露天矿边坡脚与矿山设计.pdf

. 2 4 . 一一 . . . . .. . . . . . . . 口 . . 露天矿边坡角与矿 山 设计 马鞍山矿山研究院 李启豪 开采境界设计是露天矿设计中的关键之 一 。 对于生产矿山 , 若露天坑底位置 固定 , 境界随边坡角的确定而确定 , 目前边坡研究 中 , 已能较好地解决这一问题 。 而在设计新 矿山时 , 境界与边坡角均可能变化 , 比如多方 案比较 , 境界调整 , 最优化设计 , 以及矿山经 济分析等 , 都要求边坡研究 不仅要为开采矿 山提出既定深度下的合理边坡角 , 还要为新 矿山 设计提供一系列不同开采深度下的最佳 边坡角 。 显然 , 这是对目前边坡研究工作的 促进 , 使之与矿山总体设计紧密结合 , 对于 露天矿的设计与生产都将是很有利的 。 本文以某矿边坡研究为例 , 侧重讨论露 天矿最佳边坡角与开采深度的关系 , 及其在 矿山生产与设计中的应用 。 一边坡稳定性计算 依据某矿的工程地质 、 水文地质 、 岩体 强度条件等因素进行边坡稳定性分 析与计 算 , 首先找出既定开采深度下的合理边坡角 。 1 . 计算中的几个假定 1滑动面形状如图1 所示 , 滑体上部 为拉断破坏 , 其高度为 边坡由多层 、 含裂隙岩体组成时 , 该倾角为 岩层倾角或其他结构面倾角;当边坡由松 散介质组成时 , 其倾角尽 A 为与水平面成4 5 “ 零 。下段直 线倾角均与坡面成、 5 。 一 零 。 2 ‘。’ ’ 叭 护 ’J 一动 , 四 产、 一2 ‘。 2边坡稳定性按二维滑坡体计算 , 其 两侧摩擦力不计 。 H 。。 一 毕 ‘g ‘ 5 。 见 2/ 图1滑坡体稳定计算示意图 3计算中采用条块法 , 条块间接触力 的方向与下滑力一致 , 均平行于滑动面方 向 。 2 . 电算步骤 1 . 输入原始数据 将矿山地质剖面图包含边坡 、 地层线 、 断层 、结构 面 、 水位线等 , 以及节理 、 裂隙 、 层面产状 、岩体强度 指标 、 安全系数等数据输 入 , 然后计算条块与地质界线交点的坐标见 式中 C - 岩体的粘聚力多 中岩体内摩擦力多 丫岩石容重 。 当滑体沿断层面滑落时 , H 。。 ‘0 。 滑 动面上 、 下段均为与圆弧相切的直线 一, 中间 段为圆弧 。 当考虑到岩层倾角 、 滑体厚度 、 边坡角及坡高等因素时 , 滑动面经常是由一 或二段组成 。 上段倾角视实际情况而定 当 第h条地质界钱 州州州 气X , Y, 入3 X sT, 图2交点坐标计算示意图 ‘ 2 5 . .... .. .... ‘.二 ... .刁. ., 一一 一 曰 口 ‘ . 叫. . . ‘ . . - 图 2 本例采用TQ一1 6机进行计算 。 对于生产矿山 , 边坡位置已基本确定, 对新设计矿山 , 可先按类比法初定境界与边 坡角通过计算最终调至最佳 , 用插值法逐 点算出第 i条块与第h 条地质界线交点A ‘的 纵坐标 z〔 、,*〕一y, 十 厂 荟二孕 - y Z 一y ; J、2 一 A I 式中X 、 X 和y 、 y Z 分别为根据x 、值 选取的地质界线相邻直线段交点的坐标 。 在 图 2 中 , 所有点的横坐标均为顺边坡方向排 列的 , 且为单值X , y一一对应, 当地质界 线为环形时 , 则应分成两条计算 。 1 . 稳定性计算 1确定滑动面位置 如图 1 , 首先定 出稳定计算的起点A , 再根据假定计算滑动 面特征点 交点c 、 切点B或T 、 圆心。的坐标 x 。与y。等, 求出圆弧段半径R及 圆弧 方程 y 图3 条块重量计算示意图 4条块重量 参见图 3 , 条 块重量 G 闭按下式计算 卜 h G〔 ‘ 〕 习 G 〔 、,卜 E〔Z〔 h,*〕一 Z〔 h十; ,, 〕Z〔 、,、一〕 一Z〔 h一 ,‘一 〕 , 令 丫〔 h〕〕 “〔 b 五,‘〕 Z〔 h、,‘一,〕一 y 一1〔‘〕一 y 11〔‘一〕 合 Y〔 卜“’ R X 。