D0I:10.13374/i.issn1001053x.2005.04.001 第27卷第4期 北京科技大学学报 Vol27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2005 大冶铁矿深凹露天开采最终边坡稳定性分析 宋卫东杜建华 谢正平马鹏娇 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 摘要针对大治铁矿东露天最终边坡的工程地质条件，结合实际的开挖步骤与顺序，采用 极限平衡理论和有限差分数值模拟两种方法，从分析开挖卸荷引起的边坡岩体应力、位移和 塑性区变化规律入手，对最终边坡的整体稳定性进行计算分析.结果表明，边坡安全系数大 于125，基本处于稳定状态.三个计算剖面上，由开挖引起的应力、位移和塑性区的分布和变 化规律基本一致，回填体不仅提高了边坡的稳定性，还为转入地下开采提供了所需的安全覆 盖层厚度 关键词露天矿：安全生产；边坡：稳定性 分类号TD214,1 大冶铁矿自西向东有六大体，其中象鼻 尚未形成较为成熟的工艺和理论.结合大冶铁矿 山、狮子山、尖山原为露天开采，现狮子山和尖山 东露天开采，分别采用极限平衡理论和有限差分 -168m标高以上露天采场境界外的矿体转为地 数值模拟方法进行最终边坡的稳定性研究，为下 下开采.所形成的高陡边坡深凹露天坑东西长约 一步确定露天转地下开采的错动边界提供理论 2400m,南北宽约1000m.狮子山矿段露天坑底 依据，以便采取相应工程措施以指导安全生产. 标高为-48m,现已回填到士0m形成转载场.露 天坑上盘标高一般170-270m,下盘为86-200m, 1边坡稳定性计算及分析 边坡角一般为38~43°，局部到53°，垂直高度230 1.1计算剖面和岩体力学参数选取 430m. 将边坡稳定性计算简化为平面应变问题，根 大治铁矿东露天经过“七五”和“八五”科技 据如下条件选取剖面：(1)计算剖面的选取要尽量 攻关，采取了陡帮开采等一系列技术.目前这些 垂直于边坡坡面：(2)不要增加过多的地质调查和 边坡受地质构造和大气降水等多因素的影响，造 填图的工作量，尽量采用前面已有的成果：(3)剖 成整体稳定性下降，而且局部已经发生了较大规 面要与下部采准工程建立必要的联系，要符合露 模的坍塌破坏.在这种情况下，又在其坡角和底 天转地下总体研究的要求. 部进行无底柱分段崩落法开采，无疑将对露天边 坡的稳定性产生极其严重的影响，有造成大面积 根据以上条件，选取了五个地质剖面，分别 岩体滑动或崩塌，并形成采场冲击地压的可能 为-1，-2，-3，V和剖面，其中-2剖面如图1 所示.采用的岩体力学计算参数见表1. 性.例如，铜官山矿西部矿体上盘边坡，由于坑内 1.2极限平衡理论计算结果 房间矿柱采用深孔崩落回采而发生陷落移动，折 本文采用启明星SLOP1.0边坡稳定性分析软 腰山铜矿曾发生过1×10m大滑坡，对安全生产 产生重大影响. 件，计算包括瑞典圆弧法和简化Bishop法两种算 法.计算结果见表2. 高陡边坡深凹露天矿转地下开采是一个新 课题，国内虽对部分问题进行过研究"”，但至今 从表2看出，平均的边坡安全系数在125~ 1.58之间，其中稳定性最差的是-3剖面的上盘 收稿日期：200410-29修回日期：200401-10 基金项目：教育部"新世纪优秀人才支持计划"资助项目No 边坡，安全系数为125，稳定性最好的是-3剂面 NCET-04-0102) 的下盘边坡，安全系数为1.58.但五个剖面上下 作者简介：宋卫东(1966一)，男，副教授，博士 盘的安全系数均大于最低的许用值12，说明大
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 大冶铁矿深 凹 露天开采最终边坡稳定性分析 宋 卫 东 杜 建华 谢正 平 马 鹏 娇 北 京 科技大学 金 属 矿 山 高效 开采 与安 全教育部 重 点实验 室 ， 北京 摘 要 针 对 大 冶 铁矿 东 露 天 最 终 边 坡 的工 程 地质 条 件 ， 结 合 实 际 的开 挖 步骤 与顺 序 ， 采 用 极 限平 衡 理 论和 有 限差 分 数值模 拟 两种 方 法 ， 从 分 析 开 挖 卸 荷 引起 的边坡 岩 体应 力 、 位 移 和 塑 性 区 变 化 规 律入 手 ， 对最 终边坡 的整 体稳 定 性进 行 计 算分 析 结果 表 明 ， 边 坡 安 全 系 数 大 于 ， 基 本 处 于 稳 定状 态 三 个计 算剖面 上 ， 由开 挖 引 起 的应力 、 位 移 和 塑 性 区 的分布和 变 化规律 基本 一 