大孤山铁矿深凹露天矿边坡工程.pdf

第5 6 卷第3 期 2004 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 6 ，N o ．3 A u g u s t 2 0 04 大孤山铁矿深凹露天矿边坡工程 李军财1 ，李角群2 ，文俊1 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中国冶金集团鞍山冶金设计研究院，辽宁鞍山”4 0 0 1 、 摘要通过工程地质、水文地质调查，爆破测振，位移观测和岩石力学试验，采用极限平衡理论分析边坡稳定性，研究大孤 山铁矿深凹露天矿的边坡工程。以加陡最终边坡角优化采矿设计，减少剥岩量1 0 0 0 万t ，多采矿石4 0 0 多万t 。研究成果已应用 于矿山生产，经济和社会效益显著。 关键词采矿工程；露天矿边坡；极限平衡；优化设计；爆破振动；位移观测 中图分类号T D 8 5 4 ．6 ；T D 8 6 1 ．1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 4 0 3 0 0 8 6 0 4 露天矿边坡工程既是安全问题又是经济挖潜的 问题，国外采矿业特别是发达国家如加拿大、美国、 澳大利亚、俄罗斯等矿山企业都很重视边坡工程问 题，将确定合理边坡角和边坡形状的研究列入矿山 总体开发中。曾任世界采矿协会主席的波什科夫教 授来华讲学时指出露天采矿的首要技术问题是边 坡的稳定性，它是一个从矿山开发论证直至闭坑，贯 穿全过程的重大技术问题，涉及到矿山开采方案的 合理性、投资规模和矿山经济效益、基建时间、开拓 方案、采矿生产运输工艺及发展与安全、岩石的穿 爆、运输和排岩量、矿山成本以及矿山服务年限等。 他还建议露天矿企业家从矿山开发论证直至闭坑， 要把边坡问题作为最重要的课题来抓。自2 0 世纪 8 0 年代后期以来，国内外的一些矿山都在进行加陡 最终边坡角的研究。如美国的宾厄姆露天铜矿，靠 帮时将1 5 m 的单台阶合并为3 0 m ，安全平台宽度为 1 3 ．5 m ，终了台阶坡面角为7 0 。，最终边坡角由原来 的3 4 。加陡至5 0 ’。澳大利亚的普莱斯露天铁矿，将 二期设计的总体边坡角由3 2 。加陡到3 5 ～3 5 。。我 国的大冶东露天矿，自2 0 世纪6 0 年代中期至2 0 0 1 年闭坑期间，先后进行过多次边坡工程地质、水文地 质、岩石力学、加固、监测等多方面的综合技术研究， 在生产期间对一6 0 m 水平以下进行了加陡，一般采 用2 ～3 台阶并段，对局部富矿地段，适当采用4 并 段，台阶坡面角为7 0 。，安全平台为7 m ，形成了上缓 收稿日勰2 0 0 3 一0 6 3 0 基金项目国家“十五”科技攻关项目 2 0 0 1 B A 6 0 9 A 一0 8 作者简介李军财 1 9 6 7 一 ，男，内蒙古赤峰市人。高级工程师，博 士生，主要从事岩土工程及采矿工程的研究。 下陡的“凸形边坡”，加陡后的最终边坡角比原来提 高1 ～4 。。攀钢兰尖铁矿边坡挖潜研究，采场最终 边坡角提高2 ～6 。。弓长岭露天矿老岭采场，上盘 为混合花岗岩，岩石坚硬，岩体结构条件较好，靠帮 时采用3 并段，在边坡高达1 5 6 m 的情况下，总体边 坡角由原设计的4 l 。提高到5 5 。，加陡了1 0 ～1 5 。。 眼前山铁矿靠帮时采用3 并段，总体边坡角比原设 计上盘提高3 ～4 。，下盘提高1 。，西端帮和东端帮提 高1 - - 2 。，最终境界收缩1 5 ～3 0 m ，减少剥岩2 0 0 0 余 万t 。 大孤山铁矿自执行1 9 8 5 年设计以来，由于多方 面的原因，造成下盘剥岩欠帐，扩帮下降速度严重滞 后，影响矿石生产能力。在此情况下，进行大孤山铁 矿加陡最终边坡角的研究，研究成果将作为修改该 矿边坡设计的依据。大孤山铁矿是鞍钢5 大露天铁 矿之～，也是最早进入深凹开采的露天矿山，目前采 场最高标高为1 5 2 m ，坑底已开采到一1 7 4 m ，封闭圈 标高为7 8 m ，边坡高达2 1 6 ～3 2 6 m ，采场上盘一6 m ， 下盘一6 m ，东端一6 m ，西端一7 8 m 均已到界。