（采矿工程专业论文）高陡山区露天转地下开采边坡稳定性研究.pdf

摘要 在露天转地下开采过程中，原岩应力平衡状态的破坏，使边坡和 一定范围内的地表产生位移变化，这种变化一般分为整体和局部两 种，整体位移变化表现为：附近地表的水平移动和下沉；局部位移变 化表现为：边坡岩体的崩塌和滚落。为了保障作业正常进行，保护作 业人员与设备、以及矿产资源与地表环境，对边坡稳定性分析和预测 以及根据分析结果实施合理的安全防护势在必行。 本文以四川会东铅锌矿露天边坡为研究对象，针对露天转地下开 采过程中边坡稳定问题展开一系列研究。首先，搜集并总结会东矿边 坡变形观测数据，建立露天西边坡变形数学模型，采用遗传程序设计 理论对边坡整体稳定性进行预测，并对照已有的观测数据，证明了该 方法有很好的预测精度。其次，对边坡局部崩塌失稳进行分析，确定 可能发生岩崩的区域为西边坡北侧松散岩组及北边坡f ，以西；应用 概率统计原理对典型断面岩崩落石的滚落过程进行二维模拟，确定落 石的影响范围在6 0 8 0 m ，弹跳高度及滚落过程中动能较小，这些计 算结果，为岩崩的防治提供可靠的依据；最后根据上述失稳分析结果， 提出各典型工点的防护措施，并采用力学分析方法对防护的可靠性和 合理性进行分析以确定其可行性。 论文结合计算机智能分析预测与模拟技术和现代分析方法来进 行边坡稳定性研究，在一定程度上体现了岩体工程处理方法应用的趋 势。 关键词：高陡露天边坡，遗传程序设计，边坡稳定，岩崩，柔性防 护 硕士学位论文 a bs t r a c t t h eb a l a n c eo fo r i g i n a ls t r e s si sd e s t r o y e di nt h ec o u r s eo fo p e n - p i t i n t ou n d e rm i n i n g ，w h i c hb r i n gd i s p l a c e m e n to fs l o p ea n ds u r f a c ei nm a i n a r e a c o m m o n l yt h em o v e m e n ti sd i v i d e di n t og l o b a la n dl o c a lf o r m s h o r i z o n t a lm o v e m e n ta n ds u b s i d e n c ei nn e a r b ys u r f a c ei sr e p r e s e n t e di n g l o b a lc h a n g e ，w h i l ec o l l a p s ea n df a l l r o l lo fs l o p er o c ki sr e p r e s s e di n l o c a l i no r d e rt og u a r a n t e eo r d i n a r yo p e r a t i o n ，m a i n t a i n e do p e r a t i n g p e r s o n n e l a n d e q u i p m e n t sa n dp r o t e c t m i n e r a lr e s o u r c ea n ds u r f a c e e n v i r o n m e n t ，t h ea n a l y s i sa n de x p e c t a t i o no fs l o p es t a b i l i t y a r e i m p e r a t i v ea sw e l l a sr e a s o n a b l ei m p l e m e n t a t i o no fs a f e t yp r o t e c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t s t a k i n gt h eo p e n p i ts l o p ea th u n d o n gl e a d - z i n cm i n ea so b je c t ，t h e s t a b i l i t yo fs l o p ed u r i n gt u m i n go p e n - p i ti n t ou n d e rm i n i n gi s s t u d i e d f i r s t l y , c o l l e c t i n ga n ds u m m