致 回填 体 不 仅 提 高 了边 坡 的稳 定 性 ， 还 为 转入地 下 开 采 提供 了所 需 的安全覆 盖 层 厚度 关键 词 露 天矿 安全 生 产 边 坡 稳 定 性 分 类 号 大 冶 铁 矿 自西 向东 有 六 大 矿 体 ， 其 中象 鼻 山 、 狮 子 山 、 尖 山 原 为 露 天 开采 ， 现狮 子 山和 尖 山 一 标 高 以上 露 天 采 场 境 界 外 的矿 体 转 为地 下 开采 所 形成 的高 陡边 坡 深 凹 露 天 坑 东西 长 约 ， 南 北 宽 约 狮 子 矿 段 露 天 坑 底 标 高 为 一 ， 现 已 回填 到士 形 成 转 载 场 露 天 坑 上 盘 标 高 一 般 一 ， 下 盘 为 一 ， 边 坡 角 一般 为 礴 ， 局 部 到 “ ， 垂 直 高度 · 大 冶 铁 矿 东 露 天 经 过 “ 七 五 ” 和 “ 八 五 ” 科 技 攻 关 ， 采 取 了 陡帮 开 采 等 一 系 列 技 术 目前 这 些 边 坡 受 地质 构造 和 大 气 降水 等 多 因素 的影 响 ， 造 成 整 体稳 定 性 下 降 ， 而 且 局 部 己 经 发 生 了较 大 规 模 的坍 塌 破 坏 在 这 种 情 况 下 ， 又 在 其 坡 角 和 底 部 进 行 无 底 柱 分 段 崩 落法 开采 ， 无 疑将对 露 天 边 坡 的稳 定 性 产 生极 其 严 重 的影 响 ， 有 造成 大 面积 岩 体 滑 动 或 崩 塌 ， 并 形 成 采 场 冲 击 地 压 的 可 能 性 例 如 ， 铜 官 山矿 西 部矿 体上 盘 边 坡 ， 由于 坑 内 房 间矿 柱采 用 深 孔崩 落 回采 而 发 生 陷落 移 动 ， 折 腰 山铜 矿 曾发 生 过 ‘ 大 滑 坡 ， 对 安 全 生 产 产 生 重 大 影 响 高 陡边 坡 深 凹 露 天 矿 转 地 下 开 采 是 一 个 新 课题 ， 国 内虽 对 部 分 问题 进 行 过 研 究 ‘ 一 ， 但 至 今 收稿 日期 一 修 回 日期 】 一 基金 项 目 教育 部 ” 新世 纪 优 秀人 才 支持 计划 ” 资助 项 目 。 叮 一 叫 作 者 简介 宋 卫 东 “ 一 ， 男 ， 副 教 授 ， 博 士 尚未 形成 较 为成 熟 的工 艺和 理 论 结合 大 冶铁矿 东 露 天 开采 ， 分 别采用 极 限平 衡 理 论和 有 限差 分 数 值 模 拟 方法进行 最 终边 坡 的稳 定性研 究 ， 为 下 一 步 确 定 露 天 转 地 下 开 采 的错 动 边 界 提 供 理 论 依 据 ， 以便 采 取 相 应 工 程 措 施 以指 导 安全 生产 边 坡 稳 定 性 计 算 及 分 析 计 算 剖 面 和 岩 体 力学参 数 选 取 将 边 坡 稳 定性 计 算 简化 为平 面应 变 问题 ， 根 据 如 下 条件 选 取 剖 面 计 算 剖 面 的选取 要 尽 量 垂 直 于边坡 坡 面 不 要 增 加 过 多 的地 质调 查和 填 图 的工 作 量 ， 尽 量 采 用 前 面 已 有 的成 果 剖 面 要 与 下 部采 准 工 程 建 立 必 要 的联 系 ， 要 符合 露 天 转 地 下 总 体研 究 的要 求 根 据 以上 条件 ， 选 取 了五 个 地 质 剖 面 ， 分别 为 ， 一 ， 一 ， ’和 ，剖 面 ， 其 中 一 剖 面 如 图 所 示 采 用 的岩 体 力 学 计 算 参 数 见 表 极 限 平 衡 理 论 计 算 结 果 本 文 采 用 启 明星 边坡稳 定性 分析 软 件 ， 计 算 包 括 瑞 典 圆弧 法 和 简化 叩 法 两种 算 法 计 算 结 果 见 表 从 表 看 出 ， 平 均 的边 坡 安 全 系 数 在 一 之 间 ， 其 中稳 定 性 最 差 的是 剖 面 的上 盘 边 坡 ， 安 全 系 数 为 ， 稳 定 性 最 好 的是 卜 剖 面 的下 盘 边 坡 ， 安 全 系 数 为 但 五 个 剖面 上 下 盘 的安 全 系 数 均 大 于最 低 的许 用 值 ， 说 明大 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．04．001
