深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2004.05.004 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化 蔡美峰乔兰李长洪王金安 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要以首钢水厂铁矿为依托工程，在系统的边坡工程地质勘查、岩体结构、水文地质调查 与渗流场分析、矿区地应力场测量和可矿岩物理力学特性测试的基础上，采用固-流耦合的有 限差分法、离散单元法和极限平衡分析法相结合的方法，进行了水厂铁矿高陡边坡稳定性的 系统分析研究和边坡优化设计，使水厂铁矿各分区的总体边坡角提高了16°. 关键词深凹露天矿：高陡边坡：稳定性分析：设计优化 分类号TD214,1 1工程背景与研究概况 发挥和提高运输和采掘设备作业效率，使生产和 管理的各个环节实现最优化或合理化，对降低生 目前我国一大批大中型露天矿山已由山坡 产成本，提高矿山效益具有重大意义 开采转为凹陷开采，其中16座大型冶金露天矿 首钢水厂铁矿是一座大型变质岩型磁铁矿 山中，己有15座进入深凹开采，最大的凹陷开采 床，是我国最大的冶金露天矿山，也是首都钢铁 深度达到400m左右，最终形成的露天边坡的垂 公司最重要的铁矿石原料基地.其地理位置及区 直高度将达到600-700m. 域构造如图1所示.历史上达到的最大生产能力 进入深凹开采后，矿山生产将遇到两个突出 为1600万a,目前生产能力为1200万ta.根据 问题：第一，运输距离加长，重载下坡运行变成重 载上坡运行，运输效率降低，运输成本增加，导致 生产成本急剧上升，经济效益迅速下滑.据统计， 目前我国大型露天矿的生产总成本中，运输一项 占到40%~60%.第二，随着开采深度的增加，采场 边坡不断地加高加陡.一方面，开采难度和采场 破坏概率越来越大，开采安全性越来越差；另一 方面，对于露天矿山，提高边坡角又是充分回收 1-5 资源、降低生产成本、增加矿山效益的重要手段 之一，如对于大型露天矿山，边坡角提高1°，即可 店子 前庄 减少剥离量数千万吨，经济效益十分显著， 岛名王 为了科学地解决这一对矛盾，必须研究深部 强化开采技术，进行开采设计优化，在保证生产 安全的前提下，尽可能地提高边坡角，减少剥离 量，降低生产成本，提高经济效益.同时，由于大 型露天矿山采场结构复杂，生产设备品种多、数 大石了和 量大，生产和管理环节多，因而采用现代信息技 市 4专杨店子 术，建立自动化生产调度和管理信息系统，充分 收稿日期200407-31蔡美蜂男，61岁，教授 图1水厂铁矿地理位置及区域构造纲要图 *“十五”国家科技攻关计划重大项目(No.2001BA609A08) Fig.1 Location and regional tectonic sketch of Shuichang openpit mine

2 第 卷 第 期 5 6 1 2 0 0 0 年 月 4 北 京 科 技 大 学 学 报 J O r n u a l o n U f i v e r i y t s o S f e i c e e n n d a e T l e n o o h y g B e j i i n g l V b 一 N 2 6 0 . 5 C O t 。 2 0 0 4 深 凹 露 天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化 蔡 美峰 乔 兰 李长 洪 王 金安 北京 科技 大学土 木与 环境 工 程 学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 以首钢水 厂铁 矿 为依 托工 程 , 在 系统 的边坡 工程 地质 勘 查 、 岩 体结 构 、 水 文地 质 调查 与 渗流 场 分析 、 矿 区 地应 力场 测 量和矿 岩 物理 力学 特性 测 试 的基础 上 , 采 用 固一 流祸 合 的有 限差分 法 、 离散 单元法 和 极 限平 衡 分析 法相 结合 的 方法 , 进行 了水 厂铁 矿高 陡边 坡稳 定性 的 系 统分 析研 究和 边坡 优 化设 计 , 使 水厂 铁矿 各 分 区的 总体 边坡 角提 高 了 1一 60 . 关键 词 深 凹 露 天矿 ; 高 陡边坡 : 稳 定 性分析 ; 设 计优 化 分 类号 T D 2 1+4 . 1 1 工 程 背 景 与研 究概 况 目前 我 国一 大 批 大 中型 露 天 矿 山 己 由 山坡 开采 转 为 凹 陷开采 , 其 中 16 座 大 型冶 金 露 天矿 山 中 , 己有 15 座 进 入深 凹 开采 , 最 大 的凹 陷 开采 深 度 达 到 4 0 m 左 右 , 最终 形 成 的露 天 边 坡 的垂 直 高度 将 达 到 6 0 一7 0 m . 进入 深 凹 开采 后 , 矿 山 生产 将遇 到 两个 突 出 问题 : 第 一 , 运 输距 离加 长 , 重 载下 坡运 行 变成 重 载上 坡运 行 , 运 输效 率 降低 , 运输 成 本增 加 , 导 致 生产 成本 急剧 上 升 , 经济 效益 迅速 下滑 . 据统 计 , 目前我 国大 型露 天矿 的生产 总成 本 中 , 运输 一 项 占到 4 0% 一 6 0% . 第二 , 随着 开采 深度的增 加 , 采场 边坡 不 断地 加 高 加 陡 . 一 方面 , 开采 难 度 和采 场 破坏 概 率越 来 越 大 , 开 采 安全 性越 来越 差 ; 另一 方面 , 对于 露 天矿 山 , 提 高边 坡 角又 是 充 分 回收 资源 、 降低 生产 成 本 、 增加 矿 山 效益 的重 要手 段 之 一 如对 于 大型 露天 矿 山 , 边坡 角提 高 1 “ , 即可 减 少 剥离 量 数千 万 吨 , 经 济 效益 十 分 显著 . 为 了科 学地 解 决这 一对 矛 盾 , 必 须 研 究深 部 强 化开 采技 术 , 进 行 开采 设计 优 化 , 在 保 证 生产 安全 的前提下 , 尽 可 能地 提 高边坡 角 , 减少 剥离 量 , 降低 生产 成 本 , 提 高经 济 效 益 . 同 时 , 由于 大 型露 天 矿 山采 场 结构 复 杂 , 生产 设 备 品种 多 、 数 量大 , 生产 和 管 理环 节 多 , 因而 采 用现 代 信 息技 术 , 建 立 自动 化 生产 调度 和 管 理 信 息系 统 , 充分 收稿 日 期 2 0 04 -() 7一 1 蔡美峰 男 , 61 岁 , 教授 * “ 十 五 ” 国家 科技攻 关计 划重 大项 目 ( N .o ZO0l B A 6 09 A - 0 8 ) 发挥 和 提 高运输 和采 掘 设备 作业 效 率 , 使生 产和 管 理 的各个 环节 实 现最 优化 或 合理 化 , 对 降低 生 产成 本 , 提 高矿 山 效益 具 有 重大 意义 「1,2] . 首 钢 水 厂铁 矿 是 一座 大 型变 质 岩 型磁 铁 矿 床 , 是 我 国最 大 的冶金 露 天矿 山 , 也是 首 都钢 铁 公司 最重 要 的铁矿 石 原料 基地 . 其地 理位 置及 区 域 构 造 如 图 l 所示 . 历史 上 达到 的最 大 生产 能力 为 16 0 0 万 血 , 目前 生产 能 力 为 12 0 万 灯a . 根据 \ 、 t 今 、 J ) . 丫 少布 . 图 1 水厂 铁矿 地理 位! 及 区域构 造纲 要 图 F ig . l L o c a it o n a n d er g i o n a l t e e t o n i e s k e t e h o f s h u i e h a n g O P e n Pi t m i n e DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 05. 004