a r i z i n go b s e r v a t i o nd a t ao fs l o p ed i s t o r t i o ni n m i n et ob u i l dd i s t o r t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l g e n e t i cp r o g r a m m i n gi s u s e dt oa n a l y z ea n dp r e d i c tt h es l o p es t a b i l i t y , a n dv a l i d a t i n gt h e p r e d i c t i o na c c u r a c y o ft h i s t e c h n i q u ec o n t r a s t i n g o b s e r v a t i o nd a t a s e c o n d l ya n a l y z i n g t h ec o l l a p s ea n df i x i n go nt h ea r e at h a te v e n t s p o s s i b l yo c c u r ，e n s u r i n gt h a tt h el o o s ep e t r o f a b r i ci nn o r t hs i d eo fw e s t s l o p ea n dt h ew e s ts t r i c to f f l5f a u l t t h ep r i n c i p l eo fp r o b a b i l i t ys t a t i s t i c s i su s e dt os i m u l a t et h ec o u r s eo fr o c k f a l la tt y p i c a ls e c t i o n t h er e s u l t s h o w st h a tt h ei n f l u e n c es c o p eo fr o c k f a l li s6 0 8 0 ma n dj u m p i n gh e i g h t a n dk i n e t i ce n e r g yv a r i a t i o n si sr e l a t i v e l ys m a l l p r o t e c t i o no fr o c k f a l li s p r o v i d e da c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lr e s u l t s f i n a l l yp r o t e c t i v em e a s u r e s a r ep r o p o s e db yt h er e s u l t so fs t u d i e s ，m e a n w h i l ea n a l y z i n gt h er e l i a b i l i t y a n dr a t i o n a l i t yo fd e f e n s e sb ym e a n so fp h y s i c a lp r o c e s s t h ec o m p u t e ri n t e l l i g e n ta n a l y s e s ，e x p e c t a t i o na n ds i m u l a t i o na r e u s e di ns t u d yo fs l o p es t a b i l i t ya sw e l la sm o d e m a n a l y s i sm e t h o d ，w h i c h e m b o d i e ss o m et r e n d so nt r e a t m e n to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：h i 曲一s t e e po p e n p i ts l o p e ，g e n e t i c p r o g r a m m i n gd e s i g n ， s l o p es t a b i l i t y , r o c k f a l l ，s a f e t yn e t t i n gs y s t e i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：堕年卫月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：丑年上月卫日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论弟一早三百y 匕 露天矿转地下开采，是很多赋存于中浅部矿体开采所必须面临的选择，但因 为转型时间长与对矿山再建设问题的忽视，使得很多矿山并未对露天开采后的地 下开采方法工艺与其应提前所需的条件采取相应的保护措施。