随矿石一同采出的无价值岩石。排土场（也称废石场）就是这些物料最终堆置的地方。

设计必须同时满足四点。它要容纳露天采场在整个服务年限内产生的全部废石；要靠近采场出口，因为多出的每一米运距在每一车上都要付费；要坐落在能够承载它、不致滑动也不阻断排水的地基上；最后还要形成可以闭坑和复垦的形态。

外部排土场建在采场境界之外的原地面上。内部排土场回填采场中已采完的部分，可以缩短运距，但只有在该部分采完且其下不再有有价矿体时才可行。

排弃的岩石不会保持图纸上画的角度，而是稳定在自然安息角。干燥、粗粒、棱角状的采场废石通常在 35° 到 40° 之间；在现场测定自己的物料之前，规划中常取 37°。细粒或潮湿的物料坡面更缓。

高度为 h、坡面角为 α 的一个分层，在水平方向占 h / tan α。取 37° 时，10 m 高的分层水平推进 13.3 m。把 n 个分层叠起来，每两层之间留宽度为 b 的平台（马道），则从坡脚到顶部坡顶线的水平距离为 n·h / tan α + (n − 1)·b。总体边坡角 β 由总高度与这段水平距离之比得到：tan β = n·h / (n·h / tan α + (n − 1)·b)。

坡面角由物料决定，所以平台宽度是设计者调整总体边坡角的唯一手段。四个 10 m 分层、坡面角 37°、平台宽 10 m 时，总体边坡角为 25.7°；把平台加宽到 20 m，则降到 19.5°。

这一点在闭坑时很重要。自然安息角的坡面太陡，既留不住表土，也难以复绿；闭坑方案通常要求最终边坡在 1:2（26.6°）到 1:3（18.4°）之间，具体数值由主管部门和闭坑设计确定，而不是由岩石决定。按最终坡度留设平台的分层排土场，只需把每层坡顶推到下一层平台上，基本可以在原占地范围内完成整形。

取平地上 400 m × 300 m 的坡脚范围，四个 10 m 分层，坡面角 37°，平台宽 10 m。上面的计算器打开时就是这组数值。

各边从坡脚到顶部坡顶线的距离都是 83.1 m，因此剩余的顶部平台为 233.8 m × 133.8 m，总体边坡角为 25.7°。排土场可容纳 286 万 m³：最下一层 111 万 m³，其上三层依次为 82 万、57 万和 36 万 m³。仅最下一层就占容量的 39%。

为了得到更缓的最终边坡，把平台加宽到 20 m：同样的范围只能容纳 237 万 m³，减少 17%，顶部平台缩为 173.8 m × 73.8 m。更缓的边坡要么用容量换，要么用占地换，没有第三种办法。

这 286 万 m³ 是空间，不是原岩体积。废石经爆破和装载后会松散，堆到排土场里也不会恢复到自然方体积。若堆置后的物料比原状松散 25%，286 万 m³ 的排土空间只能容纳 229 万 m³ 自然方的废石。松散率取决于您的岩石和堆置方式，应当实测，而不是假定。

在平地上，排土场就是一叠棱台，体积可以用公式直接算出。但没有哪座真实的排土场坐落在平地上。它的容量是两个曲面之间的体积：上面是排土场的设计表面，下面是实测地形。

两者差别很大。同样的范围、同样的顶部标高，在沟谷里比在山脊上能多容纳很多，因为地形在堆体下方是下降的。所以容量要对照 DEM 计算，并逐层给出：标高范围、体积和累计体积组成的表格。把这张表与采剥计划对照，就能直接回答规划问题：按目前已排产的废石量，排土场在哪个标高堆满？什么时候开始不够用？

每往上一层，运距也随之增加。排土场上部的容量每吨成本高于下部，所以累计曲线既是体积曲线，也是成本曲线。

许多排土场失稳始于其下的地基，而不是排弃的岩石本身。关于地基的三件事，应当从第一张草图起就纳入设计。

坡度。堆在陡坡上的堆体容易沿接触面滑动。基底越陡，其上能够安全堆置的高度越低；超过场地自身限值的地面，与其计入容量，不如留在占地范围之外。

物料。表土、有机质层以及软弱或含水的土层构成薄弱的基底。表土无论如何都要在排土前剥离，因为闭坑后的排土场表面正需要这些土。

水。排土场若在没有专门设计的排水盲沟（堆石排水体）或截排水沟的情况下掩埋一条沟谷水流，就会在上游一侧积水，并使自身坡脚饱和。地表水应引导绕过占地范围，排土场顶面也要整坡，使雨水不从坡顶线漫流而下。

