D0I:10.13374/i.issm1001t63.2010.02.002 第32卷第2期 北京科技大学学报 Vol 32 No 2 2010年2月 Journal of Un iversity of Science and Technobgy Beijing Fb2010 深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律 宋卫东杜建华杨幸才)Dwayne D Tannan 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 2)加拿大不列颠哥伦比亚大学（奥克那根分校）工程学院，基洛纳V1V1V7,加拿大 摘要以大治铁矿为工程背景，采用相似材料模型实验和数值模拟计算相结合的方法，对深凹露天转地下开采高陡边坡的 变形和破坏规律进行了系统研究.首先，模型相似实验中，采用百分表、压力传感器和近景摄影测量等手段监测模型的应力应 变和破坏特征，对围岩位移和破坏裂纹进行系统分析，揭示了高陡边坡的变形和破坏基本规律.其次，采用有限差分软件，从 地表沉降量、应力值变化和塑性区分布等方面与相似材料实验结果进行了对比分析·结果表明，高边坡竖向最大沉降为28.2 m,围岩破坏程度随着开采深度的增加递增，塑性区范围不断扩大，剪切破坏主要集中在两侧边坡的边脚部位.相似模型实 验和数值模拟相结合可以较好地揭示深凹露天转地下开采过程中高陡边坡的变形和破坏基本特征，是一种较好的理论研究 方法。 关键词地下开采；露天矿：高陡边坡：变形与破坏；模型实验 分类号TD325 Defom ation and failure of a high steep slope due to transfom ation from deep open pit to underground m in ing SONG Wei dong,DU JianThua,YANG Xing-ca,Dwayne D Tannan 1)School of Civil and Envimrmental Engneering University of Science and Technology Beijng Beijing 100083 China 2)School of Engineering University of British ColmbiaOkanagan Kelowna VIV IV7,Canada ABSTRACT The defomation and failure law of a high steep slope durng transfomation from deep open pit to underground m ining using sin ilarmaterial physicalmodels and numerical siulation was researched w ith Daye Iron M ine as an example The sin ilarmate- rial physicalmodel was monitored w ith stress sensors dialgauge displacem ent sensors and close-range photogrammetry methods to ob- tain the failre and stress"strain characteristics Systematic analysis was made on displacement and cmack failure of surrounding mock to discover the basic defomation and failre law of the high steep slope The stress distrbutions surface subsilence and plastic zones predicted by a finitedifference numericalmodel were compared with those measured from the si ilar material model experment The results indicate that the maxmnum vertical settlment of the high steep slpe is 28.2mm.The extent of damnage and the plastic zone in- crease with the m ning depth increasing The shear failre of the mock massmainly appears at the foot of the wo sies slopes The can- bination of si ilarmodeling and numericalmodeling is a good soltion for research on the basic characteristics of rock mass defomation and failure of high-steep slopes durng transfomation fran deep openpit to underground m ining KEY WORDS underground m ining open pit steep slope defomation and failures model experin ent 随着露天开采深度的增加，露天坑越来越深，开 国内许多露天矿山相继转入地下开采，如眼前山铁 采难度越来越大，剥采比明显变大，矿石的开采成本 矿、石人沟铁矿、大石河铁矿和密云铁矿，露天开采 不断提高，高陡边坡问题也变得越来越严重，开采的 平稳过渡到地下开采最为关键的岩石力学技术难题 安全性面临众多挑战，这就需要转入地下开采，露 是：露天开采时期的大规模开挖，对露天坑周围岩体 天转地下开采过程中涉及很多技术问题1-②)，目前， 形成较大的应力扰动，局部产生应力集中现象，在 收稿日期：2009-03-23 基金项目：十一五国家科技支撑重大计划资助项目(No2006BAB02A02) 作者简介：宋卫东(196G)男，教授，博士生导师，Email se0mw@ust edu en第 32卷 第 2期 2010年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．2 Ｆｅｂ．2010 深凹露天转地下开采高陡边坡变形与破坏规律 宋卫东 1） 杜建华 1） 杨幸才 1） ＤｗａｙｎｅＤＴａｎｎａｎｔ 2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京 100083 2） 加拿大不列颠哥伦比亚大学 （奥克那根分校 ）工程学院‚基洛纳 Ｖ1Ｖ1Ｖ7‚加拿大 摘 要 以大冶铁矿为工程背景‚采用相似材料模型实验和数值模拟计算相结合的方法‚对深凹露天转地下开采高陡边坡的 变形和破坏规律进行了系统研究．首先‚模型相似实验中‚采用百分表、压力传感器和近景摄影测量等手段监测模型的应力应 变和破坏特征‚对围岩位移和破坏裂纹进行系统分析‚揭示了高陡边坡的变形和破坏基本规律．