·466· 北京科技大学学报 2004年第5期 1999年1月完成的“首钢矿业公司水厂铁刊矿扩建坡设计优化方案则. 工程采矿（调整规模）修改设计"方案，水厂铁矿 21水厂铁矿边坡工程地质勘查与试验研究 整个露天采场尺寸长3.6km,宽为400680m,采 (1)边坡岩体工程地质岩组的划分，通过调查 场境界由一个大采场修改为南、北两个独立采 和分析，将水厂铁矿的岩组划分为11类，分别为 场，两个采场在+34m水平以上连通，在+34m以 紫苏混合花岗岩组、辉石斜长片麻岩组、紫苏黑 下形成两个独立境界，其中，北采场坑底标高为 云斜长片麻岩组、磁铁石英岩组、矽线黑云斜长 -350m,南采场坑底标高为-185m.北采场最终 片麻岩组、长石石英砂岩组、砾岩组、火山熔岩 境界参数为2900m×(800-200)m,采场边坡最高 组、火山碎屑岩组、松散岩组和构造岩组， 标高为310m,最低开采标高-350m,采场封闭圈 (2)结构面（断层），将水厂铁矿的结构面分为 标高+80m,采场总体边坡角41-50°.因此，水厂 5级， 铁矿的最大边坡垂直高度将达到660m,最大凹 ①一级结构面.具有区域规模的大型断裂 陷开采深度将达到430m,在我国大型深凹露天 面，属一级结构面的断层有黄金寨大断裂(F)、 矿山中具有很高的代表性， 刘官营大断裂(F刘)和将军墓岭大断裂(F)三条. 目前我国露天矿的总体边坡角与国外相比， ②二级结构面.为在采场内影响范围较大， 普遍偏低5°左右，这主要是由传统的边坡设计方 甚至贯穿整个采场的中型断裂构造，共10条， 法所决定的.传统的边坡设计方法是极限平衡 ③三级结构面.影响范围在工程地质分区内 法，这是一种确定性的研究方法，而且没有考患 的断层，部分可能跨两个分区，属三级结构面的 地应力的作用.因而该方法对山坡露天矿设计可 断层有15条. 能是适用的，但对深凹露天矿设计并不完全适 ④四级结构面.影响的范围较小的小型结构 用，今后的深凹露天矿旷设计必须考虑地应力的作 面，包括未予命名的小断层和大量的大节理， 用，同时采用数值分析等方法进行定量的设计计 ⑤五级结构面，是能够引起边坡破坏的最小 算和分析，通过多方案的计算、分析、比较，确定 型的结构面，包括小型的裂隙、节理、劈理、片理、 最佳或最合理的边坡设计方案，在保证生产安全 片麻理等 的前提下，实现强化开采，最大限度地提高边坡 (3)岩体结构.水厂矿区的岩结构主要分为4 角，减少剥离量，降低生产成本，提高矿山效益. 个类型. 本课题在大量系统的工程地质、水文地质勘查和 ①块状结构，块状结构的岩体完整性好，结 试验研究、矿区地应力场测量和矿岩物理力学特 构体为块体，其中的不连续面主要为节理面，岩 性测试的基础上，采用大型非线性固一流耦合有 体强度相对较高，构成的边坡相对稳定，块状结 限差分法、离散单元法和极限平衡分析法相结合 构边坡由于节理组合切割作用，可构成平面破 的方法，进行边坡稳定性分析和设计优化的研 坏，楔形破坏和倾倒破坏等. 究，使水厂铁矿各区的总体边坡角分别提高了 ②层状结构.层状结构的岩体具有清楚的层 1~6°.同时采用了GPS、全站仪等多种手段在水 面，其力学特征各向异性明显，岩体的变形破坏 厂铁矿建立了边坡位移监测网，对边坡稳定性进 一般受层面或层间错动面控制.根据矿区岩层出 行动态分析和评价，为深部安全强化开采提供了 露特点，边坡潜在平面破坏或阶梯状破坏、崩塌 保证， 破坏等 ③碎裂结构，碎裂结构的岩体强烈破碎，完 2基础资料的调查、试验和研究 整性差，其不连续面具有短小密集，多为张开型 的特点.构成的边坡稳定性差，潜在破坏模式主 大型露天矿边坡稳定性受到诸多因素的影 要为弧形破坏和楔形破坏. 响，包括工程地质、水文地质条件，岩体结构和构 ④散体结构.散体结构岩体的完整性已经完 造，断层、节理的发育情况及其空间组合，边坡所 全丧失，由于原岩结构基本破坏，力学强度很低， 处的应力环境条件等，只有掌握准确而丰富的地 所构成的边坡稳定性很差，容易形成弧形破坏、 质及应力环境基础资料，对影响边坡稳定性的主 冲沟破坏和台阶局部坍塌. 要因素有充分的了解，并结合实际的矿体赋存及 (4)边坡破坏模式.根据现场勘查资料的综合 开采条件，才能作出既安全可靠又符合实际的边

一 4 6 6 - 北 京 科 技 19 9年 1 月完成 的 “ 首钢矿 业 公 司水厂 铁矿 扩 建 工程 采矿 (调整 规模 ) 修改 设计 ” 方案 , 水厂 铁矿 整个 露天 采 场尺 寸长 3 . 6 km , 宽为 4 0 一6 80 m , 采 场 境 界 由一个 大 采场 修 改为 南 、 北两 个 独 立采 场 , 两 个采 场 在+ 34 m 水平 以上连 通 , 在+ 34 m 以 下 形成 两 个独 立 境界 . 其 中 , 北采 场 坑底 标 高为 一 35 O m , 南采 场 坑底 标 高 为 一 1 85 m . 北采 场 最终 境 界参 数 为 2 9 0 0 m x ( 8 0 0一 2 0 0 ) m , 采场 边 坡 最高 标 高为 3 10 m , 最 低 开采标 高 一 3 50 m , 采场 封 闭圈 标 高 + 80 m , 采场 总 体边 坡角 41 一5 0 . 因此 , 水厂 铁矿 的最 大边 坡垂 直 高度 将达 到 6 60 m , 最 大凹 陷 开采 深度 将 达 到 4 30 m , 在我 国大 型深 凹 露天 矿 山 中具有 很 高 的代 表性 . 目前 我 国露天 矿 的总 体边 坡角 与 国外 相 比 , 普遍 偏低 o5 左 右 , 这主 要是 由传 统 的边坡 设计 方 法 所 决 定 的 . 传 统 的 边坡 设计 方 法 是极 限平 衡 法 , 这 是一 种 确定 性 的研 究 方法 , 而且 没有 考 虑 地 应 力的作 用 . 因而 该 方法对 山 坡露 天矿 设计 可 能是 适 用 的 , 但 对 深 凹 露 天 矿 设 计 并不 完 全 适 用 . 今 后 的深 凹 露天 矿 设计 必须考 虑地 应 力 的作 用 , 同时采 用数 值 分析 等方 法进 行定 量的 设计 计 算 和 分析 , 通 过 多方 案 的计算 、 分 析 、 比 较 , 确 定 最 佳或 最合 理 的边坡 设计 方案 . 在 保证 生产 安全 的前 提下 , 实现 强化 开 采 , 最 大 限度 地提 高 边坡 角 , 减 少剥 离量 , 降低 生产 成 本 , 提 高矿 山 效 益 . 本课 题 在大 量系 统 的工程 地质 、 水 文地 质勘 查和 试验 研 究 、 矿 区 地应 力场 测量和 矿 岩物 理力 学特 性测 试 的基础 上 , 采 用大 型非线 性 固 一 流祸 合有 限差分 法 、 离散 单元 法和 极 限平 衡 分析法 相 结合 的 方 法 , 进 行边 坡 稳 定 性 分析 和 设 计 优化 的研 究 , 使水 厂 铁矿 各 区 的总 体边 坡 角 分 别提 高 了 1一 60 . 同 时采用 了 G P S 、 全 站仪 等 多种 手段 在 水 厂铁 矿建 立 了边坡 位移 监测 网 , 对边 坡稳 定 性进 行动 态分 析和 评价 , 为深部 安全 强化 开采 提供 了 保 证 . 2 基 础 资 料 的 调 查 、 试 验 和 研究 大 型 露 天 矿 边 坡 稳 定性 受 到 诸 多 因素 的 影 响 , 包括 工程地 质 、 水 文地质 条件 , 岩 体结 构和 构 造 , 断层 、 节理 的 发育情 况及 其 空间组合 , 边 坡所 处 的应 力 环境条 件 等 . 只有 掌握 准确 而丰 富 的地 质 及 应力环 境基 础 资料 , 对 影响边 坡稳 定性 的主 要 因 素有充 分 的 了解 , 并结 合实 际的矿体赋 存及 开采条 件 , 才 能作 出既 安全 可靠 又符合 实 际 的边 大 学 学 报 2 004 年 第 5 期 坡 设计 优化 方案 口,4] . .2 1 水厂 铁矿 边 坡 工程 地质 勘 查 与试验 研 究 ( l) 边 坡岩 体工 程地质 岩组 的划 分 . 