这样因露天开采时 对地下开采的准备不足使得很多矿山在露天开采后面临着地下开采建设的诸多 困难，例如边坡稳定性受影响，地下开采可能所需的覆盖层存在性及其厚度与成 分，露天开采边坡的处理及其影响，地表渗水与坍陷，地表坍塌区内地面建( 构) 筑物或工业场地的位置选择、建设和保护等，均使地下回采受到不同程度的影响。 文章中所研究的四川省会东铅锌矿位于高陡山区，又因其采用露天转地下开 采，具有很强的代表性。会东铅锌矿建于1 9 5 8 年，位于四川省凉山州会东县铅 锌镇，是全民所有制的集采、选、冶为一体的国家大型联合企业。第一期于1 9 7 2 年投产，经过近4 0 年的露天开采，露天开采境界内矿石已基本采完，矿山适时 开始了第二期工程建设。目前，二期工程开拓、采准的设计与工程施工己基本完 成，且形成了初步生产能力。 会东矿露天采场位于矿区东部，地表总形态是西高东低的斜凹形，东部为山 谷，南、西、北为山岭。东部谷底最低标高1 7 0 0 m ，西部山岭最高标高为2 9 0 0 m ， 露天采场封闭圈位于山体边坡2 0 0 0 , - - 2 3 5 5 m 之间，其上口尺寸为3 8 5 m x 8 7 0 m ， 其下口尺寸为1 3 6 m x 3 0 m 。一期露天开采设计终了坑底标高1 9 8 0 m 。采场的最终 边坡高度为：西帮3 7 5 m ，东帮7 2 m ，南帮2 7 6 m ，北帮2 4 3 m 。采场边坡角为： 西边坡4 0 0 1 1 ，4 1 ”，东边坡3 4 0 2 6 ，南边坡4 9 0 2 1 2 5 ”，北边坡4 5 0 5 4 ，台阶坡面 角4 6 0 “5 0 ，南帮最大达7 l o ，西帮最大达8 6 0 ，矿山终了边坡的整体形状如下图 1 1 所示。 西部边坡受f 5 、f 6 及f 1 5 等断层纵贯切割，下部为松散软弱的黑色破碎带岩 组，中部为较软的砂泥岩混合岩组，岩层风化及构造破碎强烈，工程地质条件极 差。先后于1 9 7 3 年和1 9 8 7 年出现两次滑坡，滑方量达5 5 - 2 1 万m 3 。边坡在一 期露采时虽然稳定，但随后在露天边坡下的开采作业，必然破坏其稳定性。随着 开采深度的增加，边坡塌落界线也随之增大，达到极限时，会发生坍塌，坍塌规 模与开采范围有关。 硕 位论女 第章绪论 图i - i 会东铅辞矿露天边坡俯视图 在二期过渡工程中采用盘区阶段连续崩落法，以盘区为采场，不分矿房矿柱， 采场端部全阶段全断面挤压爆破，每次只放出部分崩落矿石，使崩落矿石与覆盖 层的接触面保持斜面。由于露天开采时对岩体的应力场造成扰动，采动结束一段 时间后应力达到一个新的平衡l l l 。在高边坡存在的基础上进行地下开采，再次对 岩体造成扰动，其对上部岩体稳定性的影响既不同于单一的露天开采义不同于 单一的地下开采，二次采动将影响岩体的应力分布。在露天矿境界外进行地下开 采，尤其是在露天矿边帮下方开采，由于采空区周围的岩体应力分布发生变化t 采空区上方将出现冒落带、裂隙带、弯曲带，致使边坡岩体的完整性遭到破坏 原岩整体强度降低1 2 。根据国内外露天转地下开采矿山的经验，边坡稳定性要比 露采时降低1 0 2 0 p 】，因此可能诱发上部边坡体的失稳，必将对矿山安全生产 造成危害。 为了【旦| 收残留在露天开采境界外边坡内的剩余矿体( 称为挂帮矿) ，也要在 高陡边坡下对矿石进行开采。在高陡边坡条件下采矿必然带来诸多安全问题刚， 一是采动条件下边坡保留岩体自身的稳定，其次是回采施工过程中的作业安全。 在挂帮矿开采期间，高陡边坡和地下巷道受到很多因素的影响，在这些因素的作 用f ，岩体可能发生破坏，导致边坡及地下巷道的变彤，其最极端的结果是边坡 悭失稳定，产生滑坡，巷道冒顶。 由于岩体变形是一个自微观变形向宏观变形的转化过程，战u ，以在岩体旋生 变形的过程中，采取适当方法对其变彤进行监测，确保r 作划l i j 其变形在安全范 硕士学位论文第一章绪论 围之内。