其次‚采用有限差分软件‚从 地表沉降量、应力值变化和塑性区分布等方面与相似材料实验结果进行了对比分析．结果表明‚高边坡竖向最大沉降为 28∙2 ｍｍ‚围岩破坏程度随着开采深度的增加递增‚塑性区范围不断扩大‚剪切破坏主要集中在两侧边坡的边脚部位．相似模型实 验和数值模拟相结合可以较好地揭示深凹露天转地下开采过程中高陡边坡的变形和破坏基本特征‚是一种较好的理论研究 方法． 关键词 地下开采；露天矿；高陡边坡；变形与破坏；模型实验 分类号 ＴＤ325 Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆａｈｉｇｈｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅｄｕｅｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍ ｄｅｅｐ ｏｐｅｎ-ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ ＳＯＮＧＷｅｉ-ｄｏｎｇ 1）‚ＤＵＪｉａｎ-ｈｕａ 1）‚ＹＡＮＧＸｉｎｇ-ｃａｉ 1）‚ＤｗａｙｎｅＤＴａｎｎａｎｔ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100083‚Ｃｈｉｎａ 2） ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ-Ｏｋａｎａｇａｎ‚ＫｅｌｏｗｎａＶ1Ｖ1Ｖ7‚Ｃａｎａｄａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｌａｗｏｆａｈｉｇｈｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅｄｕｒｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｄｅｅｐｏｐｅｎ-ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ ｕｓｉｎｇｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｗｉｔｈＤａｙｅＩｒｏｎＭｉｎｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅ- ｒｉａｌｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｍｏｎｉｔｏｒｅｄｗｉｔｈｓｔｒｅｓｓｓｅｎｓｏｒｓ‚ｄｉａｌ-ｇａｕｇｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓ‚ａｎｄｃｌｏｓｅ-ｒａｎｇｅｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙｍｅｔｈｏｄｓｔｏｏｂ- ｔａｉｎｔｈｅｆａｉｌｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓ-ｓｔｒａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｏｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｃｒａｃｋｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｔｏ ｄｉｓｃｏｖｅｒｔｈｅｂａｓｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｌａｗｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ‚ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ‚ａｎｄｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙａｆｉｎｉｔｅ-ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｍｅａｓｕｒｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅｉｓ28∙2ｍｍ．Ｔｈｅｅｘｔｅｎｔｏｆｄａｍａｇｅａｎｄｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｉｎ- ｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅｓｈｅａｒｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｍａｉｎｌｙａｐｐｅａｒｓａｔｔｈｅｆｏｏｔｏｆｔｈｅｔｗｏｓｉｄｅｓｓｌｏｐｅｓ．Ｔｈｅｃｏｍ- ｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｉｌａｒｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｉｓａｇｏｏｄｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｈｉｇｈ-ｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅｓｄｕｒｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｄｅｅｐｏｐｅｎ-ｐｉｔｔｏｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｉｎｉｎｇ；ｏｐｅｎｐｉｔ‚ｓｔｅｅｐｓｌｏｐｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅ；ｍｏｄｅｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 收稿日期：2009--03--23 基金项目：“十一五 ”国家科技支撑重大计划资助项目 （Ｎｏ．2006ＢＡＢ02Ａ02） 作者简介：宋卫东 （1966— ）‚男‚教授‚博士生导师‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｗｄ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 随着露天开采深度的增加‚露天坑越来越深‚开 采难度越来越大‚剥采比明显变大‚矿石的开采成本 不断提高‚高陡边坡问题也变得越来越严重‚开采的 安全性面临众多挑战‚这就需要转入地下开采．露 天转地下开采过程中涉及很多技术问题 ［1--2］．目前‚ 国内许多露天矿山相继转入地下开采‚如眼前山铁 矿、石人沟铁矿、大石河铁矿和密云铁矿．露天开采 平稳过渡到地下开采最为关键的岩石力学技术难题 是：露天开采时期的大规模开挖‚对露天坑周围岩体 形成较大的应力扰动‚局部产生应力集中现象．在 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．02．002