通过 调查 和 分 析 , 将 水厂 铁矿 的岩组 划分 为 1 类 , 分别 为 紫苏 混 合花 岗岩 组 、 辉 石斜 长 片麻 岩 组 、 紫苏 黑 云 斜 长 片麻岩 组 、 磁 铁 石英 岩 组 、 矽线 黑 云 斜 长 片麻 岩 组 、 长 石石 英砂 岩 组 、 砾 岩 组 、 火 山熔 岩 组 、 火 山 碎 屑岩 组 、 松 散岩 组和 构造 岩 组 . (2 )结构 面 ( 断层 ) . 将水厂 铁矿 的结 构面分 为 5 级 . ①一 级 结构 面 . 具 有 区域 规 模 的大 型 断裂 面 , 属一 级 结构 面 的断层 有 黄金 寨 大 断裂 (F 黄 ) 、 刘 官营 大断裂 ( F刘 ) 和将 军墓 岭大 断裂 (F 将 ) 三 条 . ② 二级 结构 面 . 为在 采 场 内影 响范 围较 大 , 甚 至贯 穿整 个采 场 的中型 断裂 构造 , 共 10 条 . ③三 级结 构面 . 影响 范 围在工程 地质 分 区 内 的 断层 , 部分 可 能跨 两个 分 区 , 属三 级 结构 面 的 断层 有 巧 条 . ④ 四级结 构面 . 影响 的范 围较 小 的小型 结构 面 , 包 括未 予命 名 的 小断层 和 大量 的 大节理 . ⑤ 五级 结 构面 , 是 能够 引起 边坡 破坏 的最 小 型 的结构面 , 包 括小 型的裂 隙 、 节理 、 劈理 、 片理 、 片麻 理等 . (3) 岩体 结构 . 水 厂矿 区 的岩 结构 主要 分 为 4 个 类 型 . ①块状 结 构 , 块状 结 构 的岩体 完 整性 好 , 结 构 体 为块 体 , 其 中 的不 连续 面 主要 为节 理面 , 岩 体 强度 相对 较 高 , 构 成 的边 坡相 对稳 定 . 块 状 结 构 边 坡 由于节 理 组 合切 割 作用 , 可 构成 平 面破 坏 , 楔 形 破坏 和倾 倒 破坏 等 . ②层 状 结构 . 层 状结 构 的岩体 具有 清 楚 的层 面 , 其 力 学特 征 各 向异性 明显 , 岩 体 的变形 破坏 一般 受层 面或 层 间错动 面控 制 . 根据矿 区 岩层 出 露特 点 , 边坡 潜在 平 面破 坏 或阶 梯状 破坏 、 崩塌 破坏 等 . ③ 碎 裂结 构 . 碎 裂 结构 的岩 体 强烈破 碎 , 完 整性 差 , 其 不 连续 面 具有 短 小密 集 , 多 为张 开型 的特 点 . 构成 的边 坡 稳定 性差 , 潜在 破坏 模 式主 要 为弧 形破 坏 和楔 形破 坏 . ④散 体结 构 . 散体 结构 岩 体的完 整 性 已经 完 全丧 失 , 由于 原岩 结构基 本破坏 , 力学 强度很低 , 所 构 成 的边 坡稳 定性 很 差 , 容 易形 成 弧形破 坏 、 冲 沟 破坏 和 台 阶局 部坍 塌 . (4 )边 坡破 坏模 式 . 根 据现 场勘 查资 料 的综 合

Vol.26 No.5 蔡美峰等：深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化 ·467· 分析，矿区边坡存在以下主要破坏模式， 行的边坡临空面，使边坡岩体沿不连续面逐步变 ①平面破坏.这是采场最普遍发生的一种破 形倾倒，一般规模不大，多为台阶边坡破坏. 坏类型.其特点是边坡岩体中发育着一组走向与 ⑤崩塌破坏，发生在下部的软弱垫层与上部 边坡平行、倾向与边坡倾向一致、倾角与边坡相 的坚硬盖层构成的层状或似层状边坡岩体中.层 近的不连续结构面，当岩体沿上述不连续面滑动 状结构的岩体，其下部强度低的软岩发生变形崩 时即构成平面破坏，根据滑面形态特征的不同， 解，引起坡顶盖层张裂、悬空和块体崩落. 平面破坏又可分为简单平面破坏和复合型平面 (⑤)边坡工程地质分区.水厂铁矿为大型露天 破坏、多平面阶梯状破坏、波状平面破坏. 铁矿，规模大，范围广，由于采场不同部位工程地 ②圆弧型破坏.当边坡岩体呈散体结构或岩 质岩组分布不同，边坡方位设计参数不同，岩体 体破碎、岩块间有较多泥质及其他碎屑物质充 变形类型不同，为确切反映各区段边坡的客观实 填、块间并无紧密结合时，边坡沿弧形破坏面发 际，必须根据采场边坡工程条件的实际特征，结 生滑动 合采场边坡设计方案，将采场边坡分成若干个不 ③楔形破坏，由4组甚至4组以上结构面和 同区段，进行工程地质分区，据此再建立各分区 临空面构成.其中必有2个滑动面倾向不同，且 相应的地质模型和边坡结构模型，为边坡的稳定 其交线的倾伏方向与边坡倾向一致，倾角小于台 性计算提供基础依据，工程地质分区划分依据如 阶坡面角，即可引起三维楔形破坏，采场此类破 下：工程地质岩组特征：岩体结构特征；岩体不连 坏发生普遍，一般为台阶边坡破坏，规模不大，超 续面特征：采矿设计及边坡方位特征 过1个台阶高度的楔体破坏并不多见 依据上述原则，将采场边坡划分为I~V5个 ④倾倒破坏.在块状结构的岩体中，发育着 工程地质区，其中I区又分为I-A、I-B2个亚 陡倾角节理面或片理面，且存在着与此结构面平 区（见图2）. KD 么 图2水厂铁矿边坡工程地质分区 Fig.2 Engineering-geological zoning of slope in Shuichang open-pit mine 22矿区边坡水文地质调查与渗流场 大的地表水系.矿床处于滦河中游，河床宽度一 ()矿区水文地质条件.矿区属高山地区，位 般在1000m以上，水位标高一般在67m左右，最 于燕山支脉南麓，地势西、南高，东、北低，西部为 高洪水位达94m. 将军墓岭，标高332.9m,南部与东长峪山岭毗邻， 矿区属温带大陆性气候，年平均降水量605.5 标高为446.3m,是本区最高的地表分水岭：矿区 mm,最大年降水量1152mm,最大日降水量344.8 中部和东部为低山丘陵，与滦河阶地相接.矿区mm,最大时降水量172mm,多集中在7月，约占 从地貌景观水系分布构成了一个半封闭式水文年降雨量的80%. 地质单元. 矿区水文地质条件属中等类型，地下水主要 滦河从矿区的北部和东部经过，为矿区内最 为基岩裂隙潜水.矿区岩层含水层的富水性多属

从, 1 . 2 6 N 0 . 5 蔡 美峰 等 : 深 凹 露 天矿 高陡边 坡 稳定 性 分析 与设 计优 化 分 析 , 矿 区 边 坡 存在 以下主 要 破 坏模 式 . ① 平 面破 坏 . 这 是 采场 最 普遍 发 生 的一 种破 坏类 型 . 其特 点 是边 坡岩 体 中发 育着 一 组走 向与 边坡 平 行 、 倾 向与边 坡 倾 向一 致 、 倾角 与 边 坡相 近 的不连 续 结构面 , 当岩 体沿 上述 不 连 续面 滑动 时 即构成 平 面 破坏 . 根 据 滑面 形 态特 征 的不 同 , 平面 破 坏 又 可 分 为简 单 平 面 破坏 和 复合 型 平 面 破坏 、 多平 面 阶梯 状 破坏 、 波 状 平面 破 坏 . ② 圆弧 型破 坏 . 当边 坡岩 体 呈散 体 结构或 岩 体破 碎 、 岩 块 间有 较 多 泥 质及其 他碎 屑物 质 充 填 、 块 间并 无 紧密 结 合 时 , 边 坡沿 弧 形 破坏 面 发 生滑 动 . ③ 楔 形破坏 . 由 4 组 甚 至 4 组 以上 结构 面 和 临空 面构 成 . 其 中 必有 2 个 滑 动 面倾 向不 同 , 且 其 交线 的倾 伏方 向与边 坡倾 向一 致 , 倾 角 小于 台 阶 坡面 角 , 即可 引起 三 维 楔 形破 坏 . 采场 此 类破 坏 发生 普遍 , 一 般 为台 阶边坡 破坏 , 规模 不 大 , 超 过 1 个 台阶 高度 的楔 体破 坏 并 不 多见 . ④倾 倒 破坏 . 在块 状 结 构的岩 体 中 , 发育着 陡倾 角 节理 面或 片理 面 , 且 存在 着 与此 结构 面平 行 的边 坡 临空 面 , 使边 坡岩 体沿不 连续 面 逐步变 形 倾 倒 , 一 般 规模 不 大 , 多为 台阶 边 坡破 坏 . ⑤崩 塌 破坏 . 发 生在 下 部 的软弱 垫 层与 上部 的 坚硬 盖层 构 成 的层状 或 似层 状边 坡岩 体中 . 层 状 结构 的岩 体 , 其 下部 强度 低 的软 岩发 生变 形崩 解 , 引起 坡 顶盖 层 张裂 、 悬 空和 块 体 崩落 . ( 5) 边坡 工 程地 质分 区 . 水 厂铁矿 为 大型 露天 铁矿 , 规模 大 , 范 围广 . 