一 X B/sin 日 A yy 。一 训 R “一 x 。一 x 式中 X 圆弧方程自变量; X 。 滑动面上切点B的横坐标 。 确定滑动面位置后 , 将滑体划分为N条 宽度为A的条块 , 第i条块位置为 式中 y , 匕 ‘〕 、 y , ;〔‘一〕分别为滑动面上 第￡点及第‘ 一 l 点的纵坐标, 丫〔 h〕、丫〔h、〕 第h及第hh层岩 石容重 。 X ‘二 X A十取。 A 式中 I 第i条块的序号, x A 滑动弧起点A的横坐标 , 2条块滑动面长度 直线段长度 L ‘ A/co s a‘ 圆弧段长度为 图4条块下滑力计算图 X A 1 人 X A 一 , 厂, y 尹‘ dx 5 条块下滑力及滑动面稳定系数计算 如图 4 , 自上而下对每一条块进行下滑 力计算 , 并求出最后一条块的下滑力几 , 显 然T o 二 。 。 由此值开始按下式计算第i条块下 滑力 T , G ,eo sa‘ T ‘一吸05 a ‘一,一。* 一 C i忿‘一 G ‘eos.。一u‘tg中‘ 一T卜sin a ‘一一a‘tg中‘ . 一一 L 式中 y‘ 圆弧方程y的导数 , 3条块滑动面倾角;直线段倾角a , 为 该直线与水平面的夹角 , 圆弧段倾角为 ai arotg y , 式中 C ;、 小 , 条块所在岩体的粘聚力和 内摩擦角 ; a、 、 a、一; 第i及i一 1条块倾角; T 、 T 、一、 - 第i及 l ’一D条 块下猾 力; u, 第i条块中水的浮托力 。 稳定系数按下式计算 K T 、 曰 , 乙C 乙 、 艺〔G 、eo sa‘ T ‘一sin a 一, 一a ‘ 一u , 〕 tg中 式中符号 同前 。 6确定危险滑动面 为 了找 出危险滑 动面位置 , 还应变换滑动面进行 计算 、 比 较 , 从而找到稳定系数最小的滑动面位置 , 即为边坡最危险滑动面位置 , 其稳定系数 K 值亦即为该边坡的稳定系数 。 稳定性计算终了时 , 所有A点及 D 点均 按假定条件组成滑动面 , 保留K值最小者并 贮存在机内; 电算结束时 , 即可输出危险滑 动面位置 、 安全系数 、 最佳边坡角及其位置 各点坐标等全部计算结果 。 用TQ 一1 6 机计 算边坡稳定性的流程框图见图 5 。 变 , 应再进行稳定计算 , 直到算出的K值等 于选用的K允为止K允值按具体矿山的 工程 地质 、水文地质、 岩石试验精度等因素综合确 定 , 则此边坡角郎为该矿山的合理边坡角 。 对于新矿山设计 , 因上述计算及推荐的 边坡角是在开采深度一定时所得结果 , 故使 用不够灵活 , 当深度稍有变动时便无法应用 。 为此 , 还必须找出边坡角与采深的关系 。 二建 立边坡角与开采深度的关系 在上 述稳定计算的基础上 , 作进一步分 析与计算 , 据其结果 , 得到安全系数K 1 . 2 不同矿山情况可取不同的值条件下的边坡 角与开采深度的关系 日 fH 。 K二1 。 开度采深H米3 0 日二fH 竹人 已知 故试 各级块、进坡线地田界线点的纵座标盯卜.1 ⋯ ⋯ 一 纂鬓 匡攒 石花妻 100‘一- 一 一甲一一, 一一叫- 。。 0 ;00 0 0900 0 边坡角p 图6 K三1 ‘2时 的日与H关系 图5边坡稳定计算框图 3 。 合 理边坡角的确定 经验算 , 若生产矿山边坡角不合理 , 可 按上述稳定计算结果进行适当调整 , 调整后 再验算 , ’ 直室找出该矿山的合理边坡角 。 边坡角p的调整幅度 , 依据稳定计算中 所选用的稳定系数允许误 差来确定 , 本例中 允许误差为主0 . 0 1 , 调整幅度为 士0 . 5 。 。 角 度调 整后 , 玻顶位置相应改变开采深 度 不 从图 6 可看出 1 一般说来,边坡角日随开采 深 度H 的减小而增加 , 当H4 6 。 