柿竹园野鸡尾铜锡多金属矿区排土场综合分析.pdf

中图分类号婴墨2 U D C6 2 2 学校代码 Q 5 三3 密级 公珏 硕士学位论文 柿竹园野鸡尾铜锡多金属矿区 排土场综合分析 A n a l y s i so f w a s t ed u m po f Y e j i w e ic o p p e r t i nm i n i n g a r e ai nS h i z h u y u a n 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所． 指导教师 论文答辩日期2 Q 1 31 51 2 罗怡波 工程力学 边坡稳定 资源与安全工程学院 张钦礼教授、博导 壬彳今可 答辩委员会主席董仨丕塾拯 中南大学 2 0 13 年0 3 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。 储繇笋监眺坶年上月丝日 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。 储虢掣聊签烨嗍雄年￡月卫日 主壶盔堂亟堂焦诠窒擅塞 摘要 柿竹园野鸡尾矿区原来主要开采铅锌矿，现铅锌矿资源将近枯 竭，为保证公司有序可持续发展，充分利用宝贵的矿产资源，拟对 野鸡尾铜锡多金属矿床作为铅锌矿体的接替资源进行开发，排土场 工程是露天矿开采的配套工程。如何保证排土场既经济又安全，是 矿山建设的难题，尤其是排土场边坡的稳定问题，因其涉及因素 多，影响范围大，持续时间长，因此对排土场边坡稳定性的分析显 得十分重要。 为解决以上问题，本文针对柿竹园野鸡尾地形的具体情况，展 开以排土场方案的优选的研究，主要内容如下 1 分析了矿区地质概况、矿区地质构造特征、水文地质与环 境地质条件，根据露天矿剥离量提出初选方案，确定了境界内剥离 废石全部排入采场北侧排土场的场址选择方案，然后进一步提出了 排土场的四种方案； 2 通过有限元分析得出排土场渗流场的浸润面； 3 通过极限平衡法可得各方案的最小的最小安全系数都大于 允许安全系数1 ．1 5 。各方案的最小安全系数从小到大的排序为方 案一、方案二、方案四和方案三，其中方案三和方案四近似，而方 案三的整体边坡的最小安全系数大于方案四； 4 采用灰色关联一加权T O P S I S 法对排土场方案进行综合评 判，结果无论用何种方法分析得出的最小安全系数，方案三为最优 方案； 5 根据以上研究分析结果，提出合理的排土工艺和方案，以 及最后的排土场复垦计划和方案。 本文包含图6 9 张，表16 个，参考文献7 8 篇。 关键字露天矿，排土场，渗流场，稳定性，灰色关联．T O P S I S 加 权 虫直态堂亟主堂僮途塞 堂墨 坠￡ A B S T R A C T T h em a i nm i n i n go fS h i z h u y u a nY e ji w e iM i n ew a sl e a d - z i n cd e p o s i t f o r m e r l y ，w i t h t h er e s o u r c e se x h a u s t i n gd a yb yd a y ，f o r s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o ft h e e n t e r p r i s e ．a n d f u l lu s e p r e c i o u s m i n e r a l r e s o u r c e s ，t h e yp l a n e dt od e v e l o pC o p p e r - t i np o l y m e t a l l i cd e p o s i ta st h e s u p e r s e d i n gr e s o u r c e so fl e a d z i n co r e ，a n dt h ew a s t ed u m pi so p e np i t m i n e M a t c h i n ge n g i n e e r i n g ．H o w t oe n s u r et h ew a s t ed u m pt ob e e c o n o m i ca n ds a f e i St h e c h a l l e n g e t o e v e r y m i n e c o n s t r u c t i o n ．E s p e c i a l l y ，t h e w a s t e d u m ps l o p es t a b i l i t y i s b i g g e s t p r o b l e m ，a s i ti n v o l v e sm a n yf a c t o r s ，h a v ew i d ee f f e c t i o na n dl o n g d u r a t i o n ． T os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o n d i t i o no f t e r r a i no fY e ji w e i ，t h i sp a p e rc a m et ot h er e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o n so f w a s t ed u m p ，t h em a i n l yc o n t e n t sa sf o l l o w i n g 1 B r i n go u ti n i t i a lp l a n sb yt h ei n v e s t i g a t i o ng e o l o g i c a lc o n d i t i o no f m i n i n ga r e aa n ds t r i p p i n gv o l u m eo fo p e n P i tM i n e ，d e t e r m i n es t r i p p i n g