通过变形监测，掌握岩体变形的发展变化规律，进而对其进行预报，减 小岩体失稳时人员和财产的损失【5 1 。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 地表移动的研究 几十年来，我国金属矿山人员从技术角度对因采矿导致的灾害问题进行了大 量的研究，包括地表岩层移动规律研究，地下采场冒顶、片帮、岩爆、露天边坡 稳定性研究等，取得了大量的成果，为确保矿山的安全生产起到了重要的作用。 多年来，虽然在金属矿山灾害研究方面取得了一定的成就，然而这些研究大都局 限在行业技术进步问题上，往往只是对某个问题或某几个问题进行，而非系统地 进行研究f 6 j ，导致认识上的片面性。近年来愈演愈烈的金属矿山灾害、潜伏的大 量致灾隐患、日益恶化的矿山生产条件和生活环境向人们警示，单纯从技术角度 是不能解决问题的。因此，金属矿山地质灾害的危害性及其发展趋势，应当受到 政府和主管部门的高度重视，加强对其管理，应当把金属矿山地质灾害纳入国家 防灾减灾政策范围之内，把金属矿山的防灾减灾与矿山企业、地区经济乃至国民 经济的可持续发展结合起来，提高它在社会中的重视程度，加强社会教育，提高 人们防灾减灾意识。 地下采动引起滑坡方面，我国学者何万龙、颜荣贵教授等提出以随机介质理 论为基础的山区地表采动影响函数叠加预计方法i f s ；田家琦教授等提出基于叠 加原理的应力应变函数法以及传统的极限平衡理论方法【9 1 0 1 ；谢和平院士、于广 明教授提出了以分形理论为基础的非线性分析方法【l u ；东北大学丙永勤应用 f l a c 方法和s a r m a 坡体稳定性分析方法，模拟采动引起滑坡的主要人为和自然 的因素，寻求控制方法；胡海峰等运用有限元法的基本思路，提出了采动坡体稳 定性的计算方法【1 2 】。 国外很多采用经典力学分析方法，以不同的力学模型为基础，针对一些具体 地质采矿条件建立数学一力学理论模型，应用力学知识计算岩体产生的移动、变 形和应力分布情况。力学预测模型主要有萨武斯托维奇的弹性基础梁理论，阿威 尔申的塑性理论，贝里( b e 叫) 、塞勒斯( s a l e s ) 的弹性理论模型及萨拉蒙( s a l a m o n ) 的线弹性分析原理。 1 2 2 边坡稳定性的研究 岩体边坡的稳定性分析是一个十分重要的工程问题，边坡的变形、失稳，从 本质上来说是自身求得稳定状态的自然调整过程，而协助它趋于稳定的作用因素 有自然因素和人类的活动因素【1 3 1 。边坡稳定性分析与评价长期以来一直是边坡工 3 硕士学位论文 第一章绪论 程的重要核心内容之一，也是当今边坡工程的一个研究热点，它贯穿于边坡工程 的始终i l 4 。而边坡的稳定性研究方法则经历了从定性分析方法一定量分析方法 不确定性分析方法智能分析法。 定性分析方法能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，并可快速地对边坡的 稳定状况及其发展趋势做出定性评价。定性分析法主要包捌1 5 l ：自然历史分析法、 工程类比法、边坡稳定性分析数据库和专家系统、图解法。 定量分析方法是通过力学原理对边坡进行稳定性分析，严格地讲，边坡稳定 性分析还远没有达到完全的定量这一步，目前它只能算是一种半定量的分析方 法。定量分析方法可以分为两大类：极限平衡分析法【1 “1 9 】和数值模拟法1 2 0 1 ( 应 力应变分析法) 。 不确定性方法在边坡稳定性分析中的出现约在上世纪7 0 年代，方面由于 一些新理论和新方法，如可靠性理论、模糊数学理论、灰色系统理论、神经网络 理论等的出现，可以和边坡稳定性理论进行学科之间的交叉和渗透：另一方面是 由于在边坡工程设计和分析中涉及有大量的不确定性( 模糊性、随机性、信息不 完全性和未确定性) 因素越来越被人们认识到，如岩体性质、荷载等物理方面的 不确定性，取样、试验的统计不确定性，计算模型的不确定性和人为过失造成的 不确定性等【2 1 1 。这些不确定性的客观存在给边坡稳定性分析带来了巨大的困难。 在实际工程中存在边坡安全系数大于1 发生破坏而小于1 却稳定的现象，因此， 确定性分析方法的分析结果并不是十分理想，探讨各种不确定性方法在边坡稳定 性分析中的应用是有益的。 随着计算科学技术的进步和理论地不断完善，智能分析在边坡稳定性分析和 预测中的应用越来越广泛，包括： ( 1 ) 遗传算法 肖专文瞄】等基于圆弧滑动面假设，提出一种用遗传算法搜索边坡最危险滑动 面及最小安全系数的方法，减小了工作量。金菊良等瞄】利用基本遗传算法运行过 程中搜索到的最优个体逐步调整优化变量的搜索区间，形成一种改进的遗传算 法，称为加速遗传算法( 简称a g a ) 。