由于采 场不 同部 位工 程地 质 岩 组 分布 不 同 , 边坡 方 位 设计 参数 不 同 , 岩 体 变形 类 型不 同 , 为确 切 反映 各 区 段边 坡 的客观 实 际 , 必 须 根据 采 场边 坡 工 程条 件 的 实 际特 征 , 结 合采 场边 坡 设计 方案 , 将 采 场边 坡分 成 若干个 不 同 区段 , 进 行 工 程地 质 分 区 , 据 此 再建 立 各分 区 相 应 的地 质模 型 和边 坡结 构模 型 , 为边坡 的稳 定 性 计 算提 供基 础 依据 . 工 程 地质 分 区划 分依据 如 下 : 工程地 质 岩组 特征 ; 岩 体 结构特 征 ; 岩 体不 连 续 面 特 征 ; 采矿 设计 及 边坡 方 位特 征 . 依据 上 述 原则 , 将 采场 边坡 划分 为 I 一 V S 个 工 程 地质区 , 其 中 I 区又 分 为 I 一 、 I 一 2 个 亚 区 ( 见 图 2) . 14 u 匆 I -B 1 一不了份 广 遥) 载长 朴 、一l 厂 、 、 、、 `` 乡 、、 .-lf 汽火丫 灯 \厂 缸 , ” ` 图 2 水厂 铁矿 边 坡工 程地 质 分 区 F ig · 2 E o ig n e e r i n 合g e o l o ig c a l Z o n i n g o f s l o P e i o s h u i e 卜a n g o P e n · Pi t m i n e .2 2 矿 区边 坡 水文 地 质调 查 与渗 流 场 ( l) 矿 区 水 文 地质 条 件 . 矿 区 属 高 山地 区 , 位 于燕 山支 脉南 麓 , 地 势西 、 南高 , 东 、 北 低 , 西 部 为 将 军 墓岭 , 标 高 3犯 .g m , 南 部与 东长 峪 山岭 毗邻 , 标 高 为 4 4 .6 3 m , 是 本 区最 高 的地 表 分 水岭 ; 矿 区 中部 和 东部 为低 山丘 陵 , 与 滦 河 阶地 相 接 . 矿 区 从 地 貌 景 观 水 系分 布 构 成 了一 个 半 封 闭式 水 文 地 质 单元 . 滦 河从 矿 区 的北 部和 东 部 经 过 , 为矿 区 内最 大 的 地表 水 系 . 矿 床 处 于滦 河 中游 , 河 床 宽度 一 般 在 1 0 0 m 以上 , 水 位 标 高 一般 在 67 m 左 右 , 最 高 洪 水位 达 94 m . 矿 区属温 带 大 陆性气 候 , 年平 均 降水量 605 . 5 m m , 最大 年 降水 量 1 15 2 m m , 最大 日 降水量 34 4 . 8 m m , 最 大 时降水 量 172 m m , 多集 中在 7 月 , 约 占 年 降雨 量 的 80 % . 矿 区 水 文地 质 条件 属 中 等类 型 , 地 下 水主 要 为基 岩 裂 隙潜 水 . 矿 区 岩层 含水 层 的富水 性 多属

·468· 北京科技大学学报 2004年第5期 弱-微弱型，因而矿床地下水天然储量不大 (3)边坡渗流场分析.渗流分析模型采用等效 矿区地下水来源是大气降水补给，其特点是 连续介质模型，计算分析方法为有限单元法，通 就地补给，就地排泄.地下水主要流向由北西向 过对边坡地下水渗流模型的建立，以钻孔实测水 南东运动，沿沟谷低注处排泄.由于地形有利于 位资料和滦河水位为依据，对水厂铁最终境界 地表排水，地下迳流微弱 位置时边坡水压分布作出了预报，为后续边坡稳 (2)边坡深部工程地质补充钻探勘查和水文 定性的优化和计算提供了必要的水压参数，根据 地质.2001年12月-2002年7月，完成了KD、KB、 计算结果，提出以下两点建议： KE(见图1)三个钻孔边坡深部钻探勘查及水文 ①Ⅱ区剖面边坡岩体内地下水位比较高，且 地质试验工作，在钻孔中进行了20段压水试验， 出水点位于第三系岩层附近，对边坡的稳定不 5段注水试验.试验结果表明，岩层渗透性较差， 利，应给予足够重视 属于微透水-弱透水岩层，试验测得的各岩组的 ②由于边坡地质构造的复杂性，在边坡局部 渗透系数见表1. 可能形成具有承压性的封闭储水构造，在矿山生 表1各岩组渗透系数 产过程中要给予注意. Table 1 Permeability coefficients of rock mass 23水厂铁矿地应力测量 岩性符号 名称 海透系数/(cm·s) 分别采用水压致裂法和套孔应力解除法对 ArS2-3 矽线黑云斜长片麻岩 5.0×10- 水厂铁矿进行了现场地应力测量阿如表2，水压致 E2x 火山熔岩砾岩夹泥岩 5.0×10- 裂法共进行了11个测段的测量如表3，获得了各 Fe 磁铁石英岩 3.5×10-5 Mr 混合花岗岩 4.0×10-3 点的二维应力状态，应力解除法进行了3个测点 zc 长石石英砂岩角砾岩 3.1×10-4 的测量，获得了各点的三维地应力状态 Q 第四系及人工堆积物 1.0×10-3 在三孔的应力解除测量结果中，0，，均位于 ArS:- 紫苏黑云斜长片麻岩 5.8×10- 近水平方位，位于近垂直方位：在水压致裂测 ArS?-2 辉石斜长片麻岩 5.0×10 量结果中，假定自重应力，为一主应力，则位于 Mp 混合片麻岩 1.0×10s 水平方向的0，和，为另外两个主应力.使用线性 表2应力解除法各测点主应力计算结果 Table 2 Results of principal stresses measured with stress relief by overcoring technique 测点埋 最大主应力o 中间主应力 最小主应力 测点 深/m数值MPa方向/()倾角/()数值MPa方向)倾角)数值MPa方向f()倾角() 81.0 4.07 272.2 -73 2.38 3.9 -13.3 2.16 154.2 -74.8 2 91.5 4.26 90.6 -0.8 2.86 180.6 -2.9 2.68 344.9 -87.0 3 56.0 3.68 98.9 -7.2 2.33 189.7 -6.2 2.03 319.8 80.5 表3水压致裂法各测点应力测量结果 回归的方法，得到最大水平主应力，最小水平 Table 3 Results of principal stresses measured by hydraulic 主应力和垂直主应力a,随深度变化的规律， fracturing technique 建立了矿区的地应力场模型，如下式所示： 孔点 01方位/ omm=0.93+0.0438H(MPa) (1) 压裂段深度ma,/MPaa2/MPa/MPa 号号 () ma=0.61+0.0269H(MPa) (2) 183.3683.96 2.16 1.66 2.21 a.=0.12+0.0259H (MPa) (3) 2116.07-116.67 6.68 4.08 3.07 77 式中，H为测点埋深，单位为m KB3155.38155.98 11.93 6.98 4.11 88 4181.53-182.13 12.65 7.83 4.80 3边坡稳定性分析与设计优化 5 232.54233.1414.79 9.25 6.15 1265.18-265.789.28 5.96 7.02 3.1稳定性分析与设计优化方法 KD2274.51-275.11 9.79 6.26 7.26 70 水厂铁矿边坡稳定性分析和设计优化采用 3302.41-303.01 13.21 8.00 8.00 固流耦合有限差分法(LAC)、离散单元法和极限 1118.87-119.47 6.07 3.96 3.15 平衡分析三种不同的方法，三种不同方法的计算 KE2147.52-148.12 7.35 4.65 3.90 77 和分析结果相互比较，相互补充，相互验证，可以 3 185.90-186.50 9.53 5.42 4.92 大大地提高计算和分析结果的可靠性和准确性