按目 前的设计，该矿将会形成高达5 6 6 m 的边坡。 1 矿区边坡工程地质和水文地质 1 ．1 矿区地质概况 矿区出露地层主要为太古界鞍山群樱桃园组和 元古界辽河群浪子山组的中深变质岩系，其次为震 旦系钓鱼台石英岩及第四纪地层。另外矿区还出露 有混合花岗岩、混合岩、千山花岗岩及花岗斑岩脉、 玢岩脉等岩浆岩。矿体赋存在鞍山群变质岩系中， 矿体下盘与片麻状花岗质混合岩以F 1 5 断层接触， 上盘与绿泥石英片岩整合接触，东端与千山花岗岩 万方数据 第3 期 李军才等大孤山铁矿大型深凹露天矿边坡工程 以F 1 断层接触，西端与混合花岗岩以F 1 4 断层接 触，矿体走向3 0 03 2 0 。，倾向N E ，倾角6 0 ～8 0 。，矿 体与围岩产状基本一致。 1 ．2 采场岩体工程地质岩组划分 根据岩石成因类型及物理力学性质，将出露的 岩体划分为9 个工程岩组片麻状花岗质混合花岗 岩 M p 、条带状磁铁石英岩岩组 F e 、绿泥石英片 岩岩组 s 1 、千枚岩岩组 P t 、混合花岗岩岩组 M r 、石英岩岩组 Z l d 、千山花岗岩岩组 v 5 2 、玢 岩脉岩组 艿v 、第四系冲积层及坡积层岩组 Q 。 1 ．3 矿区构造特征 矿区经历过多次构造运动和岩浆活动等，使矿 区构造复杂化。矿区褶皱不甚发育，对边坡的影响 不大，节理非常发育，纵横交错，遍布整个采场。 1 I 级断裂构造。F 1 包括F 1 ’ 断层属I 级 断裂构造，是矿区内最大的一条断层，它基本上是千 山花岗岩与混合岩的接触界线。这两个断层在采场 上下盘的出露走向为近于垂直边坡走向或以大角度 相交，且倾角较陡，因此，对边坡的稳定性影响不大。 F 1 断层可能出露在东端约一3 3 0 m 水平，此时边坡 走向与断层走向一致，为保证边坡的稳定，应使边坡 面与断层面一致，而不能让断层出露在各平台的边 坡坡顶部。 2 U 级断裂构造。采场中有F 1 4 ，F 1 5 ，F 1 7 断 层。F 1 4 包括F 1 4 ’ 分布在矿区的西北端，长约 1 5 0 0 m ，多期活动，对边坡的稳定有重要影响，特别 是目前采场北端F 1 4 断层破碎带，稳定条件较差， 威胁着采场北帮的铁路运输。F 1 5 断层分布在采场 南部，是矿区最为古老的一条断层，也是铁矿层底部 与下盘混合岩的接触界线，断层产状与铁矿层产状 一致。该断层被采场中与之正交或斜交的晚期断层 及岩脉错成数段，两端延长部分已被F 1 和F 1 4 切 断。F 1 7 断层位于开采境界线的附近，其产状规模 等都不利于西北部的边坡稳定，它很有可能成为总 体边坡潜在滑体的上部滑面。 3 Ⅲ级断裂构造。Ⅲ级断裂构造在采场内广 泛分布，大多成组出现，分别有走向断层，斜角断层 和横向断层，它们影响着采场局部的边坡稳定。 4 I V 级断裂构造。Ⅳ级断裂构造在边坡中大 量存在，破坏了边坡岩体的完整性，控制着边坡岩体 的物理力学性质，还影响到岩体的破坏形式。 根据初步划分的4 个工程地质分区，进行了结 构面的测量。通过绘制的结构面极点图和等密度图， 得到了各区的优势结构面产状。 I 区5 组8 8 。么7 0 。，1 7 0 。么6 1 。，1 2 r 么8 7 。，2 2 2 。 么8 2 。，3 3 0 。么1 9 2 。。l I 区5 组5 0 。么5 4 。，3 7 。么6 9 4 ， 7 7 。么4 3 。，9 8 。么6 9 。，1 5 5 。么8 , 7 。。I I I 区7 组混合花岗 岩1 7 7 。么5 9 。，1 2 6 。么6 5 。，4 7 。么4 9 。，4 ‘么1 7 。，9 1 。 么4 7 。，5 6 。么7 5 。，6 。么8 0 。。Ⅳ7 组绿泥石英片岩 1 6 9 。么3 3 。，2 2 5 。么8 7 。，6 4 。么5 7 。，1 2 7 。么7 4 。，1 5 1 。 么7 1 。，7 。么7 8 。，2 7 8 。么8 1 。。 