·386· 北京科技大学学报 2005年第4期 300 NTE罗 200 BD Ave 100 0 Tid4 -100 Fe 200L -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 图1I-2工程地质割面图（单位：m) Fig.I Engineering geology sectional profile 1-2(unit:m) 表1岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock mass 编号 岩性 容重kNm) 弹性模量MPa 泊松比 内聚力MPa 内摩擦角()抗拉强度MPa ① Td 25.5 5596 0.220 1.00-2.60 26-31 0.180.26 ③ Td, 25.7 6295 0.210 2.80 31 0.28 @ Td 25.3 5711 0.220 1.53-2.50 27-30 0.15-0.25 ⊙ Td 25.1 5574 0.230 1.98-2.2 26-28 0.20-0.22 BDSc 24.5 3648 0.300 0.60-2.10 3641 0.08-0.40 ⊙ BD8知 25.5 5640 0.250 1.87 31 0.19 ⑧ BD8 25.0 4355 0.280 1.65 30 0.16 SK 24.5 4164 0.290 1.49 29 0.15 ⑨ BD8 23.5 2161 0.270 0.35 28 0.09 Fe 40.4 5997 0.270 2.45 40 0.60 Qh 19.6 2000 0.125 0.35 28 0.03 断层 19.6 1943 0.220 0.35 0.01 注：①下三选系大冶群第四段大理岩：②下三迭系大冶群第三段大理岩：③下三迭系大治群第四段第一至第二亚段大理岩：④下 三迭系大冶群第五段第一至第三亚段大理岩：⑤高岭土绿泥石化中细粒含石英闪长岩：©钠钾长石化闪长岩：⑦黑云母透灰石 闪长岩：⑧的卡岩：⑨蚀变黑云母透灰石闪长岩 表2边坡安全系数计算结果 Table 2 Calculated results of safety factor the slopes -1剖面 -2削面 -3剖面 V'剂面 I剖面 计算方法 上盘 下盘 上盘 下盘 上盘 下盘 上盘 下盘 上盘 下盘 瑞典法 1.39 1.33 129 1.34 1.20 1.54 1.24 1.33 1.25 1.34 BISHOP法 1.50 1.41 1.40 1.42 1.30 1.62 1.33 1.40 1.35 1.43 平均值 1.44 1.37 1.34 1.38 1.25 1.58 1.28 1.36 1.30 1.38 冶铁矿目前的边坡基本上处于稳定状态，这与实 BISHOP法计算结果一般大于瑞典法. 际的情况是完全相符的 由于计算过程中无法考虑断层、节理、爆破 可以明显发现，采用瑞典法和简化BISHOP 震动等因素的影响，计算的精度存在一定的误 法计算的结果之间存在一定的差距，而且简化 差，故只能作为边坡稳定程度判断的初步依据
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 群︸ 、 厂石万 叭 年 ， ， 户 ， 、 一 言 功 厂 翌 ， ， 一 、 且愉 灭丫下 。 。 厂属卜 一 月 乙书兴 即 “ 犷 吕 ’ 廿 岛民 俨 户 厂 井 二 灯 犷 注 犷 ·节 图 工 程地 质剖面 图 单位 罗 吐 ，几 一 表 岩体 力 学参数 卜 比 编号 岩性 么 ， 出砚 ， 刁 赴 灿 凡 乙 断层 容重戊 · 一 弹性模量 泊 松 比 内聚力几刃 内摩擦 角 抗 拉强 度加田 八 少不内 刁佗礴 广户卜斗，自伪内，︸‘、月 ，山，自气‘气 ‘ ， ， 名 入 ， 石 ⑦⑧⑨③⑤⑥②④① 注 ①下 三 迭 系大冶群 第 四段大理 岩 ②下 三 迭系 大 冶群第三段大理 岩 ③下 三迭系大冶 群第 四段 第一 至 第 二 亚 段 大理 岩 ④下 三迭 系 大冶 群第五 段第一 至第三 亚 段 大理岩 ⑤ 高岭土 绿泥 石 化 中细 粒 含石 英 闪长岩 ⑥钠钾 长 石 化 闪长岩 ⑦ 黑 云 母 透 灰石 闪 长岩 ⑧矽 卡岩 ⑨蚀变 黑 云 母 透灰石 闪 长 岩 表 边坡 安全 系数计算结果 】 代 卜 剖 面 一 剖面 卜 剖面 ’剖面 ，剖 面 计 算方 法 上 盘 下 盘 上 盘 下 盘 斗内凡‘、 石门八、 上盘 ， 下 盘 凡﹃布、曰︸ 舟︼，、、 ‘，一、 … ，山八﹄、 内 甲 一内」飞兮翻，月 瑞 典法 ﹄ 法 平 均值 下 盘 上 盘 上 盘 ， 下 盘 乙︸气、﹃ 冶铁矿 目前 的边 坡基 本上 处于 稳 定状 态 ， 这 与 实 际 的情 况 是 完 全 相 符 的 可 以 明显 发现 ， 采 用 瑞 典 法 和 简化 法 计 算 的结 果 之 间存 在 一 定 的差 距 ， 而 且 简化 法 计 算 结 果 一般 大于 瑞 典法 由于 计 算过程 中无 法考虑 断层 、 节 理 、 爆破 震 动 等 因素 的影 响 ， 计 算 的精 度 存 在 一 定 的误 差 ， 故 只 能作 为边坡稳 定程度 判 断 的初 步依 据
