国外某金矿堆浸场稳定性分析研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ UDC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十- 初大学 C E N T RA I ，S O U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯．国处某金矿堆浸场稳定性分析研究 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯．采矿王程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王玉珏⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯李建雄⋯ 副教授上⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号U D C ㈣幽Y 2 19 誊岑笨 密级 硕士学位论文 凰．孙慕金矿堆浸场稳定 隆分析研究 S t a b i l i t ya n a l y s i so fh e a pl e a c h i n gi nc e r t a i ng o l dm i n ea b r o a d 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 王玉珏 采矿工程 资源与安全工程学院 李建雄 论文答辩日期理 垄幽丛日答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年0 4 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名王』亟日期坦年野丘日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名至丝导师签名妞日期丝年』月生日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文主要以国外某金矿的堆浸场为工程背景，从保障堆浸场正常 生产，防止滑坡灾害发生的角度出发，通过理论分析，风险评估，数 值模拟的研究方法，系统分析了堆浸场中边坡稳定性的及防治堆场滑 坡的措施，具体内容如下 1 系统的介绍了滑坡的分类，形成原因以及发育过程。 2 结合堆浸场的自身特点，分析了影响堆浸场滑坡的因素， 并结合层次分析法求出各类因素指标对稳定影响的相对权重，然后引 用模糊评价法的最大隶属度的原则对边坡进行分析，判断堆浸场稳定 属于哪种风险等级，以此提出相应的防范与控制措施。 3 本文进行了物理力学性质试验研究，得到了堆浸场基岩和 散体物料的物理力学强度参数，并对这些参数进行了工程处理，为下 一步的数值模拟分析提供数据基础。 4 本文采用当前在岩土工程领域内应用较为广泛的F L A C 3 D 数 值模拟方法，分析堆浸场边坡在目前排土高度下边坡稳定的安全系 数、塑性区、最大位移，最大不平衡力和潜在滑移面的位置。结果证 实在目前堆载高度下，F L A C 3 D 数值模拟方法计算所的安全系数值大 于1 ．2 5 ，堆浸场整体上处于稳定状态。 5 本文结合F L A C 3 D 数值模拟方法，求得不同堆载高度下的边 坡稳定的安全系数、塑性区、最大位移和潜在滑移面的位置，从而确 定极限堆载高度。经分析表明当堆浸场堆至8 4 高时，最大位移值并 没有出现突变，塑性区也并未出现贯通，安全系数值为1 ．2 8 ，由此可 见边坡此时仍处于整体稳定状态。但是，堆至l J 8 8 m 高时，水平位移和 竖直方向上得位移都发生了较大的变化，塑性区分布范围增加的非常 明显，基本上贯通，安全系数也降低到1 ．1 4 ，小于稳定的安全系数 1 ．2 5 ，所以可以断定，堆浸场的极限堆载高度为8 4 m 。 关键词滑坡，堆浸场，F L A C 3 D ，安全系数，风险评估 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T A B S T R A C T T a k i n gc e r t a i ng o l dm i n ea b r o a da st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t o e n s u r e s a f e t y i n h e a pl e a c h i n gp r o d u c t i o na n dp r e v e n tl a n d s l i d e h a z a r d ，b a s e do nt h e o r e t i ca n a l y s i sm e t h o d ，r i s ka n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dl e a c h i n gs l o p es t a b i l i t ya n dp r o p o s e d a p p r o p r i a t es e c u r i t yp r e c a u t i o n s ．