已出版的指南把这些因素放在一起考虑。《Guidelines for Mine Waste Dump and Stockpile Design》给出了一套稳定性评级与危险性分级体系，综合权衡地基条件、物料性质、几何形态和堆置方式等因素，并把勘察和分析的深度与所得的危险等级挂钩。在中国，冶金矿山可参见 GB 51119-2015《冶金矿山排土场设计规范》中的排土场等级划分、堆置要素和安全稳定性标准等章节，具体数值以现行规范原文为准。

顶部平台是作业场所。它必须足够宽，让最大的汽车能够调头、倒车，让推土机能够在边缘作业；边坡收拢成一条窄脊的排土场，纸面上的容量是任何汽车都到不了的。

事故多发生在边缘。靠近排土边缘的物料松散，可能承受不住重载汽车。美国法规要求在存在越界或倾翻危险的卸载地点设置挡车堤、挡块、安全钩或类似的阻挡设施（30 CFR 56.9301）。MSHA 的检查手册补充了作业做法：把卸载场地的顶面做成反坡，使汽车倒车卸载时为上坡；边缘出现裂缝、沉陷或坡脚被掏空时，在边缘之后卸载，再把物料推下去；在坡脚装运物料时，封闭通往顶部的通道。

向坡顶线升高的平台还有第二个作用：雨水沿平台向后流到受控的出口，而不是顺坡面流下冲出沟槽。

坡顶线附近的裂缝或沉陷带是警示信号，而不是外观缺陷。把它盖住并不能使它稳定。

当下面这张不长的问题清单每一项后面都有数字时，排土场设计才算可以开工。

总体边坡角是否在为排土场以及闭坑后地貌设定的限值之内？每个平台是否不窄于其上作业设备所需的宽度？顶部平台在最终标高处是否宽到足以让汽车调头？

占地范围内有多少面积位于比基底限值更陡的地面上？这部分面积是否已从容量中扣除？需要剥离多少表土，堆存在哪里？

按实测松散率折算成自然方之后，容量能否留有余量地覆盖采剥计划中的废石量？坡脚与采场坡顶线、矿权（许可）边界、水系和基础设施之间是否留足了规定的距离？

以上都不是稳定性分析。排土场及其地基的安全系数，来自采用场地实际强度参数和水文条件的岩土工程研究。几何检查告诉您的是：即将拿去分析的设计，是不是您本来想画的那个设计。

STREAM 的边坡与平台模块设有排土模式。在实测地形上绘制坡脚范围，选择“向上 + 向内”方向：堆体自现状地面向内升起，面板的选项卡也切换为排土用语，如排土模板、场地、容量和检查。

模板接受分层高度、平台宽度和坡面角，由您选择三者中哪一项由另外两项推导。在“场地”选项卡中设定截平堆体的顶部标高和基底坡度限值：场地中陡于该限值的面积占比会被报告出来，因为堆体无法在那里落稳。

容量对照地形读取：堆体的松方体积、按您输入的压实系数填满它所需的原状挖方、吨位、最高填方、堆体表面积和坡脚周长。分层列表自上而下给出每一层的标高范围、体积和累计体积。

“检查”选项卡对照您的限值标出总体边坡角、窄于最小值的平台、窄到汽车无法调头的顶部平台，以及场地中超出基底坡度限值的面积占比，每一项都附数值和限值；同时报告堆体之下需要剥离的表土量。随后可以把设计写入工作地形，图纸输出为 DXF，工程量表输出为 Excel，报告输出为 PDF。

它检查的是几何，而不是稳定性：不计算安全系数，您输入的限值来自您自己的岩土工程研究。一切都在您自己的计算机上运行，不上传任何测量数据。