1 ．4 采场边坡中的岩脉 随着采场向深部开拓，揭露的各种岩脉不断出 现，已发现大小不等的各种岩脉几十条，它们的分布 与采场断裂构造有一定的对应性，对边坡岩体的稳 定有支撑和保护作用。 1 ．5 矿区边坡水文地质特征 1 矿区自然地理特征。该地区年平均降雨量 为7 4 1 m m ，年最大降雨量为1 0 3 8 ．5 m m ，月最大降雨 量为4 1 6 ．7 r a m ，日最大降雨量为2 3 6 ．8 m m 。 2 矿区岩性含水特征。第四系冲积、洪积砂砾 石孔隙含水层和人工堆积含水层，在采场西南帮顶 部，东端帮和东南帮出露。岩性为砂砾、卵石，一般 厚3 - 。2 0 m ，渗透系数1 2 ．3 3 - - 2 3 ．2 7 8 m ／d 。 裂隙含水岩系，混合岩弱富水裂隙含水层分布 于采场西．西南帮，钻孔抽水试验表明，混合岩的富 水性和透水性随深度的增加而减弱。试验段深度 0 ～1 0 0 m ，平均渗透系数为0 ．0 3 4 m ／d ，1 0 0 ～2 0 0 m 时，平均渗透系数为0 ．0 0 9 m ／d ，2 0 0 m 以下时，平均 渗透系数为0 ．0 0 4 m ／d 。含铁石英岩弱富水裂隙含 水层分布于采场底部，平均渗透系数为 0 ．0 2 1 5 8 m ／d ，千山花岗岩弱富水裂隙含水层分布于 采场东南帮和东端帮，风化裂隙较发育，深达4 0 ～ 6 5 m ，平均渗透系数为0 ．0 1 4 5 0 ．0 1 5 7 m ／d 。钓鱼 台组石英岩弱富水裂隙含水层，分布于小孤山西侧， 采场西北帮境界线处，裂隙不发育。绿泥石英片岩 微弱富水裂隙含水层分布于矿体上盘，片理发育，深 度达2 0 0 m 左右，平均渗透系数为0 ．0 1 5 m ／d 。 1 ．6 边坡滑落、变形和台阶坡面角 调查结果表明，边坡滑落变形均为台阶破坏，有 单个台阶，也有几个台阶破坏的。但整体边坡还是 稳定的。滑落方式有平面形、圆弧形、楔形和复合类 型。引起边坡破坏的主要原因是不利地质结构面的 影响、水的作用和爆破震动。因为采场申存在大量 的不利地质结构面，大部分为Ⅳ级结构面，Ⅲ级结构 面的少数断层对附近的滑体也有一定的影响。Ⅱ级 断裂构造F 1 7 的空间展布严重影响西北部的边坡， 但目前还未发现西北部整体边坡破坏的迹象。 万方数据 有色金属第5 6 卷 1 ．7 边坡工程地质分区 根据采场边坡的地质构造特征，岩组性质，水文 地质条件和边坡几何形状，将采场划分为4 个区。 I 区位于采场东南部，以F 1 断层为界，F 1 以东全为 该区范围，约占采场的1 ／3 。Ⅱ区位于采场下盘西 南地段，F l 断层至F 1 4 断层之间。Ⅲ区位于采场上 盘西北部，F 1 4 断层破碎带以北。Ⅳ位于采场上盘 ’北帮，F I F I ’ 与F 1 4 断层之间。 2 边坡稳定性分析 2 ．1 数据采集 2 ．1 ．1 爆破振动观测。边坡的主要围岩为千山花 岗岩、绿泥石英片岩、片麻状混合岩、花岗混合岩和 赤铁矿等组成。根据围岩的分布，对3 个区进行了 振动观测。在东部花岗岩区布置3 条观测线，2 2 个 观测点，在西部和中部花岗混合岩区、片麻状混合岩 区、绿泥石英片岩区布置了4 条观测线，2 7 个观测 点。在西端赤铁矿区布置2 条测线，6 个观测点。 为选择合理的震源，观测历经2 年，共观测1 2 次。 对观测数据进行处理，得到了不同岩种的振动速度 和振动加速度的回归方程，并首次给出了该矿边坡 振动的安全判据和最大段装药量。 2 ．1 ．2 边坡位移监测。对边坡位移进行观测，能及 时掌握采场边坡岩体的稳定状态，发现异常时及时 采取措施，防止发生重大事故，指导矿山安全生产， 为边坡的滑动破坏提供及时的早期预报。观测采用 三边交会法进行监测点平面位置实测，采用5 2 0 A 全站仪进行测量。经过1 年的观测，对边坡布设6 个监测剖面，3 7 个测点，对位移进行观测。从监测 数据看，测点的位移量很小，大都在误差范围内，可 以看出该矿整体边坡是稳定的。 2 ．1 ．3 岩石力学试验。