东山铁矿露天采场改建尾矿库边坡稳定性研究_徐嘉辰.pdf

Series No. 481 July2016 金属矿山 METAL MINE 总 第481 期 2016年第 7 期 收稿日期2016- 05- 08 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51539006 。 作者简介徐嘉辰 1989 ， 男， 硕士研究生。 东山铁矿露天采场改建尾矿库边坡稳定性研究 徐嘉辰 1， 2， 3 寿震宇 1， 2， 3 曾霄祥 1， 2， 3 曹其光 1， 2， 3 刘涛 1， 2， 3 1． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山 243000;2． 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000;3． 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司， 安徽 马鞍山 243000 摘要以东山铁矿露天采场地质环境治理为背景， 针对该采坑现状边坡及改造成尾矿库后终期边坡稳定性问 题， 通过矿山现状实测地形图及现场实地踏勘选取典型边坡剖面， 利用 Geo － studio 软件中的 SLOPE/W 模块， 对露天 采场的边坡稳定性进行分析。通过数值模拟分析， 得出所选典型剖面的边坡最危险滑裂面的位置以及在各种工况条 件下的边坡安全系数， 通过对比采用各种极限平衡分析方法所得的结果， 东山露天采场边坡的最小安全系数为 1． 201， 满足相关规范要求。研究结果表明 在拟定工况条件下采坑边坡大部分边坡剖面处于稳定状态， 个别部位处于基 本稳定状态， 即总体安全稳定性有保障， 但局部部位存在小规模崩塌、 落石的可能性。总体而言， 该露天采坑在改建成 为尾矿库的过程中边坡安全性是有保障的。 关键词露天采场尾矿库边坡稳定性分析Geo － studio 中图分类号TD854文献标志码A文章编号1001- 1250 2016 - 07- 175- 04 Study on the Slope Stability of the Tailing Pond Built at Open- pit Stope in Dongshan Iron Mine Xu Jiachen1， 2， 3Shou Zhenyu1， 2， 3Zeng Xiaoxiang1， 2， 3Cao Qiguang1， 2， 3Liu Tao1， 2， 3 1． Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co． ， Ltd． ， Maanshan 243000， China; 2． State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China; 3． Huawei National Engineering Research Center Co． ， Ltd． of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources， Maanshan 243000， China AbstractWith the geological environment management in Dongshan Open Pit as the background， and in view of the slope stability problems at the present open pit and the tailings pond that are changed from the pit， the measured topographic maps of the mine status and the field reconnaissance were adopted to select a typical slope section． Geo- studio software slope / W module were adopted to analyze the slope stability of the opencast stope． Through the numerical simulation analysis， the most dangerous sliding surface position of the selected typical section and the slope safety factor under various working conditions are obtained． Comparing with the results from the limit equilibrium analysis， the minimum safety factor of slope in Dongshan open pit is 1．