·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