对容重、吸水率、弹性波速、 单轴抗压强度、抗拉强度、三轴抗压强度、弹性模量 和泊松比等参数进行了试验。 2 ．2 计算方法 计算采用极限平衡理论，选用简化毕肖普法 B i s h o p 进行稳定性分析，并用摩根斯坦．普赖斯法 进行验证。结合国内矿山边坡安全系数取值情况， 安全系数取值为1 ．1 5 。 2 ．2 ．1 计算剖面的选择。计算剖面的位置要垂直 于总体边坡的走向，能真实地反映总体边坡的最终 边坡角。根据采矿设计的工艺要求，对重要工程部 位，永久性建筑要重点考虑，尽可能利用历次地质勘 探剖面和边坡研究剖面，选择7 个稳定性计算剖面。 2 ．2 ．2 边坡形态。采用采矿工艺新方案，台阶坡面 角为6 8 。，安全平台宽8 m ，一2 2 2 m 水平以上运输平 台宽2 4 m ，一2 2 2 m 水平以下运输平台宽1 6 m 。 2 ．2 ．3 滑落模式分析。根据矿山边坡岩石性质及 岩体中构造与边坡的组合形式及空间关系，总体边 坡破坏只能追踪节理、裂隙、切割部分完整岩石的折 线性滑动，滑动面总体形态为圆弧或近似圆弧形。 局部台阶边坡的破坏主要原因为优势结构面与边坡 面的不同组合而产生的平面滑动或楔形体滑落。 2 ．2 ．4 边坡稳定分析计算指标。根据实测的数据， 采用M ．G e r g i 折减法、费辛科折减法、内摩擦系数 换算法、粘聚力经验折减法对岩体力学指标进行了 综合取值，结果如表1 所示。 表1 岩体力学指标综合取值结果 T a b l e1 C o m p r e h e n s i v er e s u l t so fr o c km a s s e sp a r a m e t e r s 国家“八五”科技攻关项目“大冶铁矿东露天深 部边坡加陡研究”中，提出了不直接考虑地下水和爆 破振动对边坡稳定性的影响，采用影响系数按1 5 ％ 折减的方法。 2 ．3 计算结果 对各剖面采用简化毕肖普法进行稳定性计算， 采用优化技术自动寻找安全系数最低的滑动面，然 后用摩根斯坦一普赖斯法对滑动面的安全系数进行 校核，计算结果如表2 所示。 表2 边坡稳定性计算结果 T a b l e2R e s u l to fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s 注数据为优化毕肖普法安全系数／摩根斯坦．普耪斯法安全系数。 从表2 可见，所进行的采矿设计边坡的稳定是 有保证的，在稳定性分析时是基于靠帮控制爆破技 万方数据 第3 期李军才等大孤山铁矿大型深凹露天矿边坡工程8 9 术来考虑爆破振动的，因此在生产过程中必须严格 采用靠帮控制爆破技术。 3 稳定性综合评价与采矿工艺优化设计 I 区由于一6 m 水平以上已经到界，边坡挖潜从 一6 m 水平以下进行，推荐总体边坡角为4 6 ～5 0 。， 台阶坡面角为6 5 ～7 0 。，可实行3 ～5 个台阶并段。 Ⅱ区与I 区相同。 Ⅲ区边坡挖潜从7 8 m 水平以下进行，推荐总体 边坡角为4 3 - - 4 7 。，台阶坡面角为6 5 - - 6 8 。，可实行3 ～4 个台阶并段。 Ⅳ区边坡挖潜将从 6 m 水平以下进行，推荐总 体边坡角为4 6 ～5 0 。，台阶坡面角为6 5 ～7 0 。，可实 行3 ～5 个台阶并段。 参考文献 根据研究结果，采矿工艺选取台阶坡面角6 8 。， 最终边坡角上下盘5 0 。，西端4 3 。，东端5 0 。，最终并 段数根据不同的开采深度分别选取2 ～4 并段。根 据不同的靠帮参数，进行了两个方案的优化设计。 可以看出，修改设计后可减少剥岩量1 0 0 0 万t ，多采 矿石4 0 0 多万t 。 4结语 采用详细测线法，系统地进行工程地质、水文地 质调查，爆破测振，位移观测，并进行了岩石力学试 验。采用极限平衡理论进行边坡稳定性分析，将加 陡最终边坡角的研究结果与采矿设计相结合，优化 采矿设计。研究成果已应用于矿山的生产，取得了 显著的经济效益和社会效益。 [ 1 ] 冶金工业部长沙矿山研究院．大冶铁矿东露天深部边坡加陡研究[ R ] ．湖北黄石大冶铁矿，1 9 9 4 ． [ 2 ] 鞍钢矿山研究所．