w a s t er o c kd u m pi n t ow a s t ed u m p ，w h i c hl o c a t ei nt h en o r t ho fo p e n s t o p e ，t h e nf o u rs c h e m e sa r ep r o p o s e df u r t h e r 2 G e tt h er e s u l to fi n f i l t r a t i o ns u r f a c eo fs e e p a g ef i e l do fd u m p t h r o u g hf i n i t ee l e m e n t 3 T h r o u t hl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d w eg e tt h er e s u l t t h a tt h e m i n i m u ms a f e t yc o e f f i c i e n ta r e g r e a t e rt h a nt h e a l l o w a b l es a f e t y c o e f f i c i e n t 1 ．15 ．M i n i m u ms a f e t yc o e f f i c i e n to f e a c hs c h e m es o r t e df r o m s m a l l e s tt o l a r g e s t f i r s ts c h e m e ，s e c o n d s c h e m e ，t h i r ds c h e m e ，f ．o n h s c h e m e ，h o w e v e rt h em i n i m u ms a f e t yc o e f f i c i e n to ft h ew h o l es l o p eo f t h i r ds c h e m eg r e a t e rt h a nt h a to ff o r t hs c h e m e 4 U s i n gg r a yc o r r e l a t i o n - w e i g h t e d T O P S I Sm e t h o di nt h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n o fd u m pp r o g r a m m e s ，t h er e s u l ts h o wt h a t w h i c h e v e rt o o t h e dw ea d o p t e dt og e tt h em i n i m u ms a f e t yc o e f f i c i e n to f e a c hs c h e m e ，t h et h i r do n ea l w a y sb et h eb e s ts c h e m e ． I I 生由态堂亟堂焦迨塞鱼昌曼墅坠￡ 5 Ba s e d o nr e s e a r c h r e s u l t ss h o wa b o v e ，w er a i s e dR e a s o n a b l e d u m p i n gt e c h n o l o g ya n dp r o g r a m m e ，w a s t e D u m pr e c l a m a t i o np l a n sa n d p r o g r a m m e s T h i sp a p e rc o n t a i n s6 9f i g u r e s ，16t a b i e s ，7 8r e f e r e n c e s ． K E YW O R D S o p e n p i t ，w a s t ed u m p ，o p e n p i tm i n e ，s e e p a g ef i e l d ，s t a b i l i t y ， g r a yc o r r e l a t i o n w e i g h t e dT O P S I Sm e t h o d I I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 研究内容及研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 排土场地质条件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 排土场自然地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．1 地理位置与交通状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 。1 ．2 自然地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．3 经济概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1 ．4 自然气象概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 主要设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 ．1 建设规模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 ．2 产品方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．3 开采方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．4 露天最终境界圈定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．3 ．