一 4 6 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 5 期 弱一 微弱 型 , 因而矿 床 地 下水 天然 储 量不 大 . 矿 区地 下水 来源 是大 气 降水补 给 , 其 特 点是 就 地补给 , 就 地 排泄 . 地下 水 主要 流 向 由北西 向 南 东运 动 , 沿 沟 谷低 洼 处排 泄 . 由于 地形 有利 于 地表 排水 , 地 下迁 流 微弱 . (2 ) 边坡 深 部工 程地 质 补 充钻 探勘 查和 水 文 地质 . 2 0 0 1年 12 月一2 0 0 2 年 7 月 , 完成 了E J 〕 、 K B 、 K E ( 见 图 l) 三个 钻 孔边 坡深 部 钻探 勘 查及 水文 地质 试验 工作 . 在钻 孔 中进 行 了 20 段 压 水试 验 , 5 段 注水 试验 . 试 验 结 果表 明 , 岩 层渗 透性 较 差 , 属 于 微透 水一弱 透水 岩 层 . 试 验 测得 的 各岩 组 的 渗 透 系数 见表 1 . 表 1 各岩 组渗 透系数 aT b le 1 P e r m e a bi li yt e o e仿e i e n t s o f or e k m a s s 岩 性符 号 名称 渗透 系数斌c m · s 一 , 矽 线 黑云斜 长片麻 岩 火 山 熔岩 砾岩 夹 泥岩 磁铁 石英 岩 混合 花 岗岩 长石 石英 砂岩 角砾 岩 第 四系及 人工 堆积物 紫 苏黑云 斜 长 片麻岩 辉 石斜 长片麻 岩 混合 片麻岩 5 . o x 1 0 一 7 5 0 x l 0 一 5 3 . s x l o 一 5 4 . 0 x l 0 一 , 3 . 1 x 10 一 4 1 . o x l o 一 3 5 . 8 x 1 0 一 7 5 . o x 1 0 一 5 1 . o x l o 一 ` (3 )边坡 渗流 场分 析 . 渗流 分析模 型采 用等效 连 续介 质模 型 , 计算 分析 方法 为有 限单 元法 . 通 过 对边坡 地 下水渗 流模 型 的建立 , 以钻孔 实测水 位 资料和 滦河 水位 为依 据 , 对水 厂铁 矿最 终境界 位 置时边 坡水 压分 布作 出 了预报 , 为 后续边 坡稳 定性 的优 化和 计算提 供 了必要 的水 压参 数 . 根 据 计算 结 果 , 提 出 以下两 点 建议 : ① n 区剖面 边坡 岩体 内地 下水 位 比较 高 , 且 出水 点 位 于第三 系 岩层 附近 , 对边 坡 的稳 定 不 利 , 应给 予足 够 重视 . ② 由于 边坡 地质 构造 的复杂性 , 在边 坡局 部 可 能形 成具 有承 压性 的封 闭储水 构造 , 在 矿 山生 产 过程 中要给 予注 意 . .2 3 水 厂铁矿 地 应 力测 垦 分 别采 用 水 压 致 裂 法 和 套孔 应 力 解 除 法对 水厂 铁矿 进行 了现场 地应 力测 量`5 ,如表 2 , 水压致 裂法 共 进行 了 n 个 测段 的测 量 如表 3 , 获得 了各 点 的二 维应 力状 态 , 应 力解 除法 进行 了 3 个 测 点 的测 量 , 获得 了各 点 的三 维地 应 力状 态 . 在 三 孔 的应 力解 除测 量结 果 中 , 。 : , 氏 均位 于 近 水 平 方位 , 伪 位 于近 垂 直方 位 ; 在 水压致 裂 测 量结 果 中 , 假 定 自重应 力 氏 为一 主应 力 , 则位 于 水 平 方 向的。 , 和氏 为 另外 两个 主应 力 . 使用 线 性 :rSAxzEMr eF .CZ Q srZAMP 表 2 应 力解 除法各 测点 主应 力计算 结果 介 b l e 2 R e s u l招 o f Pir n e iP a l s ter s ,韶 m ae s u r e d iw th , t r e s s clr i ef 勿 o v e r e o r in g t e c h n iq u e 测 点 测点 埋 深 m/ 最大 主应 力伪 中 间主应 力几 最 小主 应力仍 数 值 /M P a 方 向(/ o) 倾 角 (/ 。 ) 数 值从 Pa 方 向 o(/ ) 倾 角 (/ o) 数值 /M P a 方 向(/ o) 倾 角 (/ o) 8 1 . 0 9 1 . 5 一 7 . 3 2 . 3 8 一 0 . 8 2 . 8 6 一 7 . 2 2 . 3 3 3 . 9 1 8 0 . 6 1 8 9 . 7 一 1 3 . 3 一 .2 9 2 . 1 6 2 . 6 8 3 5 6 . 0 3 一 6 . 2 2 . 0 3 1 5 4 . 2 3 4 4 . 9 3 1 9 , 8 67 06 0 份`U 4 表 3 水压致 裂 法各测 点应 力测 量结 果 aT b l e 3 R e s u l t s o f P ir n e iP a l s t r e s s e s 口 ea s u r e d b y h y d r a u li c fr a c tU ir n g t ec b n iq u e 压裂 段深 度m/ a ; / M P a 仍 / M P a 仍 / M P a 。 1 方位 / ( O ) 孔号 点号 8 3 . 3 6 ~ 8 3 . 9 6 K B 3 11 6 . 0 7 ~ 1 1 6 . 6 7 1 5 5 . 3 8 ~ 1 5 5 9 8 1 8 1 , 5 3 ~ 1 82 . 13 2 32 . 5 4 ~ 2 3 3 . 14 2 6 5 . 18 ~ 2 65 7 8 2 7 4 . 5 1心7 5 . 1 1 3胶 . 4 1 ~ 3 0 3 , 0 1 118 . 8 7 ~ 1 1 9 . 4 7 14 7 . 5 2 一 14 8 . 1 2 1 8 5 . 9 0 ~ 1 8 6 5 0 2 . 1 6 6 . 6 8 1 1 . 9 3 12 . 6 5 14 . 7 9 9 . 2 8 9 . 7 9 1 3 . 2 1 6 . 0 7 7 . 3 5 9 . 5 3 2 . 2 1 3 . 0 7 4 . 1 1 4 . 8 0 6 . 1 5 7 . 0 2 7 7 8 8 回归 的方法 , 得到 最大 水平主 应 力氏~ , 最 小水 平 主 应 力氏, i 。 和垂 直 主应 力氏 随深 度变 化 的规 律 , 建 立 了矿 区 的地应 力场 模 型 , 如 下式 所 示 : 氏 , 二ax “ 0 . 9 3 + 0 . 04 3 S H ( M P a ) ( 1) 氏 m i n = 0 · 6 1+ 0 · 0 26 9 H (M P a ) ( 2 ) 氏 = 0 . 12 + 0 . 02 5 g H ( M P a ) ( 3 ) 式 中 , H 为测 点 埋深 , 单位 为 m . “08925一%83 ,1 4 `自UQ2 J K D Z 3 6 . 2 6 l K E Z 3 5 . 4 2 7 . 2 6 8 . 0 0 3 . 1 5 3 . 9 0 4 . 9 2 3 边 坡 稳 定性 分析 与设 计优 化 .3 1 稳 定性 分析 与 设计 优 化方 法 水 厂 铁 矿 边坡 稳 定 性 分 析 和 设计 优 化 采 用 固流藕 合有 限差 分法 (F L A C ) 、 离 散单元 法和 极限 平 衡分 析三 种不 同 的方法 , 三种 不 同方法 的计 算 和 分析 结果相 互 比较 , 相互补 充 , 相互 验证 , 可 以 大 大地 提高计 算和 分析 结果 的可 靠性和 准 确性 . 一%065

