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 mine2 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