5 露天最终境界参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．3 ．6 服务年限⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．7 工作制度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．8 矿床开拓运输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．4 排土场方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．1 排土场容积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．2 排土场场址选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．3 排土场方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 排土场地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．1 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 地层岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．5 ．4 地震效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．5 ．5 不良地质作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 排土场渗流场分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．1 场区渗透特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 渗流计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 有限单元法渗流场数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．1 有限元基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．2 伽辽金法方程转换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 边界条件处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 剖面选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．6 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 排土场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．2 排土场稳定性影响因素及分析的基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 排土场地基的工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．2 排土场场区域内的水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．3 地震与爆破震动影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．4 排土场的散体物料的基本性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 排土场的滑坡破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．1 排土场内部的滑坡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．2 沿排土场与基底接触面的滑坡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．3 排土场基底滑坡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 排土场稳定性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 ．1 稳定性计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 ．2 滑动圆弧的优化方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．3 排土场分析基本参数的准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．4 渗流的处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．5 允许安全系数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 排土场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．6 稳定性分析结果及结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 排土场方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 5 ．1 运用A H P 法确定指标权重⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 ．1 构造判断矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 ．2 确定评价指标权重及一致性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．3 计算权重向量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 加权T O P S I S ．灰色关联综合评判模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．1 建立初始评判矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．2 建立标准化决策矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．3 建立加权标准化决策矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．4 计算灰色关联系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 ．5 评价对象贴近度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．1 排土场方案综合评价指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．2 指标权重确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．3 评判矩阵确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．4 最优方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．4 露天矿境界圈定终了图及排土场相对位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 排土场排土工艺及安全⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．1 排土工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．1 运输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．1 ．2 转运⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．3 排土⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．1 ．4 排土场的堆排模式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．2 安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 7 排土场边坡防护、复垦及安全措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 7 ．1 排土场边坡防护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．1 ．1 排土场边坡防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．1 ．2 防护措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 7 ．2 排土场关闭与复垦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．2 ．1 排土场关闭⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．2 ．2 排土场复垦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 8 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 8 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 8 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 1 概述 1 ．1 课题来源与研究意义 湖南省有色金属控股集团有限公司柿竹园有色金属有限责任公司是由原湖 南柿竹园有色金属矿 由东波有色金属矿和柿竹园多金属矿于1 9 8 6 年7 月合并 而成 ，通过实施债转股改制，经国家经贸委[ 2 0 0 1 ] 第1 3 1 号批复，于2 0 0 1 年8 月成立湖南柿竹园有色金属有限责任公司，隶属于湖南省有色金属控股集团有 限公司。2 0 0 9 年1 2 月2 8 日，中国五矿集团与湖南有色金属控股集团实现战略 重组后，柿竹园公司也随之成为了世界五百强企业中国五矿集团的重要一员， 同时也是湖南省国资委的监管企业。该矿是我国已经探明的地质资源储量最大 的多金属矿山 可回收利用元素和矿物包括钨、钼、铋以及黄铁矿、铅锌矿、 萤石 ，采矿许可证号4 3 0 0 0 0 9 9 4 0 1 7 5 ，发证单位湖南省地质矿产厅，发证日期 1 9 9 9 年9 月1 5 日，有效期限2 0 年，自1 9 9 9 年9 月至2 0 1 9 年9 月。现在已探明 的矿物有1 4 3 种，有世界地质博物馆之称。公司属国家大二型采选冶联合企业， 野鸡尾矿区为其中一个矿区，原来主要开采铅锌矿，现铅锌矿资源将近枯竭， 为保证公司有序可持续发展，充分利用宝贵的矿产资源，拟对野鸡尾铜锡多金 属矿床作为铅锌矿体的接替资源进行开发。 按照柿竹园有色金属有限责任公司要求，初次设计开采规模为6 0 0 t ／d ，开采 对象主要为野鸡尾矿区铜锡多金属矿床3 0 号、3 l 号和3 2 号矿体的表内铜锡多 金属矿。开采目的是为铜锡多金属矿选矿工业试验提供试验原矿，如果试验成 功，将来开采规模可能扩大到3 0 0 0 f f d 。