柴贺军【2 4 】等对进化遗传算法进行了改进， 提出了新的交叉算子和变异算子，使得改进后的算法具有更好的全局收敛能力。 ( 2 ) 神经网络 1 9 9 6 年夏元友【2 5 】等人提出的基于人工神经网络的边坡稳定性工程地质评价 方法；1 9 9 9 年卢才金1 2 6 】等人分析了岩质边坡的稳定性三大因素，即地形因素、 岩体因素和外在因素，建立了边坡稳定分析的b p 模型；2 0 0 1 年刘勇健等【2 7 l 建立 了l o 因素的边坡抗震抗滑稳定性分析的神经网络系统；2 0 0 1 年王维升等i 冽建立 了用于黄土质边坡稳定性分析的神经网络模型，并以宝鸡峡引渭渠道左岸高边坡 4 硕士学位论文第一章绪论 为实例进行了验证；2 0 0 5 年郭社锋【2 9 】等人分析了影响黄土高边坡稳定性的因素， 用改进的神经网络b p 模型对西部四省地区上百个黄土高边坡稳定性进行预测和 评价研究。 ( 3 ) 复合法 把两种或多种方法融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。如神经网 络的学习包括了两个优化过程，分别是网络连接权重的优化和网络拓扑结构的优 化，然而优化权重的最著名的b p 算法却存在局部极小和无法学习网络拓扑结构 的问题，遗传算法作为对自身演化过程学习的一种优化算法，与神经网络的结合 可以解决这个问题【3 0 】。如王卫华、张志军3 1 。2 1 等将模糊理论与神经网络和遗传 算法相结合，建立了自适应模糊神经网络模型和提出了一种改进的模糊自适应遗 传算法，并将它们应用到圆弧边坡稳定性分析中，建立了边坡稳定性分析的模糊 神经网络方法和进化模糊神经网络方法。张志强【3 3 】采用遗传神经网络方法进行变 形预测，并建立相应模型；赵洪波和冯夏剧3 4 j 针对变形序y o d , 样本的问题，将支 持向量机应用到变形序列的表达中。 近年来边坡稳定性的预测预报问题一直是国内外工程地质和岩石力学等各 个学科领域的专家、学者关注的热点。近几十年来，国内外许多学者为寻找滑坡 动态规律及时间预报方法进行了大量的研究，提出了各种各样的预报理论模型， 从传统的安全系数法到模糊理论综合评判方法，从斋滕法到人工智能的引入等 等，并且这些方法在实际工程中都得到大量的应用。这些探索性的研究历程大致 可以分成三个阶段【3 5 】：2 0 世纪6 0 , - , 7 0 年代经验一统计学预报阶段；2 0 世纪 8 0 年代位移一时间统计分析预报阶段；9 0 年代以来非线性预报及综合预报模 型及预报判据研究阶段。 1 2 3 边坡落石及其防护措施的研究 随着山区高等级公路修建的加快、加多，以及山区旅游观光开发的快速发展， 边坡滚石问题也必然会越来越突出【3 6 j 。对于边坡滚石运动问题的研究分析方法可 以归纳为两类，即以试验研究为主的经验方法和以理论推导为主的系统方法。前 者主要包括现场试验研究以及室内比尺模型试验研究，试验研究的数据具有准 确、客观、综合的特点，试验研究的方法也是确定基本物理力学参数，深入理解 边坡滚石问题的重要方法。但是试验研究的数据缺乏系统性，并且具有区域局限 性强的特点，这使得试验方法的结果不具备广泛的工程意义。理论推导的方法， 主要是以运动学和动力学理论为基础，建立合理的数学计算模型。随着计算机技 术的发展，在滚石研究方面计算机辅助分析方法有了很大的发展，国外在上世纪 8 0 年代已开始这方面的研究，目前仍在深入【3 7 3 9 1 。用计算机辅助分析滚石的运 动轨迹，首先要建立合理的计算模型。而计算模型的正确与否必须通过试验数据 5 硕士学位论文第一章绪论 来评判和调整，所以要正确估算出滚石的运动轨迹，必须要坚持实践到理论再到 实践的辩证方法。许多欧美国家在2 0 世纪5 0 , - 6 0 年代就已经开始了有关滚石发 生机理、滚石危险性评价、滚石防护方法和技术的研究，并取得了显著的成果 【4 蝴】。我国对滚石灾害的研究刚刚起步【4 5 一砌，随着人们生活质量的提高及山区 内大量基础设施( 特别是线路工程、城市化建设、旅游开发、水电和矿山建设等) 投入使用或建设，这种危险性很大的滚石事件必然会得到越来越多的重视。因此 需要对这类灾害进行全面而深入的研究。 目前国内外整治危岩崩塌、落石的措旋概括起来主要有清除、支撑、护墙、 插别与串联、锚固、拦截、遮盖、封填、灌浆和排水等。在实际应用中应以安全 可靠、技术可行、经济合理、施工方便、环境协调为原则，根据实际情况比较各 方式的优劣，综合考虑。 ( 1 ) 锚固 利用锚杆将危岩与稳定的母岩联系在一起以稳固危岩的措施，通过改变锚杆 的截面规格，钻进方向和长度可对各种类型的危岩起到加固作用。锚固是危岩治 理的主要工程措施。 唐红梅【4 9 1 根据沿着锚杆布设方向岩体变形量最大的总体目标，建立了岩体锚 固变形方程，据此提出岩体最优锚固方向，即锚杆沿着主控结构面倾向布设，主 控结构面倾角与锚杆倾角满足口+ = 万。 陈洪凯【5 0 j 提出锚固岩体等效参数法，该方法将锚杆与危岩均视为均质各向同 性连续介质，从岩体的等效法向及切向刚度系数出发，基于小变形，变形可叠加 性和强度参数不相关性，建立了等效锚固体的强度参数c 彳够的表达式。 ( 2 ) 支撑 用条石、混凝土等支撑体支撑危岩，防治其坠落的方式。支撑多用于悬挑状 危岩下，也是危岩加固的主要措施。支撑体与危岩能否紧密连接是支撑作用能否 发挥的关键问题。 ( 3 ) 拦截 在危岩带下方斜坡的适当位置，修建刚性拦石墙，柔性拦石网，以拦挡上部 危岩的掉块落石。拦截是一种被动的防治技术，根据地形条件判断落石的运动路 径，估计弹跳点、弹跳高度，以确定拦石墙的位置、高度是这种方法的一个重点。 ( 4 ) 清除 体积较小且与母岩严重脱离的孤石通常将其清除。 ( 5 ) 灌浆 灌浆可改善结构面的力学性能，从而增加岩体强度，防止外部因素对岩体的 侵蚀和弱化。 6 硕士学位论文 第一章绪论 ( 6 ) 排水 修建完善的地表排水系统，将地表径流汇聚起来，通过排水系统排到坡外， 防治大量流水进入岩体增大水压力以及侵蚀岩体。 ( 7 ) 护坡 对危岩基座易风化的泥岩，应喷射混凝土加以封闭，防止表面剥落和风化的 发生。 另外，近年来，国内引进一种瑞士布鲁克钢缆网，这是一种柔性防护结构， 对岩石表面破碎、坡面无茂密树林和灌木的新建路堑效果较好。布鲁克网最大的 特点是充分利用柔性材料的易铺展性和高防冲击能力，在充分利用高强金属材料 的质轻和易加工特点来实现系统的轻型化、以尽可能简单的机具、最短的工期和 最少的劳动力来实现施工安装和维护的简单快速化，从而解决山区复杂地形条件 下传统防护措施施工困难、进展缓慢的长期难题，并充分利用系统的柔性和施工 布置的灵活性来最大限度地适应各种复杂的地形地貌环境，避免或尽可能降低因 开挖所造成的环境破坏和对边坡稳定性的危害，以及对其他作业和周边建筑物正 常运营的干扰，可以同步或超前于土石方主体开挖工程的施工，即能实现逆作法 施工或平行作业。 1 3 论文研究的主要内容与方法 本文以会东铅锌矿露天边坡为研究对象，在收集矿山工程资料和对该露天矿 边坡工程所处工程地质条件调查、深刻认识的基础上，以工程地质模型和岩体结 构控制论为基本出发点，采用工程地质与岩体力学相结合，破坏模式的总结分析 和模拟研究相结合，运用理论分析与数值模拟等手段，研究露天矿边坡破坏的动 态力学特征和变化规律，对遗传程序设计和概率统计方法进行了探讨，并将之运 用于边坡稳定性的预测和模拟，为边坡崩塌防护提供理论依据。本文主要完成的 工作如下： ( 1 ) 结合会东铅锌矿露天边坡工程的特点，系统地调查露天矿区域内的工 程地质条件和生产技术条件，采用理论分析方法研究该地区边坡变形破坏的主要 特征和模式； ( 2 ) 根据收集的北部边坡和西部边坡的变形监测数据，基于遗传程序设计 方法对露天转地下开采过程中边坡附近边坡移动规律进行分析和预测； ( 3 ) 采用随机统计方法对露天矿边坡崩塌的典型剖面进行了模拟分析，研 究开挖渐进过程中边坡变形破坏的动态特征，进一步认识边坡变形破坏过程中滚 石的分布规律和运动特征，进而提出基础的防护措施： ( 4 ) 运用力学分析和总结前人经验，提出相应得防护措施，为矿山的安全 7 硕士学位论文第一章绪论 生产提供依据。 论文研究的主要技术路线如图1 2 图1 2 论文研究的技术路线图 8 硕士学位论文第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 2 1 矿山概况 2 1 1 矿区自然地理状况 矿区地处螺髻山系南沿部分的鲁南山东侧，山脉走向受区域构造控制，呈南 北向展布，海拔高程一般在1 7 0 0 2 5 0 0 m 之间，相对高差一般在8 0 0 1 2 0 0 m 之 间，矿床处于横切大桥向斜东翼的“地堑”式断块构造中。矿区的主要河流为流经 矿区北东侧的大桥河，全长7 3 k m ，汇水面积7 6 0 k m 2 。该河流为金沙江的一级支 流，呈n w 走向，其北西段为宽谷，南东段为峡谷，次级支流多呈北东向或近 东西向。河床标高1 6 9 3 m ，为矿区的最低侵蚀基准面。