Vol.26 No.5 蔡美峰等：深凹露天矿高陡边坡稳定性分析与设计优化 ·469 从工程地质条件、水文地质条件、岩性、岩体 设计方案也相当一致， 结构、岩体物理力学特性分析，水厂铁矿的边坡 采用三维有限差分数值模拟计算程序 岩体，总的来说，下部比上部好，因此，在边坡设 FLAC3D对岩质较差的I区边坡进行了优化后的 计中，根据上、下部的不同岩性，采取变边坡角的 稳定性评价，最终提出了可供现场实施的高陡边 设计方案，基本上是上部边坡角稍缓，上、下部的 坡深部开采优化设计方案.I,Ⅱ两个区是水厂铁 分界线与上、下部的岩性分界线一致. 矿边坡稳定性分析中最为关键的两个区，因为这 由于水厂铁矿边坡的范围很大，在进行数值 是水厂铁矿边坡垂直高度最大、岩体结构最为复 模拟和极限破坏分析计算时，如对整个边坡作三 杂、稳定性最差的两个区，为了检验上述边坡稳 维计算和分析，工作量将特别大，对结果的分析 定性分析和优化设计的结果，也是对提高边坡 也很繁杂，不能一目了然.故对整个边坡的大范 角，减少剥离成本最具潜力的两个区，采用三维 围的稳定性分析和优化设计采用二维的有限差 固一流耦合有限差分法(FLAC3D)和基于GIS的 分(FLAC2D)、离散元(UDEC)和极限平衡分析 三维极限平衡分析方法(3 DSlopeGIS)对L,Ⅱ两个 (SLOPE2000)程序.其中，极限平衡分析中同时 区进行了整体边坡稳定性分析和设计优化计算， 采用简化Bishop法、精确Janbu法和Sarma法. 三维计算和分析的结果证实，三种二维模拟和分 根据首钢水厂铁矿边坡工程地质分区和不 析方法推荐的典型剖面的最佳设计方案是合理 同部位边坡的稳定性状况及重要性程度，选择11 的和可靠的. 个具有代表性的剖面进行计算和分析，其中，I区 3.2矿岩物理力学参数 3个剂面，Ⅱ区3个剖面，I区1个剖面，IV区3个 为进行边坡稳定性分析和设计优化计算，包 剖面，V区1个剖面（见图1）.每个剖面分别选择 括数值模拟计算和极限平衡分析，对水厂铁矿的 611个方案，共计83个优化计算方案.每一对剖 矿岩物理力学特性进行了系统试验，试验的岩块 面的不同优化计算方案进行了综合对比分析，包 总数达到627个，在实验室试验结果的基础上， 括应力场、破坏场、位移场、渗流场、边坡典型位 根据实际的工程地质条件和岩体结构状况，采用 置处的水平位移以及水平位移速度、安全系数的 合理的换算方法，获得了岩体的物理力学参数， 对比分析，筛选出了5个地质分区中11个典型地 如表4所示.水厂铁矿边坡断层的法向刚度K为 质剖面的最佳边坡设计方案.有限差分法、离散 1500-300MPa,剪切刚度K,为800-1000MPa,粘聚 元法和极限平衡分析法计算的方案完全相同，各 力c为0.28-0.40MPa,内摩擦角p为28-32°，抗拉强 方法通过计算分析后得出的各剖面的最佳边坡 度G为0.0001MPa, 表4水厂铁矿边坡岩体力学参数 Table 4 Mechanical parameters of slope rock masses in Shuichang open-pit mine 代号 名称 p/kg·cm)E/GPa c/MPa p/() r/MPa n/% 2630 2.30 0.21 1.05-1.19 32-36 0.77-0.87 20 2630 3.07 0.21 1.19-3.08 36-40 0.77-0.87 20 ArS2-3 黑云母斜长片麻岩 2630 4.60 0.21 3.834.43 36-40 0.77-0.87 20 2630 5.75 0.21 5.10-6.30 36-40 0.770.87 20 Fe 磁铁矿 2850 12.50 0.23 1.804.17 32-38 0.81-1.06 5 Ma 片麻岩 2609 3.81 0.25 0.74-5.20 40-44 0.60-0.90 公 Mr 混合花岗岩 2604 3.567.13 0.24 1.17-5.60 4549 1.10-1.21 5 Z1C长石石英砂岩、角砾岩 2700 9.63 0.26 0.62 37 1.68 10 E2X 火山岩溶岩、角砾岩 2477 2.69-4.30 0.23 0.49-0.62 18-22 0.48-0.60 25 Q 第四系人工堆积物 2000 0.02 0.30 0.13 18 0.01 30 Mp 混合片麻岩 2629 3.28-5.24 0.27 2.33-5.40 3640 0.48-0.60 15 N 基性岩脉 2598 4.00 0.16 0.56 32 0.65 15 注：ArS2-分为4层：(1)100m以上为强风化：(2)-100-100m为中风化：(3)-300-100m为弱风化：(4)-500--300m 为微风化 33边坡优化设计推荐方案 设计方案见表5.表中，“原方案”即原设计院的设 通过多种方法进行系统的边坡稳定性分析 计方案，不分上、下部，每个剖面只有一个边坡 和设计优化计算，最终推荐的水厂铁矿边坡优化 角：现推荐方案中多数剖面分为上、下两个部分

V b l . 2 6 N O 一 5 蔡 美峰 等 : 深 凹 露天 矿高 陡边 坡稳 定 性分 析 与设计 优 化 从 工程 地 质条 件 、 水 文 地质 条件 、 岩 性 、 岩体 设 计 方案 也 相 当一 致 . 结构 、 岩体 物 理 力学 特 性分 析 , 水 厂铁 矿 的边坡 采 用 三 维 有 限 差 分 数 值 模 拟 计 算 程 序 岩 体 , 总 的来 说 , 下 部 比 上 部好 . 因此 , 在 边坡 设 F L A C 3 D 对 岩 质较 差 的 I 区 边坡 进 行 了优 化后 的 计 中 , 根据 上 、 下 部 的不 同岩 性 , 采取 变 边坡 角 的 稳 定性 评价 , 最 终提 出了可 供现 场 实施 的高 陡边 设计方 案 , 基 本上 是上 部边 坡 角稍 缓 , 上 、 下 部 的 坡 深部 开 采优 化 设 计方 案 . 1 , n 两 个 区是 水厂 铁 分 界线 与 上 、 下 部 的 岩性 分 界线 一 致 . 矿 边坡稳 定性 分 析 中最 为关键 的两个 区 , 因 为这 由于水 厂铁 矿 边 坡 的范 围很 大 , 在 进 行数 值 是水 厂铁 矿边 坡 垂直 高度 最大 、 岩体 结构 最为 复 模拟和 极 限破坏 分 析计 算时 , 如对 整个 边 坡 作三 杂 、 稳 定 性最 差 的 两个 区 . 为 了检验 上述 边 坡 稳 维 计算和 分析 , 工 作 量将特 别 大 , 对 结 果 的分 析 定 性 分析 和 优 化 设 计 的 结果 , 也 是对 提 高边 坡 也 很繁 杂 , 不 能一 目 了然 . 故 对整 个 边坡 的大 范 角 , 减 少 剥离 成 本最 具 潜 力 的两个 区 , 采用 三 维 围的 稳 定性 分 析 和 优 化 设 计采 用 二维 的有 限差 固 一 流 祸合 有 限差 分 法 ( F L A C 3 D ) 和基 于 G IS 的 分 (F LA C ZD ) 、 离散 元 ( U D E )C 和 极 限 平衡 分 析 三 维 极 限平 衡 分析 方 法 (3 D S lop e GI )S 对 I , n 两个 (s L oP E 2 0 0 0) 程 序 . 其 中 , 极 限平 衡 分 析 中 同时 区进 行 了整体 边 坡稳 定性 分析 和 设计 优化 计算 . 采用 简化 iB s h叩 法 、 精 确 J an bu 法 和 S a n n a 法 . 三 维计 算 和分 析 的结 果证 实 , 三种 二维 模拟 和分 根 据 首钢 水 厂 铁 矿 边 坡 工程 地 质 分 区 和 不 析 方 法 推 荐 的 典型 剖面 的最 佳 设计 方 案 是 合理 同部 位边 坡 的稳 定性 状况 及 重要 性程 度 , 选 择 n 的和 可靠 的 . 个具 有代 表 性 的剖 面进 行 计 算和 分析 . 其 中 , I 区 .3 2 矿 岩物 理 力学参 数 3 个剖 面 , n 区 3 个 剖面 , n l 区 1 个 剖 面 , IV 区 3 个 为进 行 边 坡稳 定性 分 析和 设 计优 化 计算 , 包 剖面 , V 区 1 个 剖面 ( 见 图 l ) . 每 个 剖 面分 别 选择 括 数值 模拟 计 算和 极 限平 衡分 析 , 对 水 厂铁 矿 的 6一 n 个 方 案 , 共 计 83 个 优化 计 算方 案 . 每一 对 剖 矿 岩物 理 力学特 性 进行 了系统 试验 , 试 验 的岩块 面 的不 同优化 计算 方 案进 行 了综 合对 比分析 , 包 总 数 达 到 6 27 个 . 