滑坡体下挂帮矿开采方案与分析.pdf

第 25 卷 第 5 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.5 2006 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2006 收稿日期收稿日期2004–12–15；修回日期修回日期2005–03–23 基金项目基金项目国家重点基础研究发展规划973项目2002CB412702 作者简介作者简介李 辉1981–，男，硕士，2005 年于中国科学院武汉岩土力学研究所获硕士学位，主要从事滑坡灾害方面的研究工作。E-mailrc39 滑坡体下挂帮矿开采方案与分析滑坡体下挂帮矿开采方案与分析 李 辉 1，邓建辉2 1. 中国科学院 岩土力学重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065 摘要摘要象鼻山采区是大冶铁矿东露天采场拟开采的 4 个挂帮矿开采点之一，其地质条件复杂，北帮边坡曾经发生 过滑坡。挂帮矿的开采是否会诱发古滑坡体的再次失稳，如何保证挂帮矿资源的安全回收，是采矿作业不可回避 的问题。简要介绍采区边坡的地质条件和滑坡历史，预测挂帮矿开采期间边坡的稳定状况，提出利用预留矿石挡 墙控制边坡变形与稳定的开采方案，采用 FLAC3D软件进行计算，并对开采顺序进行优化。开采结果表明，预留 矿石挡土墙方案可以提高边坡的稳定性，开采期间没有发生灾难性滑坡，但变形量级远大于分析结果。 关键词关键词数值分析；挂帮矿；滑坡体；开采方案 中图分类号中图分类号O 241 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200605–0985–06 MINING SCHEME AND ITS ANALYSIS OF A HANGING-WALL ORE BELOW A LANDSLIDE LI Hui1，DENG Jianhui2 1. Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences， Wuhan，Hubei 430071，China；2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University， Chengdu，Sichuan 610065，China AbstractXiangbishan is one of the four sites for hanging-wall ore mining in the east open pit of Daye Iron Mine. Its geological condition is unfavorable and a landslide occurred once in its north slope. The hanging-wall ore to be mined is just located below the old slide，so whether the slide will be reactivated and how to control its deation and stability are the key issues to be solved during mining operation. The geological condition and landslide history of the north slope are briefly introduced. It is predicted that the slope stability will be further worsened during the hanging-wall ore mining operation；so a mining scheme is proposed，which will keep some iron ore and use it as a retaining wall to control the deation and stability of the slide. FLAC3D is used to verify the feasibility of the above scheme and optimize the mining sequence. The scheme is proved to be successful by mining practice and the iron ore retaining wall can efficiently improve the slope stability with no disastrous landslide occruing during mining operation. However，the measured deation is greater than the predicted one. Key wordsnumerical analysis；hanging-wall ore；landslide；mining scheme 1 引引 言言 大冶铁矿东露天坑自西向东由象鼻山、狮子山 和尖山 3 个矿段组成，经过 40 余年的开采，已于 2000 年闭矿，其境界外矿量将使用地下开采回收[1]。 