水位变化大，其流量为 3 2 2 9 6 m 3 s 。两岸的地貌多为谷深、坡陡的深切割高山地貌。 矿区位于康滇地轴东北面，凉山断裂带西南部和东川台拱西北缘交接部位。 矿区内构造主要为断层，共有大小断层4 0 余条，总体走向n w ，倾向n e ，倾角 较陡。矿床赋存于f i 以北，f 1 5 以南的次一级断块构造中，宽约2 0 0 米，长约5 0 0 米的地段内。矿床与断层关系十分密切，矿液沿早期n w w 组断裂充填交代成矿。 成矿后，断裂再次复活把矿体切割成若干小块，致使形态较复杂，但断距不大。 黑色破碎带( 黑破) 是矿区一个特殊的构造体，它分布广、延伸大，是各组 断层共同形成的破碎带，由围岩角砾式破裂体组成，并伴随强烈炭化、泥化和片 理化。黑破与成矿关系密切，局部本身亦为矿体。 矿区属亚热带高原型季风气候，垂直分带性明显，气温随海拔的增高而降低， 降雨量随海拔的增高而增加。区内日照充沛，年平均气温1 6 1 7 ，极端最低气 温为5 9 。c ，最高气温为3 5 6 。年日照2 3 1 2 小时，无霜期长达2 5 8 天，年降雨 量为1 0 6 6 m m ，但季节分配不均，每年的月为雨季，降水量占全年总降水量 的9 0 以上。大暴雨少见，在3 2 年中仅有3 天，其极限值为1 0 5 5 m m ，平均值 仅7 6 7 m m 。区内春旱严重，有时还有伏旱和冰雹，冬季有季节性积雪和冻土层。 2 1 2 矿山边坡地质 矿区的不良自然地质现象不发育，山坡形态在地层产状总体与坡向相反的控 制下处于较稳定状态。矿区不良地质作用主要为大气降水冲刷和由温度变化引起 的岩石表层物理风化。受矿区岩石特征的制约，两者不良作用有限，仅造成少量 矿山表面的水土流失现象。矿区的采矿规模较大，工程活动较为强烈，主要工程 地质问题是露采边坡和矿坑的稳定性问题。 9 硕士学位论文 第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 北边坡2 0 0 4 m 水平以上，主要为挂帮矿，分布在叽3 线之间。以白云岩为 主，深部边坡表面附近有“黑破岩”，断层较发育，主要有f 1 5 、f 3 、f 2 5 、f 7 、f i 3 ， 整体属稳固型边坡，局部不稳固。 西边坡以f 9 断层为界，南侧为较稳固一中等稳固的白云岩、灰岩，北侧主 要为黑破岩。黑破岩露出宽度达1 5 0 m ，上下延伸3 0 0 m 以上，厚度约1 0 0 m ，很 破碎，易风化，岩芯的r q d 指标小于1 0 。西边坡局部地段有少量层状岩层， 其层向倾向逆边坡倾向，有利于边坡稳定。西边坡岩体的断层十分发育，主要的 有f 5 、f l 、f 6 、f 8 、f 1 5 等张扭或先张扭后压扭的平移正断层，断层发育方向有 n w w 向，总体倾向n n e ，局部倾向s w ，倾角6 0 0 9 0 0 ，其中f r t l 5 之间形成 了西边坡中间偏东的三角形r l 区地堑沟黑色破碎带，f 5 f 6 之间形成了西边坡内 中间偏西北的三角形r 2 区地堑黑色破碎带。其中f 5 断层属n w w 组派生断裂( i 级结构面) ，断层性质为先张扭后压扭，断层平直光滑，构造岩为角砾岩和黑破 角砾岩，断层延伸3 0 0 m ，控制深度3 0 0 m ，破碎带宽度0 5 2 0 m 。所以，西边坡 是不稳固的。 南边坡主要为稳固一中等稳固的白云岩，其主要断层有f 6 、f 3 0 、f 9 、f s ， 多与边坡面成一定交角，属于较稳固的边坡。 东部是断堑冲沟，边坡甚小。矿山工程地质情况如图2 1 所示。 2 1 3 地震与区域稳定性 矿区地处川滇地震亚区中的冕宁一西昌地震带和东川一嵩明地震带之间，并 靠紧后者，东距小江活动断裂带仅1 6 k m 。沿小江断裂带的云南东川1 7 3 3 年8 月2 日发生过7 5 级大地震，1 9 6 6 年2 月5 日又发生过6 5 级强震，云南巧家新 塘一带1 9 3 0 年5 月1 5 日发生过5 7 级强震；在矿区近正北3 2 k m 的小江断裂与 则木河活动断裂相接的宁南华弹1 9 1 8 年8 月4 日发生过5 5 级强震。此外，在 矿区南南西3 0 k m 的会东淌塘1 9 4 7 年6 月7 日发生过5 5 级强震，金沙江对岸的 武定和禄劝1 9 9 5 年1 0 月2 4 日发生5 2 级强震。这些强烈地震都波及矿区，使 矿区处于受地震活动影响较为频繁的境况，区域稳定性较差。根据四川省地震局 编制的攀西地区地震综合等烈度图，矿区的地震烈度区划为靠近度区边缘的 度区【5 1 1 。 