在 实验 室 试验 结果 的基 础上 , 括 应 力场 、 破 坏 场 、 位 移 场 、 渗 流场 、 边 坡 典 型位 根据 实 际 的工程 地 质条 件和 岩体 结构 状 况 , 采用 置 处 的水 平位 移 以及 水平 位移速度 、 安 全系 数 的 合 理 的换 算 方法 , 获 得 了岩 体 的物 理 力学 参数 , 对 比分 析 , 筛 选 出 了 5 个地 质 分 区 中 n 个 典 型地 如 表 4 所 示 . 水 厂铁 矿 边 坡 断层 的法 向刚度凡 为 质 剖 面 的最 佳边 坡 设 计方 案 . 有 限 差分 法 、 离散 巧 o 一 3 0 M p a , 剪 切 刚度戈 为 8 0 一 l 0 0 M p a , 粘 聚 元 法和 极 限平 衡分 析 法计 算 的方 案完 全相 同 , 各 力。 为 .0 2 8一0 .4 0 M p a , 内摩 擦 角势为 28 一3 20 , 抗拉 强 方 法 通 过计 算 分 析 后 得 出的 各 剖 面 的最 佳 边 坡 度沂 为 .0 0 0 1 M p a . 表 4 水厂 铁矿 边坡 岩 体 力学参 数 aT b k 4 M e c h a n ic a l P a r a m e et r s o f s lO eP or c k m a s es i n Sh u i c h a n g OP en 一 Pit m i n e 代 号 名 称 P/ (kg · e m 一 , ) E / G P a v C / M p a 沂 / M P a n /% n ù n ó 叮产7 , 乙``2 ,, Un 尹 0 … : 0 n A rS Z一 , 黑 云 母斜 长 片麻 岩 Fe 磁 铁 矿 M a 片 麻岩 M r 混合 花 岗岩 Z I C 长 石石 英砂 岩 、 角砾 岩 E ZX 火 山岩溶 岩 、 角砾 岩 Q 第 四系人 工堆 积物 M p 混合 片麻 岩 N 基 性岩 脉 2 63 0 2 63 0 2 63 0 2 63 0 2 8 5 0 2 60 9 2 60 4 2 70 0 2 4 7 7 2 00 0 2 62 9 2 5 9 8 2 . 3 0 3 . 0 7 4 . 6 0 5 . 7 5 1 2 . 5 0 3 . 8 1 3 . 5 6 ~ 7 . 1 3 9 . 6 3 2 . 6 9 一4 . 3 0 0 . 02 3 . 2 8 ~ 5 . 2 4 4 . 0 0 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 3 0 . 2 5 0 . 2 4 0 . 2 6 0 . 2 3 0 . 3 0 0 . 2 7 0 . 16 1 . 0 5 ~ 1 . 19 1 . 1 9 ~ 3 . 0 8 3 . 8 3 ~ 4 . 4 3 5 . 1 0 ~ 6 . 3 0 1 . 8 0~ 4 . 1 7 0 . 7 4 ~ 5 . 2 0 1 . 1 7一 5 . 6 0 0 . 6 2 0 . 4 9 ~ 0 6 2 0 . 1 3 2 . 33 ~ 5 . 4 0 0 . 5 6 价 / ( O ) 3 2 ~ 3 6 3 6 ~ 4 0 36 ~ 4 0 3 6 ~ 4 0 3 2 ~ 3 8 4 0一 4 4 4 5 ~ 4 9 3 7 1 8一 2 2 1 8 3 6 ~ 4 0 7 7 ~ 0 7 7 ~ 0 0 . 7 7 ~ 0 0 . 7 7 ~ 0 8 7 0 . 8 1 ~ 1 . 0 6 0 . 6 0 ~ 0 . 90 1 . 10 ~ 1 . 2 1 1 . 6 8 0 . 4 8 ~ 0 . 60 0 . 0 1 0 . 4 8 ~ 0 . 60 0 . 6 5 5 l 5 l 5 l 0 2 5 3 0 l 5 l 5 注 : A r S ,一 ,分 为 4 层 : ( l ) 1 o o m 以上 为强风 化 : ( 2 )一 10 0一 10 0 m 为 中风 化 : ( 3 )一 3 0 0一 l o o m 为 弱风 化 : ( 4 )一 5 0 0一 3 0 0 m 为微 风 化 .3 3 边坡 优化 设计 推 荐方 案 设计 方案 见 表 5 . 表 中 , “ 原方 案 ” 即 原设计 院 的设 通 过 多 种 方 法 进 行 系 统 的边 坡 稳 定 性 分 析 计方 案 , 不 分 上 、 下 部 , 每个 剖 面只 有 一个 边坡 和 设计 优 化计 算 , 最 终 推荐 的水 厂 铁矿 边 坡优 化 角 ; 现推 荐 方案 中多数剖 面 分 为上 、 下 两个 部分

·470. 北京科技大学学报 2004年第5期 上、下部采用不同的边坡角，“分界标高”为上、下 应力等各种影响边坡稳定性的因素，进行科学的 部分界面的高程， 边坡稳定性分析和边坡设计优化，在保证生产安 表5水厂铁矿边坡优化设计推荐方案 全的前提下，尽可能地提高边坡角，减少剥离量， Table 5 Recommended slope angles in Shuichang 降低生产成本，提高企业效益 open-pit mine (2)大型露天矿边坡稳定性受诸多因素的影 分区剖面部位边坡角/)分界标高m原方案/() 响，只有掌握准确而丰富的地质及应力环境基础 I1-1上部 50 +10 46 资料，对影响边坡稳定性的主要因素有充分的了 1上-1下部 % +10 46 解，并结合实际矿体赋存及开采条件，才能作出 1-2上部 43 +50 41 既安全可靠又符合实际的边坡设计优化方案. 1【-2 下部 45 +50 41 (3)通过系统的边坡稳定性分析和设计优化 11-3 上部 9 +10 41 研究，使水厂铁矿各分区的总体边坡角提高了 1-3 下部 +10 41 1-6°.水厂铁矿已根据该研究推荐的边坡优化方 I-1上部 -50 46 案，委托设计单位完成了原设计的修改并组织生 1I-1 下部 47 -50 46 -2 上部 45 -111 46 产实施，修改后的设计可减少剥离量3~5千万【， -2 下部 48 -11 46 经济效益极为显著， I -3 上部 48 -112 46 参考文献 Ⅱ-3 下部 50 -112 46 I -1 整体 48 42 1蔡美峰.金属矿山采矿设计优化与地压控制M).北 IV IV-】整体 41 京：科学出版社，2001 40 IV IV-2上部 44 +10 42 2蔡美峰.中国金属矿山21世纪的发展前景评述) IV IV-2下部 48 42 中国矿业，2001,10(1)：11 +10 IV IV-3上部 46 -50 42 3北京科技大学，首钢矿业公司.“大型深凹露天矿高 IV V-3下部 效运输系统及强化开采技术研究”鉴定材料之二 48 -50 42 V V-】整体 46 42 R].北京：北京科技大学，2004 4来兴平，蔡美峰.大尺度采空区围岩断裂失稳信号 4结论 数据挖掘及破坏预测分析[小.北京科技大学学报， 2003,25(5:394 (1)必须改变传统的边坡设计方法，采用多种 5蔡美峰，地应力测量原理和技术[M.北京：科学出 版社，2000 数值模拟和极限平衡相结合的方法，综合考虑地 Stability Analysis and Design Optimization of High and Steep Slope in Shuichang Open-pit Mine CAI Meifeng,OIAO Lan,LI Changhong,WANG Jinan Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China,China ABSTRACT Shuichang open-pit iron mine in China was taken as the engineering project of the study.Based on systematical investigation and study of engineering-geological conditions,rock mass structures,hydro-geological and permeability field conditions,in situ stress measurement,physical and mechanical property tests ofrock mass, the stability analysis and design optimization of the slope for Shuichang open-pit mine were completed.Through the study,the overall slope angle for every sub-zones is increased 1~6. KEY WORDS deep open-pit mine;high and steep slope;stability analysis;design optimization