1 i s t e da sf o l l o w 1 B r i e f l yi n t r o d u c el a n d s l i d ec l a s s i f i c a t i o na n di t sf o r m i n gr e a s o n a n d d e v e l o p m e n t ． 2 O nc o n s i d e r i n gt h et r a i to fh e a pl e a c h i n g ，p r e s e n t e dt h er e a s o n s o fl e a c h i n gl a n d s l i d ea n dc o m b i n e dw i t ht h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 趾口 m e t h o d ，c a l c u l a t e dt h er e l a t i v ew e i g h to ft h ef a c m r si n f l u e n c i n g h e a pl e a c h i n gs t a b i l i t y , t h e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h ec a u s e so ff a i l u r eb a s e d o nt h em a x i m u ms u b p r i n c i p l ei nf u z z ym e t h o d ，d e t e r m i n e dt h er i s k d e g r e ei ns p e c i f i cc a s es t u d y , b a s e do nw h i c hp r e c a u t i o na n dc o n t r o lo f t h el e a c h i n gl a n d s l i d er i s kw a sp r o p o s e d ． 3 T h i sp a p e rc o n d u c t e d a s t u d yo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s th e a pl e a c hf i e l db e d r o c k ，a n db u l km a t e r i a l sp h y s i c a la n d m e c h a n i c a ls t r e n g t hp a r a m e t e r s ，a n dp a r a m e t e r so ft h ep r o je c tp r o c e s s i n g a n da n a l y s i so ft h ed a t ab a s ef o rt h en e x ts t e pi nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 S y s t e m a t i c a l l ya n a l y z et h el e a c h i n gs t a b i l i t yb a s e do nt h ew i d e l y u s e dF L A C E 3Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d si nt h e g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ．F i r s t l y , s e l e c t e ds e c t i o no fh e a pl e a c h i n gs l o p e ，b a s e do n g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，e s t a b l i s h e dt h eF L A C 3 Dm o d e l ，a n dc a l c u l a t e da n d d e t e r m i n e dt h e s a f e t yf a c t o r , p l a s t i cz o n e ，m a x i m u md i s p l a c e m e m ， m a x i m u mu n b a l a n c e df o r c ea n dp o t e n t i a ll a n d s l i d ef a c ec o n s i d e r i n gt h e c u r r e n tl e a c h i n gh e i g h t ．T h er e l a t i v er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es a f e t yf a c t o r w a sm o r et h a n1 ．2 5 ，w h i c hs a t i s f yt h en e e do ft h el e a c h i n gs t a b i l i t y ． 