201， which meets the specification． The research results indicated that most of slope sections are in stable state under a certain working condition． Some parts are basically in stable． That is， the slopes of the tailing pond are overall in security but the collapse and rock- fall possibly exist in some small parts． In general， the slope security can be guaranteed during the process of the tailing pond changed from open pit． KeywordsOpen pit， Tailings pond， Slope stability analysis， Geo- studio 目前， 我国约有 113 000 多座矿山， 其中约有 40的非煤矿山露天采场边坡存在着不同的稳定性 问题， 而边坡滑坡也是露天矿山最主要的地质灾害问 题之一 ［1- 2 ］。因此， 露天采场的边坡稳定性问题是关 系到整个矿山能否正常运转以及生产能否安全进行 的关键性问题。 与此同时， 我国每年产出尾矿 10 亿 t 以上， 不可 避免地需要占用大量的土地资源建设尾矿库进行尾 矿堆存。矿山废弃露天采场存在较高的生态敏感性， 具有滑坡、 水土流失、 崩塌等地质灾害隐患， 且对矿山 周边区域生态环境有一定影响。因此， 将矿山废弃露 天采坑改建成尾矿库成为废弃土地资源再利用的一 种新思路， 不仅可消除露天采坑安全隐患， 加速露天 采场的填埋， 更可将矿山治理与土地开发相结合， 实 现盘活土地， 为企业创造经济效益， 一举两得。因此， 该方法已被越来越多的矿山企业考虑使用。 571 ChaoXing 无论是露天采场本身， 还是露天采坑改建成的尾 矿库， 都涉及到一个重要课题， 即边坡的稳定性问题。 废弃露天采坑改建尾矿库过程中， 随着尾矿的排入， 采坑内水位逐渐升高， 导致采场边坡内的地下水水位 也同步抬升， 使得边坡岩土体的力学强度降低， 进而 影响到采场边坡的稳定性， 导致边坡的失稳。一般来 说， 对远离坑内工业设施及坑外重要设施的小规模局 部滑坡或崩塌是允许的， 不会对排洪设施造成威肋， 但大规模的滑坡、 崩塌对尾矿库的冲击， 引起坑内的 涌浪等危害会造成相关设施的损失， 形成一定程度的 安全隐患 ［3- 4 ］。因此， 本项目选择典型剖面根据不同 水位工况， 对露天采坑改建尾矿库工程进行边坡稳定 性研究， 掌握不同部位、 不同状态的采场边坡稳定， 确 保露天采场改建尾矿库过程中边坡安全性。 1工程概况 东山铁矿为马钢集团矿业有限公司下辖的一座 老矿山， 于 1954 年 9 月 1 日建矿， 由南山矿负责东山 采场的日常生产管理。在采坑安全影响范围内， 北侧 分布有矿石转运场、 南山矿自用铁路线， 东侧分布有 坳里村和 018 县道， 南侧分布有石马村和村村通道 路， 西侧分布有南山矿业公司东山采场车间、 石马村 和南山矿凹山尾矿库道路， 具体位置见图 1 所示。 图 1采坑卫星地图 Fig． 1Open pit satellite map 该矿山开采方式为露天开采， 面积为 0． 364 km2， 开采标高为 47 ～ － 107 m。终了边坡最大高差 约为 154 m， 属于高陡边坡。根据矿区的 “十一五” 规 划， 考虑到企业可持续发展的需要， 经过统筹优化， 合 理利用采坑空间资源， 提出了利用采坑回填矿山固体 废渣， 开展地质环境恢复治理工作。根据相关工程设 计 ［5 ］， 回填至采坑与四周原始地面标高基本一致即 结束， 最终形成坡比为 0． 018、 呈东北高、 西南低缓 坡的平地。采坑容量约2 340 万 m3， 使用年限为6 a。 回填废渣主要为附近铁矿的尾砂和废石， 其中尾砂回 填约占 64 1 500 万 m3 ， 废石回填约占 36 840 万 m3 。先期回填尾砂至 5 m 后回填废石， 回填尾 砂至 5 m 标高耗时约3． 7 a， 平均每年上升约30 m; 回填尾砂至 5 m 标高后开始回填废石耗时约 2． 3 a， 平均每年上升约 11 m; 废石回填至与四周原始地 面标高一致即结束， 然后在表层回填约0． 5 m 的耕植 土进行植树造林， 恢复生态环境。 在将东山采坑进行固废充填后， 受其影响， 原来 的矿山水文地质工程地质条件发生变化。由于东山 采坑边坡岩体主要由安山岩、 闪长玢岩组成， 风化蚀 变严重， 岩体破碎， 遇水易软化， 局部发育顺坡向结构 面， 不利于边坡稳定。其不利因素主要表现在 边坡 岩体强度低、 岩体结构类型、 地表水的淋滤作用和软 化作用、 物理力学性质变化差异大。 