鞍钢大孤山铁矿露天边坡稳定性分析与研究[ R 】．辽宁鞍山鞍山钢铁公司，1 9 8 6 ． [ 3 ] 熊传治．密云石灰石矿边坡工程问题研究[ J ] ．矿冶工程，1 9 9 5 ，2 1 2 1 5 1 8 ． [ 4 ] 马鞍山矿山研究院，北京科技大学．高陡边坡稳定性与计算机管理系统的研究[ K ] ．安徽马鞍山马鞍山矿山研究院， 1 9 9 8 ． R o c kS l o p eE n g i n e e r i n go fD a g u s h a nO p e nP i tM i n e L IJ u n ．c a i l ，L IJ i a o - q u n 2 ，W E N J u n l 1 ．U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．A n s h a nD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM e t a l l u r g y ，A n s h a n1 1 4 0 0 1 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h es l o p ee n g i n e e r i n go fD a g u s h a nO p e nP i tM i n e ，f ld e e ps u n k e no p e np i tm i n e ，i si n v e s t i g a t e db ya n a l y s i s o fs l o p es t a b i l i t yw i t hl i m i te q u i l i b r i u mt h e o r ya n dd a t ac o l l e c t i o nw i t hg e o l o g i c a la n dh y d r o g e o l o g i c a ls u r v e y ， b l a s t i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，d i s p l a c e m e n to b s e r v a t i o n ，r o c km e c h a n i c st e s t ．T h em i n i n gt e c h n o l o g yi so p t i m i z e dw i t hs h a r p l yu l t i m a t ep i ts l o p ea n g l eo b t a i n e df r o mi n v e s t i g a t i o n ，t h es t r i p p i n gi sd e c r e a s e db ym o r et h a n 1 0 M t ．a n dt h eo r eo u t p u ti si n c r e a s e db ym o r et h a n4 M t ．T h er e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t sa r e a c h i e v e db ya d o p t i o no ft h er e s e a r c hr e s u l t si np r a c t i c e ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；o p e np i tm i n es l o p e ；l i m i te q u i l i b r i u m ；d e s i g no p t i m i z a t i o n ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；d i s p l a c e m e n to b s e r v a t i o n 万方数据