为实现露天转地下的顺利过渡，矿山拟开采回收露 天坑的部分挂帮矿资源[2 ，3]，象鼻山采区是大冶铁 矿拟开采的 4 个挂帮矿开采点之一。 象鼻山采区的地质条件复杂，其北帮边坡曾于 986 岩石力学与工程学报 2006 年 1979 年 7 月 11 日发生了约 7104 m3的滑坡，开采 工作被迫终止， 并于 1980 年提前闭坑， 并回填采坑 至高程 60 m 以维持边坡稳定[4]。 挂帮矿的开采是否 会诱发原滑坡体的再次失稳，如何保证挂帮矿资源 的安全回收，是采矿作业不可回避的问题[1 ，5]。 本文简要介绍了采区边坡的地质条件和滑坡历 史，预测了挂帮矿开采期间边坡的稳定状况，提出 了利用预留矿石挡墙控制边坡变形与稳定的开采方 案，采用 FLAC3D软件[6 ，7]进行计算，并对开采顺序 进行优化。象鼻山的开采工作已于 2003 年 7 月结 束，安全回收挂帮矿资源 3.84105 t。 2 开采地质条件开采地质条件 图 1，2 分别为象鼻山北帮边坡的工程地质平 面图和 1–1 纵剖面图图 1 中坐标为大地坐标。 从图 1，2 可以看出，象鼻山北帮边坡自上而下出露 的地层[5 ，8，9]为 人工堆积物 h Q ， 强风化透辉石闪 长岩 5 w δ，高岭土绿泥石化闪长岩 2 kc δ，铁矿体 Fe，透辉石闪长岩 5 δ 。其中， 5 δ，Fe为块状结 构，其强度和完整性都较好。 北帮边坡构造复杂，F25断层是区内关键性结 构面。该断层规模大、延伸长且深，产状为N30 ～ 40W/SW∠75 ～80 ，破碎带宽度为30～33 m，如 将断层影响带计算在内破碎带宽度可达40～50 m。 断层岩性极不均匀，在挤压破碎和成矿热液作用下 闪长岩体发生强烈蚀变，岩体成碎块状，节理、劈 理发育，故岩体整体性差，强度低。断层破碎带内 小断层和节理也十分发育。 北帮边坡稳定问题受F25断层控制。自1979 年7月发生滑坡至今，原开采台阶已荡然无存，目 前自然边坡坡角上部为30 ～48 ， 下部为64 ～68 ， 呈上缓下陡的凸形坡。挂帮矿开采范围为位于老滑 坡体下高程36～18 m处的铁矿体，其开采过程实际 上是边坡加深加陡的过程。工程类比分析、地质力 学分析和数值分析结果均表明，边坡的稳定性较 差[5 ，8，9]。 因此， 需要制定合理的开采方案控制边坡 的变形，以提高边坡的稳定性。 3 开采方案论证开采方案论证 3.1 开采方案开采方案 由于挂帮矿矿量不大，开采时间较短，开采之 前对边坡进行大规模削方减载或加固在经济上是不 合理的。因此，需要寻求一种通过调整开采工艺控 制边坡变形与稳定的方法，以保障开采期间的人员 图 1 工程地质平面图 Fig.1 Plan of engineering geology 高程单位m 第 25 卷 第 5 期 李 辉等. 滑坡体下挂帮矿开采方案与分析 987 图 2 1–1 纵剖面图 Fig.2 Longitudinal cross-section 1–1 和设备安全。 根据地质调查结果，磁铁矿体的强度较高，完 整性较好，预留4～6 m矿体构成矿石挡土墙有可能 起到控制边坡变形与稳定的作用。下面将应用 FLAC3D对该方案进行计算。 3.2 矿石挡土墙作用分析矿石挡土墙作用分析 开采方案剖面及观测点布置如图3所示，开采 方案如下 方案1开采至高程18 m，铁矿全部采完，不 预留铁矿体作为挡墙； 方案2 开采至高程18 m， 坡脚预留4～6 m厚 铁矿体作为挡墙。 图 3 开采方案剖面及观测点布置 Fig.3 Mining schemes and control points 计算范围为280 m310 m247 m，x 轴正向方 位角为145 ，取值范围为0～280 m；y 轴正向方位 角为35 ， 取值范围为－30～280 m； z 轴正向为竖直 向上，取值范围为－50～197 m。计算模对型 地质条件作了适当的简化，高岭土绿泥石化闪长岩 2 kc δ的性质与F25断层类似，合并为同一种材料。 计算共考虑了5种地质材料人工堆积物 h Q 、 F25断层、强风化透辉石闪长岩 5 w δ、透辉石闪长 岩 5 δ 、铁矿Fe。计算模型如图4所示。各地质 材料全部用四面体网格进行划分，计算参数如 表1[5 ，9，10]所示。