D0I:10.13374/i.is8n1001053x.2001.05.003 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 露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型 乔兰 李远 北京科技大学士木与环境工程学院，北京100083 摘要我国的大多数大中型露天矿山已经或即将进入深部开采.随着边坡的加高加陡，露 天边坡稳定性维护的难度和采场破坏的概率越来越大.由于矿体赋存条件的制约性，矿山边 坡的变形破坏模式与地质构造特征、岩体结构特征的关系极为密切，本文通过系统地现场工 程地质调查和实验研究，基本掌握了水厂铁矿的地质构造特征与工程地质条件，边坡变形破 坏机理和主要破坏模式，建立了水厂铁矿高陡边坡地质模型，为采用极限平衡分析和数值模 拟相结合的方法进行边坡稳定性分析和设计提供依据， 关键词边坡；工程地质模型；岩体结构；地质构造 分类号TD214.1 随着露天矿的开采方式由山坡开采转向凹 挖及开采活动贯穿于矿山服务期限的始终，从开 陷开采，露天矿边坡的垂直高度不断增加，边坡 采初期到开挖最终境界的形成，边坡岩体始终处 的变形破坏模式与地质构造特征、岩体结构特征 于复杂的动态开挖、回采过程中. 的关系极为密切，其稳定性受岩体岩性、节理裂 因此，对于露天矿山边坡变形破坏的工程地 隙、结构构造控制的同时，还取决于构造应力场 质模型研究也有别于其他地质工程.由于矿体赋 以及爆破开采工艺等，其开采特点是： 存条件的制约性，边坡的变形破坏模式与地质构 (1)矿体赋存条件与边坡岩体条件的无法选 造特征、岩体结构特征的关系极为密切，在上述 择性.矿体的空间位置决定了露天矿只能在既定 特点中是最为显著的和重要的.本文以首钢水厂 的工程地质条件及地质环境中进行开挖施工，控 露天铁矿为例对露天矿山高陡边坡变形破坏的 制边坡变形的岩性、构造、地应力、地下水等自然 工程地质模型进行研究. 条件客观存在，无法选择， (2)边坡工程的时效性.露天矿边坡是随着生 1水厂铁矿地质构造特征与工程 产进程在矿坑的开挖范围内不断发展直至闭坑 地质基本条件 形成最终边坡，闭坑时边坡的稳定性问题对于矿 山安全生产已意义不大，因此露天矿山边坡工程 水厂铁矿系首钢迁安矿区露天矿之一，目前 相对于其他边坡工程具有显著的时效性， 生产能力为年产铁矿石1200万t,年采剥总量为 (③)边坡及岩体允许发生一定的变形性.露天 6000万t.采场长3600m,宽为400-1680m,长轴 矿山开采剥岩过程中不但允许边坡岩体产生一 方向NE40°左右，采场境界由南、北两个独立采 定的变形，甚至可以允许产生一定的破坏，只要 场构成，两采场在+34m水平以上连通，+34m以 这种变形及破坏在开采完成前不影响安全生产 下形成两个独立境界的采场，采场边坡最高标 即可不予治理). 高+310m,最低将达-350m标高，最终边坡角将 (4)露天矿边坡地质工程的时空动态性.露天 达到46~51°，形成垂直高度660m的高陡边坡. 矿边坡地质工程是一个动态的地质问题，矿山开 矿区处于迁安矿区北部的复向斜褶皱带的 北东端（参见图1）.复向斜由两个被断层所破坏 收稿日期200407-31乔兰女，41岁，教授，博士 的次一级向斜（北山向斜、南山向斜）与一个背斜 *国家“十五”科技攻关项目(No.2001BA609A-08)及国家自然 科学基金资助项目(No.50074002) (旧水「背斜)所组成，形成“W”型复向斜，铁矿第 2 6 卷 第 5 期 2 0 0 4 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s i yt o f s e ic n e e a n d 介e 卜n o l o yg B e ij i n g V b L 2 6 N O 一 5 O C t 2 0 0 4 露天矿 山高陡边坡变形破坏 的工程地质模型 乔 兰 李 远 北 京科技 大 学土木 与环 境工 程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 我 国的大 多数 大 中型 露天矿 山 己经 或 即将进 入 深部 开采 . 随着 边坡 的加高 加 陡 , 露 天边 坡稳 定性 维护 的难度 和采 场破 坏 的概 率越 来越 大 . 由于矿 体 赋存 条件 的制 约性 , 矿 山边 坡 的变形 破坏 模式 与地 质 构造 特 征 、 岩 体结 构特 征 的关系 极 为密 切 . 本 文通 过 系统地 现场 工 程地 质调 查和 实验 研 究 , 基 本掌 握 了水 厂铁 矿 的地质 构造 特 征与 工程地 质 条件 . 