5 B a s e do nF L A C E 3 D n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c a l c u l a t e dt h es a f e t y f a c t o r s ，p l a s t i cz o n e s ，m a x i m u md i s p l a c e m e n t sa n dp o t e n t i a ll a n d s l i d e f a c e si nv a r i o u sl e a c h i n gs l o p e s ，w h i c hs h o w e dt h a ta th e i g h to f8 4 m a b o v et h eg r o u n d ，t h em a x i m u m d i s p l a c e m e n ta n dp l a s t i cz o n ei n c r e a s e d s l i g h t l y , b u tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tv a r i e d 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T s h a r p l ya tt h eh e i g h to f8 8 m ；a c c o r d i n g l y , s a f e t yf a c t o rd e c r e a s e df r o m 1 ．2 8t o1 ．14 ，w h i c hi sl e s st h a nt h ec r i t i c a lv a l u e1 ．2 5 ．T a k i n gt h et w o m a x i m u md i s p l a c e m e n t sa n dp l a s t i cz o n ep e r f o r a t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e dt h a tt h er e a s o n a b l eh e i g h to fl e a c h i n gw a s8 4 m ． K e y w o r d s l a n d s l i d e ，h e a pl e a c h i n g ，F L A C 3 D ，s a f e t yf a c t o r , r i s k a n a l y s i s ． 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 堆浸工艺的历史与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 堆浸工艺介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 堆浸工艺的优缺点及应用条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 本课题国内外研究现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．5 研究堆浸场滑坡灾害的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．6 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 第二章研究影响堆场稳定的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 概i 苤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 滑坡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．1 滑坡的基本要素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．2 滑坡分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．3 产生滑坡的主要条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．4 滑坡的产生和发展过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．5 排土场的滑坡模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．6 造成堆场滑坡的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 层次分析法对边坡稳定作风险评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1 层次分析法的基本步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 ．2 建立模型和判断比较矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．