Vol.27 No.4 宋卫东等：大冶铁矿深凹露天开采最终边坡稳定性分析 ·387· 2数值模拟计算及分析 格，B区划分为192个网格，模型网格46116个. 图中虚线代表岩性分界线，带圈的数字表示岩性 研究采用FLAC2D软件，该软件主要是为 编号，模型中下部分斜线填充体代表铁矿石，坡 岩土工程应用而开发的，包括了反映地质材料力 顶以及露天坑底的交叉线代表回填碎石土· 学效应的特殊计算功能，可计算地质类材料的高 2.2计算结果及分析 度非线性（包括应变硬化/软化）、不可逆剪切破坏 模拟计算主要记录不同开挖条件下模型的 和压密、粘弹（蠕变）、孔隙介质的应力一渗流耦 应力场、位移场和塑性区的变化过程，通过对比 合、热一力耦合以及动力学行为等，本研究的岩体 分析来评价边坡的稳定状况.模拟计算包括：形 以铁矿石、大理岩、闪长岩为主，均属于弹塑性材 成初始应力场：模拟开挖至露天坑底部48m水 料，计算采用Mohr-Coulomb屈服准则： 平：回填至0m水平. m。-2√品 /1+sing 现场的初始应力场中最大主应力为15.0 式中，，分别是最大和最小主应力，c,P分别是 MPa,位于模型的右下角部位.最小主应力为12.5 材料粘结力和摩擦角.当6≥0时，材料将发生剪 MPa,位于模型的中下部位. 切破坏. 开挖至0m水平时最大主应力的大小未发 21建模 生变化，仍为15.0Pa,而最小主应力降低到10.0 通过采准设计发现有-2、V”和VT三个剖面 MPa,由于断层Fs的存在，最小主应力发生不连 在露天转地下的开采范围之内，现仅以I-2剖面 续的变化，最大和最小主应力的分布规律是随着 为例进行简要说明. 深度的增加而增加，最大主应力的方向基本平行 -2剖面计算模型宽700m,高550m,模拟 于坡面，最小主应力基本垂直坡面.最大剪应力 至-300m.开挖引起的错动角设计值为60°，模型 出现在边坡的坡脚部位，大小为3.6Pa.在边坡 上盘边坡角43°，下盘边坡角为40°.按照设计值 下部的坡面和坡脚出现部分塑性区， 确定错动角，按最终采深为-120m计算，上盘预 开挖至48m水平时最大主应力增加到17.5 留安全距离130m,下盘预留安全距离226m.模 MPa,最小主应力的数值未发生变化，两者的分 型左右两侧限制水平位移，底部限制垂直位移。 布规律与开挖至0m水平时的规律基本相同，最 模型竖向荷载主要为自重荷载，侧压系数12，如 大剪应力出现在边坡的坡脚部位（图3），数值为 图2所示. 7.2MPa,较开挖至0m水平增加1倍.在转入地 边坡下盘有一条较大断层F25,模型在断层 下开采的原岩部位，应力场的方向变化较为复 附近分为A区和B区，竖向网格采用均等划分每 杂，最大主应力基本为水平方向，最大位移矢量 个网格竖向尺寸为3m.A区横向划分为60个网 出现在右侧边坡的坡脚，数值为118.8mm,方向 为斜向上.沿着两侧的边坡，位置越向上、越向岩 130.3 226 -350,250 体内部则位移矢量的大小越小，但方向均为指向 -195,250 410,250 露天边坡面，X方向位移具有明显的对称性，最大 F25 B 102 FLAC (Vermfon 3.30) lcaND 120 410,-300 21 4 图2剖面【-2计算模型简图 图3剪应力分布图 Fig.2 Schematic plot of the model profile I-2 Fig.3 Distribution of the shear stress
宋卫 东等 大 冶 铁 矿 深 凹 露 天 开 采 最 终 边 坡 稳 定 性 分 析 一 数 值 模 拟 计 算及 分 析 研 究采 用 软 件 【一 ， 该 软 件 主 要 是 为 岩 土 工程 应 用 而 开 发 的 ， 包 括 了反 映地 质 材料 力 学 效应 的特殊 计 算 功 能 ， 可 计 算地质类 材料 的高 度 非线 性 包 括 应 变 硬 化 软化 、 不 可逆剪 切 破 坏 和 压 密 、 粘 弹 蠕 变 、 孔 隙介 质 的应 力一 渗 流 祸 合 、 热一力 祸合 以及 动 力学 行 为等 本 研 究 的岩 体 以铁矿 石 、 大 理岩 、 闪长岩 为主 ， 均 属 于 弹 塑性材 料 ， 计 算 采用 ‘毛 屈 服 准 则 ， 必 。 厅平丽五石 一 一 伪 一一一下尸气二一 ‘ 厂百一一一下甲一丁 一 恻 丫 一 】 沪 式 中 ， 。 ， 仍 分 别 是 最 大 和 最 小 主 应 力 ， ， 分 别 是 材料 粘 结 力 和 摩 擦 角 当人七 时 ， 材 料 将 发 生 剪 切 破 坏 建 模 通 过 采 准 设 计 发 现 有 、 ，和 三 个 剖 面 在 露 天 转 地 下 的开采 范 围之 内 ， 现 仅 以 剖 面 为例 进 行 简要 说 明 剖 面 计 算 模 型 宽 ， 高 ， 模 拟 至一 开 挖 引起 的错 动 角 设计 值 为 ， 模 型 上 盘 边 坡 角 ， 下 盘 边 坡 角 为 按 照 设计 值 确 定错 动 角 ， 按 最 终采 深 为一 计 算 ， 上 盘 预 留安全 距 离 ， 下 盘 预 留安 全 距 离 模 型左 右 两 侧 限制 水 平 位 移 ， 底 部 限制 垂 直 位 移 模 型 竖 向荷载 主 要 为 自重 荷 载 ， 侧 压 系 数 ， 如 图 所 示 边 坡 下 盘 有 一 条 较 大 断层 ， 模 型 在 断 层 附近 分 为 区 和 区 竖 向 网格 采 用 均 等划 分 每 个 网格 竖 向尺 寸 为 区横 向划 分 为 个 网 一 厂 格 ， 区 划分 为 个 网格 ， 模 型 网格 个 图 中虚 线 代表 岩 性分 界 线 ， 带 圈 的数 字 表示岩 性 编 号 ， 模 型 中下 部 分 斜 线 填 充 体代 表 铁 矿 石 ， 坡 顶 以及 露 天 坑 底 的交 叉 线 代 表 回填 碎 石 土 计 算 结 果 及 分 析 模 拟 计 算 主 要 记 录 不 同开 挖 条 件 下 模 型 的 应 力 场 、 位 移 场 和 塑 性 区 的变 化 过 程 ， 通 过对 比 分 析来 评 价边 坡 的稳 定状 况 模 拟 计 算包 括 形 成 初 始应 力 场 模 拟 开挖 至 露 天 坑 底 部一 水 平 回填 至士 水 平 现 场 的 初 始 应 力 场 中 最 大 主 应 力 为 巧 ， 位 于模 型 的右 下 角 部位 最 小主应 力 为 ， 位 于模 型 的 中下 部 位 开挖 至士 水 平 时最 大 主 应 力 的大 小 未发 生变 化 ， 仍 为 巧 ， 而 最 小主 应 力 降低 到 ， 由于 断层 。 的存 在 ， 最 小 主 应 力 发 生 不 连 续 的变 化 最 大和 最 小主 应 力 的分布 规 律 是 随着 深 度 的增 加 而 增 加 ， 最 大 主应 力 的方 向基 本平 行 于 坡 面 ， 最 小 主 应 力 基 本 垂 直 坡 面 最 大 剪应 力 出现 在边 坡 的坡脚 部 位 ， 大 小 为 在 边 坡 下 部 的坡 面 和 坡脚 出现 部 分 塑 性 区 开 挖 至一 水 平 时最 大 主 应 力增 加 到 ， 最 小 主 应 力 的数值 未 发 生变 化 ， 两者 的分 布 规 律 与 开挖 至士 水 平 时 的规律基本 相 同 ， 最 大 剪 应 力 出现 在 边 坡 的坡 脚 部 位 图 ， 数值 为 ， 较 开 挖 至士 水 平 增 加 倍 在 转 入 地 下 开 采 的 原 岩 部位 ， 应 力 场 的方 向变 化 较 为 复 杂 ， 最 大主 应 力 基 本 为水 平 方 向 ， 最 大 位 移 矢量 出现 在 右 侧 边 坡 的坡 脚 ， 数 值 为 ， 方 向 为斜 向上 沿着 两侧 的边 坡 ， 位 置越 向上 、 越 向岩 体 内部 则 位 移 矢 量 的大 小越 小 ， 但 方 向均 为指 向 露 天 边坡 面 万方 ‘ 向位移 具 有 明显 的对 称 性 ， 最 大 图 剖面 计算模型 简图
·388· 北京科技大学学报 2005年第4期 位移出现在左右边坡的坡脚，数值为120.0mm.Y 度较快.回填之后，位移的变化速度明显降低 方向位移变化较为复杂，坡顶位移6mm左右，坡 边坡腰部X方向位移的变化规律与顶部追踪 底位移为24mm左右.由于在边坡下部的坡面出 点相同，但未回填之前，上盘腰部点的位移为10 现拉应力和坡脚出现剪应力，产生更大范围的塑 mm,下盘腰部点的位移为8~l0mm.Y方向位移 性区，整个边坡的稳定性有所降低（图4）. 在未回填之前，上盘腰部点的位移为5mm,下盘 腰部点的位移为3.5mm. FLAC (Vernton 3.30) 边坡坡脚X方向位移在未回填之前，上盘坡 30 LEGEND 脚点的位移为55mm,下盘坡脚点的位移为45 3w业39 100 mm,见图5.由于开采的卸载作用，Y方向均产生 160 向上的位移，但位移量较小，为1.0-1.2mm,回填 后产生了反向位移，并最终趋于稳定，见图6. 