. 4 7 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 04 年 第 5期 上 、 下 部采用 不 同的边 坡角 , “ 分 界标 高 ” 为上 、 下 部 分 界面 的 高程 . 表 5 水 厂铁 矿边 坡 优 化设计 推 荐方 案 aT b l e 5 eR c o m m e n d e d slOP e a n gl e s i n S h u ic h a n g o Pe。 一 Pit m i n e 分区 剖面 部位 边坡 角o(/ ) 分 界标高 m/ 原方 案 (/ o) 1 L I 上 部 5 0 + 1 0 4 6 1 1一 1 下 部 5 0 + 1 0 4 6 1 l e Z 上部 4 3 + 5 0 4 1 1 1一 2 下部 4 5 + 5 0 4 1 1 1弓 上部 4 3 + 10 4 1 1 1一 3 下部 4 9 + 10 4 1 1 11一 l 上部 4 5 一 50 46 11 11一 1 下部 4 7 一 5 0 4 6 11 11一 2 上 部 4 5 一 1 1 1 4 6 11 11 we 2 下部 4 8 一 1 1 1 4 6 11 11一 3 上 部 4 8 一 1 1 2 4 6 11 11一 3 下 部 5 0 一 1 1 2 4 6 111 11卜 l 整 体 4 8 一 4 2 IV IV 一 l 整 体 4 1 一 4 0 IV IV 一 2 上 部 4 4 + 1 0 4 2 IV IV we Z 下部 4 8 + 10 4 2 IV IV一 3 上部 4 6 一 5 0 4 2 IV IV一 3 下部 4 8 一 5 0 4 2 V V 一 l 整体 4 6 一 4 2 4 结论 ( l) 必须 改变传 统 的边坡 设计 方法 , 采 用 多种 数值 模拟 和极 限平 衡相 结合 的方 法 , 综合 考虑 地 应 力等 各种 影响边 坡 稳定 性 的因素 , 进行 科学的 边 坡稳 定性 分析和 边 坡设 计优 化 . 在保证 生产 安 全 的前 提下 , 尽可 能地 提高边 坡 角 , 减 少剥 离量 , 降低 生 产成 本 , 提 高 企业 效 益 . (2 ) 大 型露 天矿 边坡 稳 定性 受诸 多因素 的影 响 , 只有 掌握 准确 而丰 富 的地质 及应 力环 境基础 资料 , 对 影响 边坡稳 定 性 的主要 因素有 充分 的 了 解 , 并 结合 实 际矿 体赋 存 及 开采 条件 , 才能 作出 既安 全 可靠 又符 合 实 际的边 坡 设计 优化 方 案 . (3 ) 通 过 系统 的边 坡 稳 定性 分析 和 设计 优化 研 究 , 使 水厂 铁 矿 各 分 区 的总 体边 坡 角提 高 了 1一60 . 水 厂铁 矿 已根 据该 研 究推 荐 的边坡 优化 方 案 , 委 托 设计单 位完 成 了原设 计 的修改 并组织 生 产 实施 . 修 改后 的设计 可减 少 剥 离量 3一 5 千 万t, 经 济 效益 极 为显著 . 参 考 文 献 1 蔡美 峰 . 金 属矿 山 采矿 设计 优化 与地压 控 制 [M ] . 北 京 : 科 学 出版社 , 20 01 2 蔡美 峰 . 中国金 属矿 山 21 世纪 的发 展前 景评述 l[J . 中 国矿业 , 2 0 0 1 , 1 0 ( l ) : 1 1 3 北 京科 技大学 , 首钢 矿业 公 司 . “ 大 型深 凹 露天 矿高 效运 输系 统 及 强化 开采 技 术研 究 ” 鉴 定材 料 之 二 [R] . 北 京 : 北 京科 技大 学 , 20 0 4 4 来 兴平 , 蔡美 峰 . 大 尺度采 空 区围 岩断裂 失稳 信号 数 据挖 掘及破 坏 预测 分析 1[J . 北 京科技 大学 学报 , 2 00 3 , 2 5 (5 ) : 3 9 4 5 蔡 美峰 . 地应 力测 量 原理和 技术 [M l . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2 0 0 0 S t ab iliyt A n a ly s i s an d D e s ign O P t im i z at i o n o f H i g h an d S t e eP S l o P e i n Sh u i e h an g O P e n 一 P it M i n e CA I Me 诉ng, QIA口 Lan , lL hC a 码户 口 ng, 洲刃 G inJ an Ci v i l an d E n v ior mn e ant l Egn i n e e ir gn S e h o o l , nU i v ers ity o f s e i en e e an d eT c ha o l o gy B e ij 吨 , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , C h in a, Ch i n a A B S T R A C T S hu i c h a n g o P e n . Pi t i onr m i n e i n C h ian wa s akt en as ht e e n g i n e e n n g rP oj e ct o f ht e s ut d y . B as e d on s y s t e m at i e a l ivn e st i g iat on an d s ut dy o f e n g i n e e inr g 一 ge o l o ig e a l e o dn iti o n s , or e k m a s s s t ur c ut r e s , 勿d or 一 g e o log i e a l 助d P e mr e ab iliyt if e l d e o n d it i o n s , in s iut str e s s m e a sur e m e in , Phy s i e al a n d m e e h a n i e al P r o P e yrt t e s t s o f r o c k m as s , ht e s abt ili yt an aly s i s an d de s ign O P tim i z iat on o f ht e s loP e for S h u ich a n g o P en 一 P i t m in e w e r e e o m Pl e t e d . T hr o u gh ht e s ut d丫 het vo e ar ll s l o P e an g l e for e v e yr s ub 一z o n e s 1 5 i n cr e as e d l 一 6 0 . K E Y WO R D S d e e P oP e n · Pit m i n e ; h igh an d s et e P s l o pe : s abt iliyt an a lys i s ; d e s ign o P t im i z at i on