2边坡稳定性分析 目前国内有关边坡稳定性的分析方法主要有刚 体极限平衡法、 极限分析法、 滑移线场法、 数值分析方 法等， 其中刚体极限平衡法在工程边坡稳定性分析中 广泛使用， 该方法主要是以摩尔 － 库仑准则作为基 础， 通过给出假想的简单破坏面， 并将滑动面以上的 滑体分成若干垂直条块， 建立静力平衡方程并辅以一 定假设条件计算得出结果， 能得出符合相关精度要求 的稳定性指标 ［5 ］。 2． 1计算剖面及工况选取 根据东山采坑地形、 地质条件特点， 按安徽省马 鞍山市东山铁矿东山采场矿山地质环境治理工程布 置图所示， 划分为 A － A、 B － B、 C － C、 D － D、 E － E、 F － F共计 6 个典型计算剖面 见图 2 。 图 2采坑剖面分区 Fig． 2Open pit section 671 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing 2． 2计算参数选取 根据现场勘察结果， 影响采场边坡的岩体主要为 碎裂结构， 局部为碎裂镶嵌结构、 散体结构等， 以上 结构的滑坡通常与土质边坡的滑坡类似， 基本呈圆弧 形。采坑主要结构面为 F1 断裂和 F2 断裂。F1 断裂 是最大的结构面 产状 330 ～ 340/67 ～ 74 ， 该结 构面走向与边坡一致， 倾向与边坡相反， 因此对边坡 整体稳定性不会造成影响; F2 断裂在东帮 －30 m 以 上边坡台阶上构造痕迹不明显， 再加上尾砂的充填， F2 断裂也不会对边坡整体稳定性造成影响; 采坑结 构面不是影响边坡整体稳定的主控因素。综合考虑 各项因素， 本次采坑边坡稳定性分析计算边坡破坏模 式按圆弧考虑， 分别采用 Bishop 法、 Janbu 法、 瑞典法 按有限元进行剖分计算。 本次边坡稳定性计算中剖面分层及物理力学参 数的选取是参考该采坑的地质勘查报告 ［6 ］中边坡岩 体工程地质岩组划分和类似工程中的边坡岩组物理 力学性质指标建议值进行综合取值， 具体见表 1。 表 1采坑边坡岩土物理力学性质指标选用值 Table 1Selected value of physical and mechanical properties of rock and soil in pit slope 工程地质 岩组名称 自然状态 抗剪强度 黏聚力 C /kPa 内摩擦 角 Φ / 重度 γ / kN/m3 饱和状态 抗剪强度 黏聚力 C /kPa 内摩擦 角 Φ / 重度 γ / kN/m3 碎裂状闪长玢岩18． 937． 221． 518． 135． 021．8 散体状闪长玢岩18． 226． 921． 017． 826． 621．4 层状安山岩40． 032． 021． 339． 031． 621．6 散体状安山岩24． 527． 523． 024． 027． 023．4 碎裂状安山岩45． 337． 923． 045． 037． 523．4 碎裂状安山玢岩70． 632． 020． 247． 027． 021．4 碎裂状角砾状磁铁矿 210． 0038． 429． 6208． 338． 029．8 碎裂状浸润状磁铁矿 200． 0037． 928． 0198． 037． 427．6 碎裂状安山质角砾熔岩 120． 0032． 021． 472． 026． 023．6 碎裂状构造角砾熔岩14． 4030． 019． 013． 729． 820．1 散体状构造角砾熔岩14． 2024． 018． 313． 221． 819．1 人工堆积层16． 5033． 019． 114． 132． 620．0 回填废渣9． 82815 2． 3建模及数值分析 将采坑分为 6 个剖面 2 个工况进行边坡稳定性 分析， 分别为 14． 63 m 现状水位 工况一 ， 露天采 坑堆存至 26． 0 m 终期水位 工况二 。本次分析选 取具有代表性的 A － A剖面进行详细说明， 其典型边 坡剖面的稳定性计算结果和简图如表 2、 图 3 ～ 图 4 所示。 2． 4计算结果分析 本次稳定性分析的校核标准根据AQ2006 表 2剖面稳定性计算 Table 2Stability calculation of the section 工况 地下水 状况 最小安全系数 Bishop 法 Janbu 法瑞典法 工况一 14．63 m 现状水位有1．2011．1221．146 工况二 26．0 m 终期水位有1．3161．2101．212 图 3工况一边坡稳定性分析计算简图 Fig． 3Condition 1 The analysis and calculation diagram of the slope stability 图 4工况二边坡稳定性分析计算简图 Fig． 4Condition2 The analysis and calculation of slope stability 2005 尾矿库安全技术规程 、 GB500212009岩 土工程勘察规范 、 GB503302002 建筑边坡工程 技术规范 及 DZ/T02182006滑坡防治工程勘查 规范 综合选定， 如表 3 所示。 