3 ．3 确定权重向量和一致性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．4 建立评价模型和评价矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．5 确定评语集和评价结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．3 ．6 建立判断比较矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．7 确定模糊权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．3 ．8 构造模糊评价矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．3 ．9 准则层评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．3 ．1 0 目标层评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．3 ．1 1 综合评价结果及施工建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第三章堆浸场概况及岩土体物理力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 工程背景资料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 3 ．2 堆浸场物理力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．1 散体物理力学性质试验配级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．2 ．散体物料的力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 ．3 堆浸场基岩的力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 中南大学硕士学位论文目录 第四章边坡稳定性的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 4 ．2F L A C 3 D 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 F L A C 3 D 强度折减理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．1 ．有限元强度折减法的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．2 ．安全系数的物理意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．3 ．屈服准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 4 ．3 ．4 ．强度折减法的极限状的判断依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 4 ．4 F L A C 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．1 几何模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．4 ．2 力学模型和选择计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．4 ．3 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．4 ．4 最大不平衡力分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．4 ．5 塑性区结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 4 ．4 ．6 安全系数结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．4 ．7 强度折减法结果校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．4 ．8 精度影响因素探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 4 ．4 ．9 强度折减法评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 第五章堆场堆载高度的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 F L A C 3 D 数值模拟边坡堆载高度计稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 ．