约束边界条件均为位移边界条件， 即在 x 0 m和 x 280 m边界上施加 x 轴方向的位 移约束；在 y －30 m和 y 280 m边界上施加 y 轴 方向的位移约束；在 z －50 m边界上施加 z 轴方 向的位移约束。 图 4 计算模型 Fig.4 Calculational model 计算时不考虑构造应力，只考虑重力；所有四 面体单元均采用理想弹塑性本构模型，即Mohr- Coulomb屈服准则。具体的计算方法是先在未开挖 的情况下采用FLAC3D软件计算至平衡状态；然后 将位移置零，并将开挖单元置空单元，继续计算， 得到新的应力场及位移等计算结果。 两种方案的观测点见图3位移值如表2所示， 位移矢量对比如图5所示，塑性区对比如图6所 示。最大位移出现在F25断层内，方案1最大位移 为812 mm，方案2最大位移为63 mm。两种方案 位移之间有量级差别，说明预留4～6 m厚铁矿体作 为挡土墙能有效地控制边坡的位移量和塑性区范 围，提高边坡的稳定性。 4 开采顺序的优化开采顺序的优化 高程18～36 m处铁矿体原计划分2层开采， 开 采顺序如图7所示，即按开挖步1，2，，12顺序 开采。由于开挖步2和4将使老滑体的坡角较早暴 露，同时开采爆破对边坡岩体由扰动作用，因此生 高程/m 988 岩石力学与工程学报 2006 年 表 1 计算参数[5 ，9，10] Table 1 Calculational parameters[5 ，9，10] 抗剪强度 岩性 密度ρ / kgm －3 变形模量 E/GPa 泊松比ν c/kPa ϕ / 抗拉强度 Rt / kPa 透辉石闪长岩 2 750 20 0.24 550 40 700 强风化透辉石闪长岩 2 550 5 0.30 250 34 0 铁矿 4 200 25 0.24 500 40 500 F25 断层 2 450 3 0.30 60 25 0 人工堆积物 2 450 1 0.34 15 23 0 表 2 观测点位移值 Table 2 Displacements of observation points mm 方案 1 方案 2 观测点 y 轴方向 位移 z 轴方向 位移 总位移 y 轴方向 位移 z 轴方向 位移 总位移 1 －20.6 －13.48 25 －4.34 －3.89 6.0 2 －183.4 －121.90 234 －9.24 －6.0211.5 3 －342.0 －280.40 451 －19.30 －12.7023.8 4 －433.8 －433.30 618 －33.90 －20.6040.2 5 －620.1 －496.70 812 －48.60 －39.1063.3 a 方案 1最大位移 812 mm b 方案 2最大位移 63 mm 图 5 位移矢量对比图 Fig.5 Comparison of displacement of vectors a 方案 1阴影表示塑性状态 b 方案 2阴影表示塑性状态 图 6 塑性区对比图 Fig.6 Comparison of plastic zones 图 7 开采顺序示意图 Fig.7 Schematic diagram of mining sequences 第 25 卷 第 5 期 李 辉等. 滑坡体下挂帮矿开采方案与分析 989 产过程中对开采顺序进行了调整，即每层开采采用 缓靠帮的策略控制边坡的变形。调整后按开挖步1， 3，5，2，4，6，7，9，11，8，10，12顺序开采。 两种方案5观测点位移及总位移对比图分别如表3 和图8所示。从表3和图8中可以看出，调整后虽 然不能减少边坡的总变形量，但是可以延缓边坡变 形发展的时间，对安全回采是有利的。 表 3 5 观测点位移 Table 3 Displacements of the observation point No.5 mm 方案 1 方案 2 开挖步 y 轴方向 位移 z 轴方向 位移 总位移 y 轴方向 位移 z 轴方向 位移 总位移 1 20.404 14.861 25.71520.404 14.86125.715 2 26.440 19.787 33.63520.413 14.85325.718 3 26.452 19.782 33.64220.420 14.85125.722 4 29.010 21.976 37.05126.609 19.89733.841 5 29.021 21.978 37.06129.096 22.03437.157 6 29.492 22.370 37.68129.532 22.39737.731 7 29.591 22.435 37.80229.627 22.45937.847 8 38.824 30.426 50.15829.805 22.59138.071 9 38.860 30.445 50.18329.919 22.67638.215 10 45.906 36.743 59.70039.104 30.62650.491 11 46.070 36.884 59.91846.013 36.80559.825 12 48.612 39.114 63.32448.550 39.03463.227 图 8 5 观测点总位移对比图 Fig.8 Comparison of displacements of observation point No.5 5 实施效果实施效果 象鼻山采区2001年开始剥离回填废石，2002 年底回采至高程36 m时老滑坡体开始出现加速变 形迹象，后缘出现拉裂缝，并不断向东侧发展见 图1。