时 , 随着H的减小仔 有迅速增大的趋势 。 2日与H的关系可用经验方程近似地 表示为 一指数函数日 二 f H , 本 例中形式为 b 日 二a eH 式中 a , 卜一与矿山具体情况有关的系数 。 通过上 述稳定性分析与计算 , 可以找到 某矿的日与H的经验回归方程 , 即 4 5 . 8 日“ 37 . 6e H 亩2 7‘ 在前述稳定性计算与电算程序中 , 由于 均已考虑了矿山的工程地质 、 水文地质 、 岩 体强度条件等因素对边坡稳定的影 响 , 所 以 , 当对某矿进行设计时 , 若由于某种原因 需要改变开采深度 , 则可按照上述经验方程 进行计算 , 也可以在图 6 中查找相应的最佳 边坡角 , 显然 , 这对矿山设计和生产都是很 灵活与方便的 。 三几点看法 1按照某矿工程地质 、 水文地质 , 岩 体强度等条件 , 本文得出的有关边坡角与开 采深度的关系经验方程或关系图 , 适用于 该矿山设计与生产的需要 。 对于其他矿山 , 该方 法可作为参考 , 每个矿山均可建立适合 本矿具体条件的日与H关系图或经验方程 。 2把日与H的关系表示为日f H , 简 便而可靠 , 易于 设计和现场人员掌握 、 应 用 。 当需要时 , 可随时计算和验算矿山各 部 位的边坡角 , 便于生产矿山进行边坡管理 , 利于矿山安全生产 。 3邓 二 f H关系 , 对于矿山二境界变 动 , 多方案比较 , 最优化设计 , 以及经济分 析等 , 都是不可缺少的 。 4边坡研究与矿山设计是紧密联系 、 不可分割的 。 如何清晰地揭示二者之 间的关 系 , 是值得进一步探讨的 问题 。 参考 文献 日中国科学 院岩土所 , 岩质边坡稳定 性试验研 究 与 计算方法 , 科学出版社 , 1 98 1 年 。 〔 2〕 马 鞍山矿山研究院 , 海南铁矿 边 坡稳定性研 . 究;报 告 , 1981年 。 〔 3〕 E . H o ek 、 J . W . Br ay , R oek昌 S lopeEngin e ering thein otitution o fmining an dm etallu rgy, L on do n , 19 77 。 上接第3 9页 中是要积累的 , 存在形式有无机钠盐 、 有机 钠盐 、 以及氢氧化钠等 。 碳酸钠以用 l公斤/吨 计时 , 其最高累积浓度可达o . n 。 另 S 。。 。 用量按1 . 5公斤/吨计时 , 其最高累积浓度也 达0 . 37 5 。 在选矿过程中 , 矿浆中含各种 离子浓度变化情况和对选矿结果 的影响 , 必须通过连续试验后才能得出较准确 的数 据 。 用循环水进行试验时 , 必须逐渐调 整药 剂条件 , 才能达到选矿最佳稳定状态 。 如急 速调整 , 虽可很快达到选矿指标 , 当循环水 再返回选矿流程后 , 很快就打破平衡又急需 调整药剂用量 。 如此周而复始 , 反而难以达 到稳定 。 所以必须逐渐调 整 。 胶磷矿 浮选时采用s 。。 8 为抑制剂 , s 。 。 成份复杂 , 对其组成分析与测试尚不能解 决 , 分子构造还不清楚 , 还无法采取有针对 性的治理方案去解决有关环保间题 。 从尾矿 水存在的情况看 , 经过治理后 , 使其达到排 放各项标准 , 无论在技术上或经济上都是非 常困难的 。 目前 , 国外对选犷厂尾矿水处理的发展 趋势是尾矿水不排放 , 澄清后循环使用 。 特 别是对单一有用矿物浮选或无反向作用药剂 的选矿 , 都是可行的 。 根据前述一些数据证 实 , 在胶磷矿浮选中采用石灰是可以达到预 期结果的 。 沉淀尾矿中因加入石灰而粘结性较好 , 从实验过程观察 , 石灰处理过 的尾 矿干燥后 比未经处理的尾矿 坚 固强度高数倍 。 对尾矿 堆坝创 造 了有利条件 。