1 模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．1 ．2 参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．1 ．3 计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．1 ．4 位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．1 ．6 塑性区范围分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．1 ．7 潜在滑移面和安全系数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．1 ．8 确定极限堆载高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．1I 墙论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 V 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 堆浸工艺的历史与现状 第一章绪论 在当今的世界上，许多学者把1 6 世纪7 0 年代西班牙人第一次发现的有铜从氧 化铜矿石堆中浸出的现象，当成堆浸工艺的起源。部分人将1 6 世纪匈牙利人从铜 矿堆中流出的水中提取了金属铜视为起点。事实上，世界上是中国人最早发现堆 浸的，据说公元前的山海经一书中有记载，意思大概是用水灌注酸性氧化 铜矿石堆，流出的水带有铜离子的颜色，并集入池中。所以，中国人对堆浸的发 现比西班牙人要早1 0 0 0 多年。我国是从唐朝开始应用堆浸技术，到宋朝应用广泛。 到了1 9 世纪，欧美国家从才比较普遍的应用堆浸技术，主要是用于露天开采出来 的氧化铜矿石等n ，。 1 9 世纪中叶，葡萄牙人第一次发表了铀矿石堆浸的文章瞳1 ，文章上说葡萄牙 人堆浸法的步骤。随后，法国、加拿大、前苏联、美国等国为堆浸技术的应用和 发展做了大量的工作。 1 9 世纪6 0 年，一项用堆浸工艺提取黄金的新技术在美国发展起来。此次项目 实验一次试验堆浸矿石5 5 0 多吨，堆高为1 ．3 米口3 。原矿的品位约为2 ．3 6 克／吨， 先以石灰和氰化物溶液堆浸3 0 多天后，再用活性炭提取金。金回收率为5 3 ％。随 后，此项工艺在美国发展迅速，广泛应用与金矿行业。到目前为止美国大约有1 3 0 左右个堆浸矿山，靠堆浸产生黄金的产量占美国黄金总产量约l ／3 。3 0 年以来， 在3 0 多个新开发的堆浸矿山中金储量有7 5 吨左右， 平均品位约为1 ．6 克／吨。 2 1 世纪以来，堆浸工艺发展势头迅猛，世界上黄金产量丰富的国家，如美国、 澳大利亚、南非、加拿大等国家都新建许多堆浸工厂，到目前为止大约有一百多 个大型堆浸工厂分布全世界H 3 。 1 9 6 3 年我国知名放射化学家杨承宗教授在国内首次提出“堆置浸出’’概念， 并建议开展研究。核工业北京化冶院、核工业第六研究所分别于1 9 6 4 、1 9 6 6 年开 始研究铀矿堆浸技术，至1 9 7 2 年，核六所在堆浸方面已取得成功经验。1 9 8 7 年， 核工业7 1 9 矿进行了万吨级铀矿堆浸试验获得成功，并获得1 9 9 0 年度国家科技进 步一等奖∞3 。至1 9 9 0 年，我国铀矿堆浸已占铀总产量的1 0 ．4 ％，但江西7 1 9 矿的堆 浸已占铀矿石总产量的3 4 ．2 ％。后来，还有陕西的7 9 4 矿、浙江的7 7 1 矿等，相继 试验成功，并投入大规模生产。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 堆浸工艺介绍 堆浸法提金工艺流程包括矿石破碎一筑堆一堆浸一炭吸附一解吸、电解、熔 炼等作业【6 】。结合实际情况，建堆浸场时要注意以下几点 1 ．堆浸准备工作。如选择场地、膝垫和布置保护层。堆浸场地最好选在高 位地，三面有坡度向内倾斜．一面缓倾以方便于浸金溶液汇集。然后在平滑的场 地上面构筑底部结构。一般选用塑料薄膜、塑料软板、粘土、油毡等作为底垫的 材料。国内大多数用油毡和塑料薄膜作底垫。某些矿山用混凝土作为底，不过地 基下沉产生裂缝会导致浸出液渗流。国外普遍用软塑料板作底垫，并且在浸出液 流经之处，用塑料防止其流失【_ 7 1 。我国某些万吨以上的堆浸矿山，将P V C 塑料软 板作底垫，虽然价格比较贵，不过P V C 塑料软板强度高，并且耐用，其单位消耗 相反比其它材料还要便宜，同时能使浸出液不流失，在实际工程中反响不错。为 防止矿石压坏底垫，在其上方要布置保护层。 2 ．筑堆。把破碎后的矿石在底垫上筑成矿堆是一项看似容易实际困难的工 序，若是矿堆比较高难度则更大。需要对这方面做许多研究。假如方法不当，就 会导致粗粒矿石和细粒矿石分布不均，还有可能是因为机械设备压实矿堆，导致 破坏了溶液的渗透性和矿堆的透气性，使堆浸效率降低。我国某金矿采用推土机 和皮带运输机筑堆，采用多落点移动式分层筑堆方法，在堆浸工业试验中受益颇 多。在国内，为万吨级以上规模的筑堆提供了丰富的经验。 3 ．喷淋。喷淋方式有多种。如槽浸、喷洒，目的是喷洒溶浸液到矿堆的任 意范围，使矿石与溶浸液充分接触。要做到这一点，在于喷淋器的选择与喷淋系 统的设置。