而柿竹园排土场是铜锡矿开采工程的配 套工程。 中国是多露天矿国家，在露天矿开采的过程中，需将剥离掉的表土和岩石 运输并排弃于专设的场地，这种场地就是排土场，或者被称为废石场【l 】。排土过 程中，会形成的至少一个临空面，就是边坡。随着露天矿排土量越来越大，排 土场的高度的增加，因此一旦当排土场边坡出现滑坡失稳，将对矿山生产人人 和设备的安全造成严重威胁，极大的影响矿山的生产活动。因此在矿山经营 中，排土场稳定性就显得尤其重要。另外，排土场的堆排量增大，占用面积增 加，尤其当需要征地来设置排土场，如何经济合理的设计排土场，对于矿山效 益来说显得格外重要。 本文以研究排土场稳定性为主，通过方案比对，确定最优排土场参数，并 采取合理的堆排措施，对柿竹园露天矿排土场的进行综合评价。研究成果可为 国内相似露天矿的排土场工程提供宝贵理论经验。本课题的完成和推广所产生 的良好的经济、社会和环境效益，将对露天矿排土场开发利用方案的优选具有 重要指导作用。 1 ．2 国内外现状 随着技术的发展，排土场的排土作业已从汽车和铁路运输逐渐发展为大型 高效的胶带运输，同时随着机械化发展，露天矿的规模越来越大，因此排土场 排土量和堆高的增大，排土场的稳定性开始变得极其重要。 国外矿业发达国家都十分重视排土场的建设生产以及复垦工作。欧美发达 国家对于排土场的研究主要侧重在对国土资源的保护和对环境的美化与协调。 例如在英国上世纪八十年代就有了按照城镇规划法和总体开发程序 的对其国内的矿山排土场实施复垦及风景再造的规划，如马克哈姆麦因煤矿， 开采刚开始就实施了高水准的复垦工程，使土地利用与风景规划有机结合，复 垦后的土地风景秀丽，不仅避免了土地的破坏，更实现了被破坏地的再利用； 美国和加拿大都十分注重排土场的复垦工作，只要排土场开始形成就必须立即 开展，前者更是将其法规化强制实施，两国从国土水土保持及复垦角度出发， 规定了排土场坡度的变动必须控制在2 2 0 到2 6 0 之间，所以排土场边坡失稳现象 很少。上述国家在环境保护和复土再造方面考虑较多，因此在排土场工程中， 相对国内来说，要求坡度很缓，所以大都能满足其稳定性要求，所以并没有对 排土场稳定性的研究工作进一步深入。 由于与上述发达国家的价值观念及生产力水平存在较大差异，我国的矿山 排土场稳定性研究及治理与他们也存在较大的区别，相对于他们在此领域里的 研究，我国矿山边坡稳定性研究，虽然起步较晚，但是直至今天，已经形成了 自己独特的有效的技术方法和评价理论并积累了大量经验，总体水平较高，处 于国际较高水平。但是，我们要看到，从整体技术水平比较来看，差距依然十 分巨大，尤其是在经济效益和可持续发展方面与发达国家相比有很大的差距。 目前为止，排土场边坡稳定性分析的方法有很多，主要有以下几种方法 极限平衡法，是一种相对传统，应用最早，同时比较成熟的边坡稳定性分 析方法，其原理是根据作用于边坡岩土体中潜在破坏面上块体沿破坏面的抗剪 力与该块体沿破坏面的剪切力之比，求得该块体的稳定性系数。该方法体现了 连续与离散的统一，从先前的刚体平衡分析到现在的变形分析方法以及非线性 分析，其核心是条分思想。由于对条块假定的受力不同，或认为采用的模式存 在差异，极限平衡法主要有F e l l e n i u s 法【2 J 、毕肖普 B i s h o p 法1 3 ‘5 】、简布 J a n b u 法【6 - 引、剩余推力法【9 ’1 0 】、萨尔玛 S a r m a 法[ 1 1 - 1 2 】、摩根斯坦普莱斯 M o r g e n s t e m ．P r i n c e 法1 1 3 ’1 4 J 等。极限平衡法简单易懂，易于计算，虽然方法陈 旧，但仍是现在应用最多的分析方法之一。 数值分析方法，随着计算机技术的发展，采用数值计算理论原理分析复杂 的大型岩石工程越来越成为现实。目前比较有代表性的分析方法有有限元法 [ 1 5 - 1 6 ] 、边界元法【1 7 ．18 1 、块体理论【1 9 - 2 0 ] 、离散元法【2 1 ’2 2 1 和有限差分法【2 3 剀等等。 但是在实际的边坡稳定性分析中，还需结合其他理论方法一起应用，因此应用 较为复杂，另外还存在着其他缺陷，比如有限元法，理论发展较为成熟，能 较好的反映边坡土体的应力一应变关系、不连续面、土层的界面、应力分布特 点和规律、破坏趋势等，但是对于边坡的整体考虑尚有欠缺；边界元法，虽然 计算精度较高，缺点是对岩体的非线性、各项异性和特殊界面等处理不够；离 散元法，其核心思想是离散化，认为离散后的单元是刚体，即变形忽略不计， 因此适用于块体结构或碎裂结构的边坡稳定性分析，不适合本文研究的内容； 有限差分法，结合了有限元以及离散元的优点，但是致命缺点是对整个边坡的 稳定状况无法给出信赖的安全系数，只能对整个边坡的趋势进行分析；不连续 变形分析 D D A 块体理论，与离散法有些类似，通过不连续面问的约束建立 整个体系的平衡，不同的是没有将块体简单的认为是刚体，即考虑到其变形特 点，然后利用数学方法，将相关的块体进行定义，使之成为对集合的处理。 图解法【2 5 。2 9 J ，可分为诺模图法以及赤平投影图法，该类方法的其实是数理 分析方法的简化，主要利用关系曲线图来表现与边坡稳定有关参数的关系，并 以此得出安全系数，其主要应用于土质类的边坡和全风化的弧形破坏面的边坡 稳定性分析中。本文研究对象为散体未风化岩块为主边坡，因此不适用此种方 法。 非确定分析方法，上世纪8 0 年代末，～方面人们开始意识到影响边坡稳定 的因素，不只是由边坡的自然因素所决定 如岩石力学参数、边坡参数、降雨 条件，自然地震等 ，而且由人为的不确定因素决定 如排土工艺、采场爆破 震动、样品选取、试验的统计等 ；学科交叉的兴起，许多与现代科学有关的 方法和理论结合到边坡稳定性分析中，如模糊理论口o 。1 1 、可靠性理论[ 3 2 - 3 3 】、灰 色理论【3 4 - 3 5 1 、神经网络【3 6 ．3 7 1 、可拓理论[ 3 8 - 4 0 l 等。但因为概率统计理论应用必须 符合重复试验的要求，且试验前提不能有变化，而地质结构和岩体参数分布在 空间上存在很大差异，时间上更无法一致，所以岩体本身的随机性应用似乎存 在着牵强附会。 