其中5观测点实际监测位移达到了8 m[5 ，8]， 远远大于图8的预测变形。原因在于图8的变形是 基于连续介质理论的分析结果，而监测位移反映的 是边坡岩体的失稳变形。但是至2003年7月回采 结束，矿石挡土墙依然屹立，有效地阻止了大规模 滑坡的发生，安全回收铁矿石3.84105 t。 6 结结 论论 从数值分析和实际实施效果来看，可以得出以 下结论 1 相对于不预留铁矿体作为挡墙的方案1， 预留4～6 m厚铁矿体作为挡墙的方案2能显著地控 制边坡的位移量，对提高边坡的稳定性具有明显的 作用。 2 开采铁矿时，缓靠帮有利于稳定边坡，可 控制其变形发展，并可对预留的4～6 m厚铁矿体挡 墙起到一定的支撑和保护作用。 从象鼻山采区的成功经验来看，只要措施合理， 在滑体下安全回收矿石资源是可行的。 参考文献参考文献References [1] 郭廖武. 武钢矿山生产中的几个岩石力学问题[J]. 岩石力学与工 程学报，2002，2171 096–1 098.Guo Liaowu. Rock mechanics problems in the mining operation of Mining Inc. Limited of Wisco[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，217 1 096–1 098.in Chinese [2] 李斯基. 露天转地下开采不停产过渡的探讨[J]. 冶金矿山设计与 建设， 1999， 315 3–8.Li Siji. Discussion on transition from open mining to underground mining without shutdown[J]. Metal Mine Design and Construction，1999，3153–8.in Chinese [3] 李鼎权. 露天矿扩帮延深工程的设计与实践[J]. 化工矿物与加工， 2002，122–25.Li Dingquan. Design and practice of slope expansion and deepening in open-pit[J]. Industrial Minerals and Processing，2002，122–25.in Chinese [4] 陈英放，孙再南. 大冶铁矿象鼻山北帮边坡变形破坏及滑坡预 报[A]. 见 孙广忠编. 中国典型滑坡[C]. 北京 科学出版社， 1988. 115–119.Chen Yingfang，Sun Zainan. Deation and prediction of landslide of north slope at Xiangbi mountain，Daye Iron Mine[A]. InSun Guangzhong ed. Typical Landslides in China[C]. Beijing Science Press，1988. 115–119.in Chinese [5] 中国科学院武汉岩土力学研究所， 武钢矿业集团公司. 深凹露天 矿高陡边坡及滑体下回收挂帮矿的安全预测与控制技术[R]. 武 汉中国科学院武汉岩土力学研究所，2004.Institute of Rock and 0 10 20 30 40 50 60 70 12345678910 11 12 开挖步 总位移/mm 方案 1 方案 2 990 岩石力学与工程学报 2006 年 Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan Iron and SteelGroup COPP. Safety prediction and control technique of retrieving hanging wall ore below high-steep slope and sliding body at a deep open pit[R]. WuhanInstitute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences，2004.in Chinese [6] 寇晓东，周维垣，杨若琼. FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分 析[J]. 