喷淋的设备也有很多种，例如喷射器，旋转摇摆器，滴水器。旋转摇 摆器能够喷洒以1 0 米为半径范围内的矿堆，喷射器喷淋的范围比旋转摇摆器还要 大。喷出的水滴大，对保持氰化物和水的热量是相当有利的。如果是第一次喷淋， 溶液从导流层流出的时间大概要3 到6 天。在这段时间内，一吨矿石将吸收4 5 L 至I J 7 5L 的溶液。然后为了补充因蒸发而失去的水分，要经常加水。 4 ．炭吸附。碳浆法是一种较新工艺，活性炭有吸附溶液中贵金属的性质。 它的工艺流程见图1 ．1 ，流程主要由四个步骤组成 1 活性炭对已溶金的吸附 2 从载金炭上解吸金； 3 从含金的贵液中回收金； 4 脱金后的炭再生。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 去金耩炼厂。 图1 ．1 炭吸附流程 1 ．3 堆浸工艺的优缺点及应用条件 与常规水冶法相比，堆浸工艺的优点有 1 投资少，见效快； 常规法的1 ／3 左右 2 工艺简单，成本低； 常规法的1 ／3 左右 3 根据矿床条件、特点，堆浸可在地表，也可在井下进行，且废料可用来作充 填料； 4 对环境污染小； 5 资源利用率高。 堆浸工艺的缺点有 1 浸出率相对较低，比搅拌浸出低5 ～1 5 ％； 2 如在露天堆浸，其生产易受气候 风、雨 的影响，生产不均衡； 3 浸出周期长，一年左右，对资金周转不利； 堆浸工艺的适用条件①矿石易浸；②品位低，且储量大；③品位高而储量 小、交通不便、分散的小矿点。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．4 本课题国内外研究现状及存在的问题 堆浸场稳定性的研究，涉及到众多学科的领域。本文主要研究滑坡影响堆浸 场的稳定性。目前，专门对堆浸场滑坡灾害的研究还未见报道，但在其他领域， 对滑坡灾害的研究还是比较充分。 放眼全球对滑坡的灾害的的研究比较充分。上个世纪6 0 年代斯开普顿创建了 “残余强度”学说，开拓了滑坡机理的一个新的阶段。1 9 7 2 年“概率分析“ 的提 出，揭示了斜坡要素的点，强调强度参数是斜坡中符合某种概率分布的函数，并提 出了“安全限”。Ja r i e s 把最大信息熵同安全限有效的结合起来，计算每个滑块的 破坏的概率，然后计算整个坡的破坏概率。 我国的滑坡分析与研究工作大约经历了三个阶段【8 1 1 我国的滑坡灾害研究开始于1 9 5 2 年，当时的重点是滑坡历史的研究和滑 坡形态的分类，研究各种类型边坡的稳定行分析方法及变形破坏的机制。在这段 时间，边坡稳定性的分析一般是靠土力学理论支撑，基本不涉及岩石的结构面和岩 石的结构，尤其是软弱面对边坡稳定性的影响。 2 到了1 9 6 0 年，中国科学院提出的边坡稳定性分析的地质力学方法和岩体 结构理论，标志着对滑坡分析与研究的工作到了开创新时代的阶段。1 9 7 0 年，主要 是逐渐的改进和丰富岩体力学的方法与分析原理。 3 1 9 8 1 年，我国滑坡分析与研究工作进入一个新的阶段，是因为基于大量滑 坡实际工程的基础上建立了岩石边坡变形破坏的模型，通过这个模型得到了以岩 体的板裂结构理论为理论依据的边坡岩体溃屈破坏模型尤其说明了岩体变形的 动态监测在边坡稳定性分析中的重要作用。 滑坡灾害评价方法分类如下 ①定量法。如数值分析方法、极限平衡法等，极限平衡法包括B i s h o p 法、 F e l l e n i u s 法、剩余推力法、Ja u b u 法、楔体极限平衡分析法、S a r m a 法等。 ②定性法。如工程地质类比法、S M R 法、自然历史分析法、图解法等。 ③物理模拟法。如底离心模拟试验、摩擦试验等。 ④非确定性法。如模糊分级评判方法、可靠性分析法等。 ⑤现场监测法。 在实践中，大部分研究专家是运用定量法求得滑坡稳定的安全系数。在国外， 把一般的稳定性计算方法又分为临界高度法和安全系数法。 临界高度法把安全系数设定为1 ，由各参数反求滑坡发生滑动的临界高度。 假如实际滑坡的高度超过求得的临界高度，则滑坡可能发生，反之，则为滑坡稳定。 安全系数法对于已知高度的边坡，安全系数为抗滑力比滑动力。若比值小于 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，滑坡不稳定，反之，稳定。 从现有理论来看，有以下两个问题值得研究 第一，在实际应用中，虽然按计算其安全系数大于1 ，但是产生了滑动；反之，计 算结果小于1 ，却稳定。 导致这种结果的出现可能是因为没有考虑影响边坡稳定性因素的不确定性， 比如内摩擦角、地下水的动态、岩土体容重、滑动面粘聚力以及人类工程活动 在＆ 守。 一些国内外学者以线性关系来整合各因素进行破坏概率分析，但是没有涉及 滑坡产生的力学作用【9 1 。 第二，边坡还有可能存在时间上的不稳定。从时间上来说，地下水属于动态变 化的，其对边坡的影响也是不确定的。当今，假设理想的水压力分布依然是时下计 算地下水因素的一般方法。这明显不足以说明滑坡的水力学特点，使得计算结果 不够精确。 1 ．5 研究堆浸场滑坡灾害的意义 能够达到高的浸出率是矿山在堆浸过程中最注重的。因此，为了使矿堆渗透 性大大改良，人们在实际过程中开展在堆场表面犁松矿石和松动爆破等措施，以 至于忽视了安全问题。某些矿山为了追求利润的最大化，在采矿过程中必须剥离 大量低品位矿石，剥采比很高，为了节省运输费用，矿山经常通过最近的运输距 离将废石堆放在采场周围，或填放在山坡上。