物理模型法【4 l 喇J ，是一种较形象直观的边坡稳定分析方法，是利用相似比 理论，在实验室内对目标边坡的复制，然后通过加载、测试相关参数等手段对 其进行情景再现，最大限度的模拟边坡现场情况，然后分析判断边坡的稳定 性。虽然物理模型分析法能通过掌握实际边坡的主要因素进行模拟，却存在着 不可忽视的缺陷地下水对边坡的影响很难通过模拟重现、加载方法以及加载 量都是难以控制、模拟实验的费用很高。 现场检测法【4 5 郴J ，无论是以上何种分析方法，最终的结果得验证都要通过 现场检测进行验证，其主要是为了获得边坡位移，再通过处理，得出变化规律 和趋势，该方法最要是作为监测和验证的手段。 分析边坡稳定性的方法很多，各有其特色，各有优缺点，其中极限平衡法 较其他方法更适用于本文所研究的柿竹园多金属露天矿区排土场边坡问题的分 析和研究。 1 ．3 研究内容及研究方法 1 ．3 ．1 研究内容 本次研究以柿竹园有色金属有限责任公司野鸡尾锡多金属矿为依托矿山， 以野鸡尾排土场工程边坡为研究对象，从现场调查、理论分析等角度对边坡的 稳定性问题进行分析，主要研究内容包括 1 了解野鸡尾矿区及排土场区域基本概况； 2 露天矿的剥离量，提出排土场方案； 3 分析影响边坡稳定性的主要因素，尤其是渗流对边坡稳定性的影响； 4 对排土场方案进行基于灰色关联．A H P 的优选； 5 提出经济合理的排土工艺； 6 提出经济合理的边坡防护措施和复垦措施。 1 ．3 ．2 研究方法 1 以野鸡尾多金属露天矿排土场为工程依托，进行现场调查，并收集、 整理相关领域最新文献资料； 2 分析并总结该领域资料，了解柿竹园排土场边坡的特点，在此基础上 分析边坡稳定性的主要影响因素； 3 通过有限单元法得出地下水浸润面，为稳定性分析提供条件； 4 应用极限平衡法得出最小安全系数； 5 应用灰色关联．A H P 得出最优方案； 6 在上述研究内容基础上提出经济合理的边坡防护策略。 ◇ 医磊磊磊 。 图1 - 1 研究方法路线图 2 排土场地质条件分析 2 ．1 排土场自然地理概况 2 ．1 ．1 地理位置与交通状况 湖南省有色金属控股集团有限公司柿竹园有色金属有限责任公司 以下简 称“柿竹园矿” 所辖矿区地处南岭山脉中段，行政区划属湖南省郴9 H 市苏仙区。 矿区位于湖南省郴州市南东约2 6 k m 图2 ．1 ，地理坐标为东经 1 1 3 0 0 7 ’3 0 ”～1 1 3 0 1 0 ’4 l ”，北纬2 5 。4 2 ’1 3 ” 2 5 0 5 5 ’4 6 ”，采矿权范围面积 3 4 ．8 4 1 9 k m 2 。野鸡尾铜锡多金属矿床东邻野鸡尾铅锌矿床，西与柿竹园钨锡钼铋 矿床相接。 矿区交通方便，郴州市至矿区有公路相通，由郴州市经转京广铁路、高速 铁路和京珠高速公路可达全国各地，交通较为便利。 2 ．1 ．2 自然地理概况 柿竹园矿区地处南岭山脉中段的西山山脉与五盖山山脉之间。东部西山山 脉高山耸立，最高峰狮子口海拔标高1 9 1 3 ．8 m ；西部五盖山山脉与西山山脉相对 峙，地势险要。 柿竹园矿区东、南、西三面环山，北面为丘陵区，地势开阔，呈簸箕状。 东西两侧由近南北走向的山脊组成，东侧山脊标高最低海拔5 2 2 m ，最高海拔 1 5 8 9 m ，西侧山脊标高1 8 2 ．6 m ，最高海拔11 8 1 ．4 m ；矿区南部地势较高，属侵蚀 构造中高山地貌区，最低海拔7 5 0 m ，最高海拔1 9 1 3 m ；矿区北部地势较低，属 侵蚀堆积地貌区和侵蚀构造低山丘陵区，最低海拔1 3 3 m ，最高海拔5 0 1 m 。 2 ．1 ．3 经济概况 矿区范围属于郴州市苏仙区管辖地域，区内主要以柿竹园矿及其它乡镇矿 山企业的矿业经济活动为主。柿竹园矿人口约1 万人，主要居住于柿竹园、东波 两处住地。采矿活动以地下开采为主，有4 大采区6 个工区、4 个选矿厂 柴山 选厂、野鸡尾选厂、1 0 0 0 t 选厂、三八0 工区选厂 和3 个冶炼分厂。 当地农村居民以小村落居住为主，人少田多。农作物以水稻为主，次为甘 薯、小麦、玉米和马铃薯；经济作物有大豆、甘蔗、茶叶、花生、柑桔等。农 牧场大部分位于东河右岸，该区现已辟为大片鱼塘，面积O ．5 3 8 k m 2 。 排土场区域内人迹罕至未见居民点及生活迹象。 图2 - 1 8 0 t i nO 8 0 毓I 瑚咖 t．。．。．。．。，。．。J。．。。．．。。．．．、J。。』 图2 - 1 矿区交通位置 7 2 ．1 ．4 自然气象概况 本区域具有亚热带与温带过渡性气候特征。东南亚季风环流对本区有明显 控制，亦受西北寒流侵入所影响，故总的气候特征是四季分明，季节温度变 化较大，降雨量充沛。年平均降水量18 6 2 ．6 m m ，年最大降水量2 2 4 7 ．6 m m ，年 最小降水量9 0 1 ．6 m m 。 本区域内的年蒸发量略少于总降雨量。蒸发强度基本上随气温变化，一般 5 - 9 月蒸发量占全年6 0 ％左右，以7 月份最大，平均达2 0 0 m m 以上。但因矿区 东南西三面属高山地区，气温略低，阴雾时间较长，植被发育，故年总蒸发量 较丘陵区少，年平均蒸发量约1 5 2 6 ．1 m m 。年平均相对湿度7 9 ％～8 5 ％，与气温 变化相反。 全年温暖时间较长，一般4 - 6 月平均气温在1 6 。C 左右，其中7 ～8 月份气温 最高，月平均气温2 6 。C 左右，最高达4 3 ．3 。C 。低于年平均气温的时间为11 月 至次年3 月，1 月气温最低，月平均近6 0 C 左右，最低极端温度为．9 ．0 0 C 。7 ～8 月间出现短期酷暑，1 2 月至次年1 月间受西北寒流侵入而出现短期冰冻。年平 均气温约1 6 ．5 0C 。 2 ．2 开采现状 柿竹园有色金属有限责任公司于2 0 0 7 - 2 0 0 8 年期间对野鸡尾铜锡多金属矿 体进行露天开采，开采标高由8 9 3 m 降至8 8 1 m 水平。目前，公司为了给铜锡多 金属矿选矿工业试验提供试验原矿，重新对铜锡多金属矿进行试验性露天开 采，部分范围开采标高降至8 7 5 m 水平。 矿山采用公路一平硐溜