20 (a) -3X 4 -2 107 -3 图4塑性区分布图 -4 Fig.4 Distribution of the plastic zone 采用废石回填露天坑底至0m时，边坡岩 6 体的最大主应力和最小主应力数值和分布规律 与开挖至48m水平时未发生大的变化.由于回 中 343536373839 迭代次数10 填体采用弹性介质，最大剪应力7.2MPa仍出现 6 (b) 在边坡的坡脚部位，最大位移矢量出现在右侧坡 脚，为120.4mm,方向为斜向上.X方向位移较前 面没有增加，坡顶Y方向位移在3mm左右，坡底 位移为21~27mm之间.由于边坡下部坡面出现 的拉应力范围减小和坡脚的剪应力消失，使得塑 性区范围缩小，整个边坡稳定状态得到提高，这 与大冶铁矿的实际情况是吻合的. 为了更好地研究开挖卸荷过程中边坡岩体 33343536373839 的位移变化规律，模拟计算中追踪记录了上下盘 迭代次数/10 六个点的位移变化情况.记录过程自±0m开挖开 图5上盘(a)和下盘b)坡脚追踪点X方向位移 始，开采至-48m水平后迭代到34000步回填，然 Fig.5 Displacements in the X-direction of monitoring points at the slope bottom in upperwall(a)and lowerwall (b) 后再迭代到38500结束. 边坡顶部方向位移在未回填之前，上盘顶 通过分析可以看出，大治铁矿露天边坡I-2 部点的位移为0.3mm,下盘顶部点的位移为5 地质剖面的上下盘边坡在整个开采过程中，保持 mm,二者方向相反，开挖卸荷的作用十分明显， 了基本稳定的状态，回填体的主要作用一是给边 表现为位移的变化速度较快.回填之后，位移的 坡提供了部分侧向支撑压力，有效限制了边坡岩 变化速度明显降低，并最终趋于稳定.Y方向位移 体的水平和垂直方向的位移，二是改善了岩体的 在未回填之前，上盘顶部点位移为6mm,下盘顶 受力状态，提高了边坡的稳定程度.但由于回填 部点的位移为45mm,二者方向均向下，由于卸 的高度相对于高边坡而言有限，所以作用并不十 荷的作用，产生极小的向上位移，位移的变化速 分显著
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 位 移 出现 在左 右 边 坡 的坡脚 ， 数值 为 方 向位 移变 化较 为 复 杂 ， 坡顶 位 移 左 右 ， 坡 底 位 移 为 左 右 由于 在 边 坡 下 部 的坡 面 出 现 拉应 力和 坡脚 出现 剪应 力 ， 产 生 更大 范 围 的塑 性 区 ， 整 个 边 坡 的稳 定性 有 所 降低 图 摊 口 介的‘ 朋 氏即 洲 」” 闷 ， 比 叫 ， 〔 服 勺 犯 卜 切 ” 卜眨 书 日。泌划、 度较 快 ， 回填 之 后 ， 位 移 的变 化速 度 明显 降低 边坡 腰 部尤方 向位移 的变 化 规律 与顶 部追 踪 点相 同 ， 但 未 回填 之前 ， 上 盘腰 部 点 的位 移 为 ， 下 盘 腰 部 点 的位 移 为 一 幻 方 向位 移 在 未 回填 之前 ， 上 盘 腰 部 点 的位 移 为 刀 ， 下 盘 腰 部 点 的位 移 为 边 坡 坡脚尤方 向位 移 在 未 回填 之 前 ， 上 盘 坡 脚 点 的位 移 为 ， 下 盘 坡脚 点 的位 移 为 ， 见 图 由于 开采 的卸 载作用 方 向均 产 生 向上 的位 移 ， 但 位 移量 较 小 ， 为 一 ， 回填 后 产 生 了反 向位 移 ， 并最 终趋 于 稳 定 ， 见 图 · 优困 · 百朋月 让 洲 的心 口洲 伪洲 口朋 图 塑 性 区分 布 图 肠 卜 采用 废 石 回填 露 天坑底 至土 时 ， 边 坡 岩 体 的 最 大 主 应 力 和 最 小主 应 力 数值 和 分 布 规 律 与 开挖 至礴 水平 时未 发 生 大 的变 化 由于 回 填 体采 用 弹性 介 质 ， 最 大 剪应 力 仍 出现 在边坡 的坡脚 部位 最 大位 移 矢 量 出现在 右侧 坡 脚 ， 为 ， 方 向为斜 向上 尤方 向位 移 较前 面 没 有 增加 ， 坡顶 方 向位 移在 幻 刀 左 右 ， 坡底 位 移 为 一 之 间 由于 边 坡 下 部 坡面 出现 的拉应 力范 围减 小和坡脚 的剪 应 力消 失 ， 使得塑 性 区 范 围缩 小 ， 整 个 边 坡 稳 定状 态 得 到提 高 ， 这 与大 冶铁矿 的实 际情 况 是 吻合 的 为 了更 好 地 研 究 开挖 卸 荷 过 程 中边 坡 岩 体 的位 移变化 规律 ， 模拟计 算 中追 踪 记 录 了上 下 盘 六 个 点 的位 移变化情 