表 3采场边坡稳定性校核安全系数 Table 3Safety factor of slope stability check at stope 安全系数 FsFs＜1．00 1．00≤Fs＜1．05 1．05≤Fs＜1．15 Fs≥1．15 滑坡稳定状态不稳定欠稳定基本稳定稳定 根据上节边坡稳定性数值分析结果与表 3 安全 系数校核标准比对可得以下结论 1 根据边坡稳定性计算结果， 拟定不利工况条 件下的采场边坡整体处于稳定状态、 个别部位处于基 本稳定状态， 治理工程的边坡安全性是有保障的。 2 本次论证边坡稳定性分析假定忽略尾砂的 压盖作用， 并且岩体边坡浸润线按高位考虑， 计算结 果偏于安全。 2． 5存在主要问题及防范措施 1 根据边坡稳定性计算结果， 拟定条件下的采 场边坡个别部位处于基本稳定状态， 即总体安全稳定 771 徐嘉辰等 东山铁矿露天采场改建尾矿库边坡稳定性研究2016 年第 7 期 ChaoXing 性有保障但局部部位存在崩塌、 落石的可能， 理论计 算结果与地质调查报告及前期勘察资料结论相互印 证并且基本一致。 2 地质环境调查报告指出， 该采坑岩体主要为 散体碎裂结构， 发生局部、 小规模崩塌滑坡现象的 频率较高; 调查表明局部部位已经存在地裂缝， 有发 生小规模滑坡的迹象; 在治理工程实施后期， 人员设 备作业活动应重点做好防止临近坡顶发生高处坠落 事故。对局部存在崩塌、 落石的部位建议采取避让和 监测、 预警措施， 以确保治理工程作业安全， 待采坑回 填完毕其安全隐患同步消除， 无需再进行专项治理。 3结语 对东山铁矿露天采坑改建尾矿库过程中出现的 边坡稳定性问题进行了定性和定量分析， 结果表明 采坑边坡总体呈基本稳定状态， 但影响边坡稳定的不 利因素较多， 局部部位已经存在地裂缝， 发生小规模 崩塌滑坡现象的频率较高; 针对采坑特点， 提出了相 应的防范措施及建议， 对类似工程的边坡稳定性分析 有一定借鉴意义。 参考文献 ［ 1］王启明． 我国非煤露天矿山大中型边坡安全现状及对策［J］． 金 属矿山， 2007 10 1- 5． Wang Qiming． Status quo of large and medium slopes in China non- coal open- pit mines and countermeasures［J］ ． Metal Mine， 2007 10 1- 5． ［ 2］吕远强， 董转运， 姜海波， 等． 水帘洞煤矿黄土高边坡的优化设 计研究［J］． 工程勘察， 2008 11 23- 27． Lu Yuanqiang， Dong Zhuanyun， Jiang Haibo． Study on optimization design of the high loess slope at Shuiliandong Coal Mine［J］． Geotechnical Investigation ＆ Surveying， 2008 11 23- 27． ［ 3］代永新． 露天采坑改建尾矿库关键技术探讨［J］． 金属矿山， 2012 1 58- 62． Dai Yongxin． Discussion on key technologies of tailings pond recon- struction from open pit［J］． Metal Mine， 2012 1 58- 62． ［ 4］陈思帆， 王少宇， 姜福川． 兰尖铁矿露天采场边坡稳定性研究 ［J］． 黄金， 2014 10 43- 45． Chen Sifan， Wang Shaoyu， Jiang Fuchuan． Research on slope stabili- ty in open- pit stope of Lanjian Iron Mine［J］． Gold， 2014 10 43- 45． ［ 5］汪承亮． 极限分析法在边坡稳定分析及挡土墙土压力计算中的 应用［D］． 合肥 合肥工业大学， 2010． Wang Chengliang． Application of Limit Analysis to Slop Sta- bility and Earth Pressure of Retaining Wall［D］． Hefei HeFei Uni- versity of Technology， 2010． ［ 6］郭允山， 吴世雄． 安徽省马鞍山市东山铁矿东山采场矿山地质 环境治理工程设计［R］． 马鞍山 安徽省地质矿产勘查局 322 地 质队， 2012． Guo Yunshan， Wu Shixiong． Design of Geological Environment Treat- ment Project of Dongshan Iron Mine in Maanshan City， Anhui Prov- ince［R］． Maanshan 322 Geological Prospecting Bureau of Anhui Province， 2012． 责任编辑徐志宏 871 总第 481 期金属矿山2016 年第 7 期 ChaoXing