然后，筑堆卡车将表外矿石或废石 进行筑堆，再用铲运机将废石推到矿堆边缘。随着堆浸工作的进行，矿堆越筑越 高，出现高边坡。因为矿堆在自身重力和筑堆设备的共同作用下，会发生固结沉 降，从而渗透性变差。为了提高渗透性，使溶浸液能够充分与矿物接触，使得最 大限度的浸出有用矿物，技术员通常会采取技术措施来提高矿堆的渗透性，比如 会用推土机将第一分层矿石犁松，还会在矿堆顶部钻孔 大约1 - 4 m ，进行松动 爆破 见图1 ．3 ，这些措施是多年以来技术员们总结的经验，为提高浸出率起到明 显的作用。 图1 - 2 滑坡示意图图1 ．3 松动爆破 鬈 黼 中南大学硕士学位论文第一章绪论 然而，从防止地质灾害，保证浸出安全的角度来考虑，上述两种措施却正好 是导致滑坡灾害的主要因素，从而产生严重的危害表现在 1 堆浸场发生的滑坡灾害会给矿山带来较大的经济损失。在前期投资当中， 矿山会花大价钱来建造堆浸厂房和机械设备，如果堆场因失稳而发生滑坡，滑体 一定会滑入集液池中 见图1 ．2 ，导致池中的液体流出，严重的话还会导致集液 池的溃坝，造成无法弥补的经济损失。 2 堆浸场如果发生滑坡将带来严重的人身安全事故。如果不重视滑坡灾害， 造成经济损失还只是企业物质方面的亏损，人员的伤亡将会成为整个社会的灾 难。 3 堆浸场发生滑坡灾害哈可能污染环境。当滑体涌入集液池中，导致池中 的液体流出，严重的话还会导致集液池的溃坝，因为溶浸液是危险的化学性溶液， 一定会对环境造成严重的污染。 综上所述，研究堆浸场滑坡灾害的问题，保证堆浸厂安全、高效的运行，减 少不必要的各种损失，该课题具有一定的研究意义。 1 ．6 研究内容 本论文采用当今在边坡工程领域内应用比较普遍的F L A C 3 D 软件对国外某 金矿堆浸场进行稳定性分析，在此基础上确定极限堆载高度，具体研究内容如下 1 研究堆浸场中滑坡产生原理及其影响因素； 2 对堆浸场进行风险等级评估，以便建立恰当的理论分析模型； 3 进行岩石力学实验，得出岩石力学参数，用于数值模拟分析； 4 禾l J 用已建立模型，对堆浸场现状边坡进行数值模拟研究现状边坡进行稳 定性评价； 5 分析在堆载高度增加的情况下堆浸场边坡的稳定状况，得出其极限堆载 的高度，以确保矿山的安全生产。 中南大学硕士学位论文第二章研究影响堆场稳定的机理 2 ．1 概述 第二章研究影响堆场稳定的机理 泥石流和滑坡是影响堆浸场稳定性的两个主要因素。堆浸场中的滑坡一般定 义为在雨水冲刷、重力、地震、人为松动爆破等的作用下，矿堆散体沿坡内软弱 带作整体向下、向前滑动的现象。泥石流是指介于滑坡块体运动、崩塌与水流之 间的、含饱和或不饱和的高浓度矿岩碎屑的流体，沿侵蚀坡面或陡峻沟床向下游 流动的一系列复杂的物理自然现象。 目前有关排土场稳定性的分析方法的研究比较全面，堆浸场中滑坡的研究， 应该属于排土场稳定性的研究，其分析所依据的力学原理大概相同。不过，堆浸 场中滑坡灾害又有其自身特征．不能等同于传统的排土场．两者在研究重点、研 究目的上有不些不同。本章借助于排土场分析方法与理论，阐述堆浸场滑坡分析 所依据的理论基础及其分析方法，并指出堆浸场滑坡灾害的自身特征，结合模糊 层次分析法对堆浸场中滑坡进行风险等级评估。 2 ．2 滑坡 2 ．2 ．1 滑坡的基本要素 滑坡的基本要素有滑动面、滑坡体、滑坡侧壁，滑坡剪出口和滑坡后壁等 见 图2 1 。 1 滑坡体边坡上滑动的岩土体。 2 滑动面滑体下滑动的面。滑动面常为光滑、平整的结构面，一般有擦痕。 3 滑坡床滑体以下的稳定的岩土体。 4 滑坡后壁滑体下滑后，后缘暴露出的陡壁。 5 滑坡侧壁滑体两侧的陡壁。 6 滑坡剪出口滑体的前端，地表面与滑动面的交线。 7 滑坡湖和滑坡洼地在滑体后端，因差异运动而形成的洼地叫做滑坡洼地， 积水后叫做滑坡湖。 8 滑坡台坎和滑坡台地因滑体的滑动形成的台阶状地形，陡倾为台坎，缓 倾为台地。 7 中南大学硕士学位论文第二章研究影响堆场稳定的机理 2 ．2 ．2 滑坡分类 图2 - 1 滑坡结构图 滑坡形成于不一样的地质条件下，同时表现为不一样的特征和形式。对滑坡 进行分类的意义是对滑坡作用的现象特征和各种地质环境以及产生滑坡的许多 因素进行总结，从而正确得反映滑坡的大致规律。实践工程中，可以借助滑坡分 类去指导工作，鉴别和衡量发生滑坡的概率，分析边坡的稳定性和制定相应的防 治滑坡的措施。 滑坡的分类目前方式很多，每一种方式的侧重点也有差别。一部分基于层面 与滑动面的位置关系，一部分基于滑坡的力学特性，一部分基于滑坡规模，一部 分基于岩土体的类型，一部分基于边坡的结构，还有一部分基于滑坡的形状甚至 基于滑坡的时代等。因为这些分类各有利弊，所以依然应用至今。有不少学着提 出许多综合分类，但是这些分类目前没有得到一致的认可。滑坡的分类有待进一 步发展。下面只介绍重点几类 以体积划分 ①小滑坡滑坡的体积不到l O x l 0 4 立方米； ②中滑坡；滑坡的体积约1 0 x 1 0 4 1 0 0 x 1 0 4 立方米； ③大滑坡滑坡的体积约l O O x l 0 4 1 0 0 0 1 0 4 立方米 ④特大滑坡滑坡的体积超过1 0 0 0 x 1 0 4 立方米。 以滑坡与地质结构关系和滑体的物质组成划分 中南大学硕士学位论文 第二章研究影响堆场稳定的机理 ①覆盖层滑坡，这种滑坡