况 记 录过程 自士 开挖 开 始 ， 开采 至一 水 平 后 迭代 到 步 回填 ， 然 后 再 迭 代 到 结束 边 坡 顶 部厂方 向位 移 在 未 回填 之 前 ， 上盘 顶 部 点 的位 移 为 ， 下 盘 顶 部 点 的位 移 为 ， 二 者 方 向相 反 ， 开 挖 卸 荷 的作用 十 分 明显 ， 表 现 为位移 的变化 速 度 较 快 回填 之 后 ， 位 移 的 变化速度 明显 降低 ， 并最 终趋于 稳 定 方 向位 移 在 未 回填 之 前 ， 上 盘 顶 部 点位 移 为 ， 下 盘顶 部 点 的位 移 为 小 幻 ， 二 者 方 向均 向下 ， 由于 卸 荷 的作用 ， 产 生 极 小 的 向上 位 移 ， 位 移 的变化 速 迭代次 数 护 划之沁日 】 一 一一 一 一 一一一 一一 一 一 一 － 一一习 迭代次数八『 图 上盘 和 下 盘助坡脚追踪点尤方 向位移 如 助 通 过 分 析 可 以看 出 ， 大 冶 铁 矿 露 天边 坡 卜 地质 剖 面 的上 下盘 边坡 在 整个 开采 过 程 中 ， 保 持 了基本稳 定 的状态 ， 回填 体 的主 要作用 一 是给边 坡提供 了部分侧 向支撑 压 力 ， 有效 限制 了边坡 岩 体 的水平 和 垂 直方 向的位 移 ， 二 是 改善 了岩体 的 受 力 状 态 ， 提 高 了边 坡 的稳 定程度 但 由于 回填 的高度相对 于 高边坡而 言有 限 ， 所 以作 用 并 不十 分 显 著
Vol.27 No.4 宋卫东等：大冶铁矿深凹露天开采最终边坡稳定性分析 ·389+ (a) (b) 1.0 1.2 0.8 0.4 -1.0 -2.0 0.8 -2.5 33343536373839 33343536373839 迭代次数/10 选代次数10 图6上盘(a)和下盘b)坡脚追踪点Y方向位移 Fig.6 Displacements in the Y-direction of monitoring points at the slope bottom in upperwall (a)and lowerwall (b) 3结论 参考文献 [】徐长佑，露天转地下开采.武汉：武汉工业大学出版社， (1)极限平衡理论虽未考虑断层、节理等地质 1990.24 构造，但可以直接计算出安全系数，具有简单明 2]刘景秀.深凹露天转地下开采矿山防排水措施的探讨.非 了的优点.数值模拟可以考虑各种地质构造，模 金属矿，2001,24(4)：40 [3]沈道周，大冶铁矿东露天转地下开采开拓提升系统.金属 拟实际开挖顺序，动态显示应力、位移、塑性区的 矿山，1997(6：10 变化规律，具有直观精确的优点.(2)V和VT剖面 [4任世昌.瑶天转地下开采若干技术问题的讨论.矿业研究 的计算结果与I-2剖面相比，在最大主应力、最小 与开发，1995,15(3)：15 主应力、剪应力、X方向和Y方向位移，以及塑性 [5)]吴洪年，折腰山矿床露天转地下开采的设计与实践.有色 矿山，1994(4)：8 区等方面的变化规律基本一致，只是在量值上存 [6章立才，露天转地下开采的技术措施.金属矿山，1994(9)： 在一定的差异.(3)两种计算方法均表明，目前最 16 终边坡均处于平衡稳定状态，而安全系数为1.25 [7)李鼎权.论露天转地下开采的若千特点.金属矿山，1994 ~1.58.(4)露天坑从48m水平回填到0m,边坡 (2):9 [⑧]宋卫东，匡忠样，王金安，程潮铁矿淹井前后采场溜井稳 的稳定性得到提高这主要是因为回填体给边坡 定性数值分析.北京科技大学学报，2000,22(4)：292 提供了部分侧向支撑压力，改善了岩体的受力状 [9)宋卫东，郭摩武.程潮铁矿2主濟并加固工程稳定性数值 态，从而有效地限制了岩体水平和垂直方向的位 分析，北京科技大学学报，2001,23(3)：193 [10宋卫东，赵增山，王浩，断层破碎带与巷道围岩相互作用 移量，回填的48m厚废石完全可以达到无底柱 机理模拟研究.