岩石力学与工程学报，2001，2016–10.Kou Xiaodong， Zhou Weiyuan，Yang Ruoqiong. Stability analysis of the high slopes of Three Gorges shiplock using FLAC3D[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，2016–10.in Chinese [7] Itasca Consulting Group，Inc.. FLAC3Dfast Lagrangian analysis of continua in three-dimensions，Version 2.1，user′s manual[R]. [s. l.] Itasca Consulting Group，Inc.，2002. [8] Min H， Deng J H， Wei J B， et al. Slope safety control during mining below a landslide[J]. Science in ChinaSer. E，2005，48Supp. 47–52. [9] 中国科学院武汉岩土力学研究所，武钢矿业公司大冶铁矿，武钢 矿业公司矿山研究院. 大冶铁矿狮子山象鼻山露采挖潜研究[R]. 武汉 中国科学院武汉岩土力学研究所， 1996.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Daye Iron Mine of Wuhan Iron and SteelGroup COPP， Institute of Mining Inc. Limited of Wisco. Research on the mining potentials of Shizi mountain and Xiangbi mountain at Daye Iron Mine[R]. WuhanInstitute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，1996.in Chinese [10] 许东俊，陈从新，徐宜保，等. 大冶铁矿东露天采场边坡岩体力 学参数研究[J]. 岩土力学，1999，20469–75.Xu Dongjun， Chen Congxin，Xu Yibao，et al. A study on the rock mechanical parameters of slopes in east open-pit stope of Daye Iron Mine[J]. Rock and Soil Mechanics，1999，20469–75.in Chinese 美国剑桥科学文摘美国剑桥科学文摘CSA开始收录岩石力学与工程学报开始收录岩石力学与工程学报 据悉，美国剑桥科学文摘Cambridge Scientific Abstracts，简称 CSA开始收录本刊。CSA 是美国文献出版公司属美 国著名的科技信息出版公司，总部设在美国马里兰州的 Bethesda 剑桥地区，目前为全世界 1 500 多家机构提供服务本次在 我国收录有 65 种期刊。这是继 EI COMPENDEX 收录后又一家国际检索机构对本刊收录，也是岩石力学与工程学报走 向世界的又一重要途径。CSA 简介如下 CSA 是美国 Cambridge Scientific Abstracts 公司出版发行、基于网络服务的文献信息检索系统，包含 70 多个数据库，主 要编辑出版科学技术研究文献的文摘及索引。该公司产品中既有印刷型期刊，也有各种电子版数据库；电子版数据库可通过 远程联机和光盘检索， 1998 年又推出基于互联网的数据库服务。 自 1962 年起， CSA 每年新增 25 万条记录， 现共约资料 648.7 万条，这些数据库覆盖了水科学与海洋学、生物科学与生物多样性、计算机科学与各工程学科、环境科学、材料科学以及社 会科学、人文艺术等领域。CSA 收录的时间为 1960 年至今，收录的文献类型为期刊论文、图书、会议论文、科技报告、 学位论文以及专著等。检索结果为文献的题录文摘信息。该系统具有如下特点 1 每日更新，帮助用户及时了解最新的研究成果； 2 可同时检索多个数据库及相关的因特网资源； 3 可保存、打印、E-mail 检索结果； 4 可记录检索历史，可为用户保存检索策略半年时间内； 5 为管理者提供数据库使用报告和用户登录记录。 CSA 数据库采用 IP 地址控制，用户访问时无需加装任何软件，任何一台接入校园网的计算机均可通过 Web 方式连接到 设于清华大学的镜像服务器进行检索，没有并发用户数限制，不需要用户名和密码。 网址。 本刊编辑部 2006 年 4 月 11 日