边坡 变形 破 坏机 理和 主要 破坏 模式 , 建 立 了水厂 铁矿 高 陡边坡 地 质模 型 , 为采用 极 限平衡 分 析和 数值 模 拟相 结合 的方 法进 行边 坡 稳定 性 分析和 设计 提 供依 据 . 关键 词 边坡 ; 工 程地 质模 型 ; 岩体 结 构 ; 地 质 构造 分类 号 T D 2 1+4 . 1 随着 露 天 矿 的开 采 方 式 由 山 坡 开 采 转 向 凹 陷开采 , 露 天矿 边 坡 的 垂直 高度 不 断 增 加 . 边 坡 的变 形破坏 模 式与 地质 构造 特 征 、 岩 体结 构特 征 的关 系极 为 密切 , 其稳 定性 受 岩体 岩 性 、 节 理 裂 隙 、 结构 构 造控 制 的 同 时 , 还 取 决于 构造 应 力 场 以及 爆 破 开采 工 艺 等 , 其 开采 特 点 是 : ( l) 矿 体赋 存 条件 与 边 坡岩 体 条件 的无 法 选 择性 . 矿 体 的空 间位 置 决定 了露天矿 只 能在 既定 的工 程地 质 条件 及地 质环 境 中进 行 开挖 施工 , 控 制边 坡变 形 的岩性 、 构造 、 地 应 力 、 地 下 水等 自然 条件 客观 存 在 , 无 法 选择 . (2 )边 坡 工程 的 时效性 . 露天矿 边 坡 是随着 生 产进 程 在 矿 坑 的 开挖 范 围 内不 断 发展 直至 闭坑 形成最 终边 坡 , 闭坑 时边坡 的稳 定性 问题 对 于矿 山 安全 生产 已 意义 不大 , 因此 露天 矿 山 边 坡工 程 相 对 于其 他 边坡 工 程具 有 显 著 的 时效性 . (3 )边坡 及 岩体 允许 发 生一 定 的变形 性 . 露 天 矿 山开采 剥 岩 过 程 中 不 但 允许 边 坡 岩 体 产 生 一 定 的变 形 , 甚 至 可 以允许 产 生一 定 的破 坏 , 只 要 这 种变 形 及 破 坏 在 开采 完 成 前 不 影 响 安 全 生产 即 可 不 予 治理`卜 3 ] . (4 ) 露天 矿边 坡地 质 工程 的 时空动 态 性 . 露天 矿边 坡地 质工 程 是一 个动 态 的地质 问题 , 矿 山开 收稿 日 期 2 0 0 4刁7 一 3 1 乔 兰 女 , 引 岁 , 教 授 , 博士 * 国家 “ 十五 ” 科技攻 关项 目 ( N o . ZO0l B A 6 09 A 一 0 8) 及 国家 自然 科 学基 金资助 项 目 ( N o . 5 00 74 0 0 2 ) 挖 及 开采 活 动贯 穿于 矿 山服 务期 限的始 终 , 从开 采 初 期 到开挖 最 终境 界 的形成 , 边坡 岩 体始 终处 于 复杂 的 动态 开 挖 、 回采 过程 中 . 因此 , 对 于 露天 矿 山边 坡 变形 破 坏 的工程 地 质 模 型研 究 也有别 于 其他 地质 工 程 . 由于 矿 体赋 存 条件 的制约 性 , 边 坡 的变形 破 坏模 式与 地质 构 造特 征 、 岩 体 结 构特 征 的 关系 极 为密 切 , 在 上 述 特 点 中是 最 为显著 的和重 要 的 . 本文 以首 钢水 厂 露 天 铁 矿 为 例对 露 天 矿 山高 陡 边坡 变 形 破 坏 的 工 程地 质 模 型进 行 研 究 . 1 水厂 铁 矿 地 质 构 造 特 征 与工 程 地 质基 本条件 水 厂 铁矿 系 首钢 迁 安矿 区 露天 矿之 一 , 目前 生 产 能 力 为年 产铁 矿 石 1 2 0 万 t , 年采 剥 总量 为 6 00 0 万 t . 采 场长 36 0 0 m , 宽 为 4 0 0一 1 6 8 0 m , 长 轴 方 向 N E 4 o0 左 右 . 采 场 境界 由南 、 北两 个独 立 采 场 构 成 , 两 采 场在 +3 4 m 水 平 以上连 通 , +3 4 m 以 下 形 成 两 个独 立 境 界 的采 场 . 采 场 边 坡 最 高 标 高十 3 10 m , 最 低 将 达 一 3 50 m 标 高 , 最 终 边坡 角将 达 到 4 6一5 1 “ , 形 成 垂直 高 度 6 6 0 m 的 高 陡边 坡14] . 矿 区 处 于 迁 安 矿 区 北 部 的 复 向斜 褶皱 带 的 北 东端 (参 见 图 1) . 复 向斜 由两个 被 断层 所 破坏 的次 一级 向斜 ( 北 山 向斜 、 南 山 向斜 ) 与 一个 背斜 ( 旧 水 厂 背斜 ) 所 组 成 , 形成 “ W ” 型 复 向斜 , 铁 矿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 05. 003