金属矿山，2004(2)：11 分段崩落法开采所要求的安全隔离矿柱厚度， Stability analysis of a terminal slope in Daye deep open-pit mine of China SONG Weidong,DU Jianhua,XIE Zhengping,MA Pengjiao The Key Laboratory of the Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT According to engineering-geological conditions and mining sequences,the limiting equilibrium theory and numerical simulation were used to study the stability of East Open-pit Slope in Daye Iron Mine,China. By analyzing the changes of the stress,displacement field and plastic zones,the stability of the slope was inspected. The results indicate that the safe factor is greater than 1.25,illustrating the slope in a stable state.On three sectional profiles,the distributions and changes of the stress,displacement and plastic zones induced by excavation are ap- proximate.The back filling at the slope bottom not only enhances slope stability,but also provides the safe overlay which is needed in underground mining. KEY WORDS open-pit mine;production safety;slope;stability
匕】 宋卫 东等 大 冶 铁矿 深 凹 露 天 开 采最 终边 坡稳 定 性 分析 一 山 一 划淤︸日 昌 住 泌划、 刁 刁 一 户 丫 又一 一 ， 迭 代 次数 护 迭代次数 少 图 上盘 和 下 盘伪 坡脚 追 踪点 了方 向位移 ‘ 皿 加 伍 何 结 论 极 限平 衡 理 论 虽 未 考 虑 断层 、 节 理 等地质 构造 ， 但 可 以直 接 计 算 出安全 系 数 ， 具 有 简单 明 了 的优 点 数值 模 拟 可 以考 虑 各 种 地 质 构造 ， 模 拟 实 际 开挖顺 序 ， 动态显 示 应 力 、 位 移 、 塑性 区 的 变 化 规 律 ， 具 有 直 观 精确 的优 点 ’ 和 ，剖 面 的计 算 结果 与 一 剖面 相 比 ， 在 最 大主应 力 、 最 小 主 应 力 、 剪应 力 、 万方 向和 方 向位 移 ， 以及 塑 性 区 等方面 的变化 规律 基本 一致 ， 只 是在 量 值上 存 在 一 定 的差 异 两 种 计 算 方 法 均 表 明 ， 目前 最 终边 坡 均 处 于 平 衡 稳 定 状 态 ， 而 安全 系 数 为 一 露 天 坑 从一 水 平 回填 到士 ， 边 坡 的稳 定性 得 到提 高 这 主 要 是 因 为 回填 体给 边坡 提 供 了部 分侧 向支撑压 力 ， 改善 了岩体 的受 力 状 态 ， 从而 有 效地 限制 了岩 体水平 和 垂 直方 向的位 移 量 回填 的 厚 废 石 完全 可 以达 到 无 底 柱 分段 崩落法 开 采 所 要 求 的安 全 隔 离矿 柱 厚度 参 考 文 献 【 徐长 佑 露天 转地 下 开采 武汉 武汉 工 业大 学 出版社 ， 刘 景 秀 深 凹 露天转 地下 开 采矿 山防 排水 措施的探 讨 非 金 属 矿 ， ， 沈 道 周 大 冶铁矿 东 露天 转地 下 开 采 开 拓 提升系 统 金 属 矿 山 ， 任 世 昌 露 天转 地 下 开采若干 技术 问题 的讨 论 矿业研 究 与开 发 ， ， 一 〕 吴洪 年 折 腰 山矿床 露天 转 地下 开采 的设 计与 实践 有色 矿 山 ， 章 立 才 露天转地下 开 采 的技术措施 金 属 矿 山 ， 李 鼎 权 论 露天转地下 开 采 的若 干特 点 金 属 矿 山 ， 宋卫 东 ， 匡 忠 祥 ， 王 金 安 程 潮铁矿淹井 前后 采 场溜 井稳 定性 数值分析 北 京科技大 学 学报 ， ， 宋卫 东 ， 郭廖 武 程潮 铁矿 ，主 溜 井加 固工 程稳 定 性 数值 分 析 北京科技 大 学 学报 ， ， 一 〔 宋卫 东 ， 赵 增 山 ， 王 浩 断层 破碎带与巷道 围岩 相互 作用 机理模拟研 究 金 属 矿 山 ， 一 确艺故，， ， 方 哪孕动 人侧 叹甲 口 盯 凡 一 ， 罗 ， ， ， 比 口 ， ， ， ， ， ， 加 ， 耳梦 训 一