1 0 一80三一吁崞絮堪h奄奄母卑世小一母 硕士学位论文 第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 2 1 4 矿山开采情况 矿区三角矿柱主要分布在西、南边坡，矿石价值较高，是矿区品位较高的矿 段之一。西、南边坡高度大，南边坡最终高度2 7 6 m ，西边坡最终高度3 7 5 m 。边 坡表面形状不规则，表面及矿段之间有不同规模的断层破碎带，或表外矿，或夹 石。在一期露采时虽然稳定，但在边坡下采矿，必然破坏其稳定性。通过资料分 析得到，随着开采深度的增加，边坡塌落界线也随之增大，达到极限时，会发生 坍塌，坍塌规模与开采范围有关。南边坡矿岩较致密，崩落易成大块，西、北边 坡矿岩松软破碎，崩落块度较小。 现行露天开采基本结束，地下生产已初步形成。矿床矿体以y = 6 0 0 0 坐标为 界线分为东西两部分，矿体平均厚度8 7 m ，最厚达2 0 4 m ，走向长度1 5 0 m ，矿体 倾角8 5 0 ；2 0 0 4 m 水平以上三角矿柱采用盘区阶段连续崩落法采矿，首采区选择 在南边坡西端和西边坡南部，沿走向自西向东回采。矿体以较大的断层结构面为 界，分为i v 矿段，按1 l 线为界的东西部划分，开采条件如表2 1 所示。 表2 - 1 坑采矿体开采条件表 ： 东部采区i 、i i 、矿段西部采区v 矿段、少部分矿段 开采条件 1 赋存标高( m )1 9 4 4 - 2 0 6 4 ( 2 个中段)1 9 4 4 2 1 2 4 ( 4 个中段) 2 平面位置1 1 4 以东 1 1 4 线以西 3 矿体平均厚度( m )5 8 5 2 4 倾角 7 5 0 9 0 07 5 0 9 0 0 5 走向长度( m )2 0 0 2 1 0 ( 有效长2 1 0 m ) 1 8 0 - 2 0 0 ( 有效长1 8 0 m ) 黑色破碎带含矿和角砾状细细脉浸染状矿石，中等稳固，局部 6 矿石类型及稳定性 脉状矿石互相穿插，不稳固。黑破矿石不稳固。 7 下盘围岩 z b d - 5 厚层白云岩f = 8 1 0 z b d 层白云岩，中等稳固，f _ 8 l o 中等稳固 z b d 5 白云岩局部破碎，上部砂页岩，中下部为黑色破碎带 8 上盘围岩 f = 8 l o ，中等稳固。直接矿体，f = - 2 - - 4 ，不稳定。 2 2 矿山采动的分析 2 2 1 开采移动的形式 地表移动是指采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表 产生移动和变形，也称地表沉陷【5 2 1 。开采引起的地表移动过程，受多种地质采矿 1 2 硕士学位论文第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 因素的影响，因此，随开采深度、开采厚度、开采方法及矿体的产状等因素不同， 地表移动和破坏的形式也不完全相同。在采深和采厚的比值较大时，地表的移动 和变形在时间和空间上是连续的，具有明显的规律性。当采深和采厚的比值较小 ( 一般小于3 0 ) 或具有较大的地质构造时，地表的移动和变形在空间和时间上 将是不连续的，移动和变形的分布没有严格的规律，地表可能出现较大的裂缝或 塌陷坑。地表移动和破坏的形式，归纳起来有下列几种【5 3 巧5 1 。 ( 1 ) 地表移动盆地 在开采影响波及到地表以后，地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方 地表形成了一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移 动盆地，或称为下沉盆地。在地表移动盆地的形成过程中，改变了地表原有的形 态，引起了高低、坡度及水平位置的变化。因此，在位于影响范围内的道路、管 路、河渠、建筑物、生态环境等等，都受到不同程度的影响。 ( 2 ) 裂缝及台阶 在地表移动盆地的外边缘区，地表可能产生裂缝。裂缝的深度和宽度，与有 无第四纪松散层及其厚度、性质和变形值大小密切相关。若第四纪松散层为塑性 大的粘性土，一般时地表拉伸变形值超过6 l o m m m 时，地表才发生裂缝。塑 性小的砂质粘土、粘土质砂等，地表拉伸变形值达到2 9 m m m 时，地表即可产 生裂缝。地表裂缝一般平行于采空区边界发展。当采深和采厚的比值较小时，在 推进中的工作面前方地表可能发生平行于工作面的裂缝，但裂缝的宽度和深度都 4 比较小，这种裂缝时随工作面推进先张开而后逐渐闭合。地表裂缝的形状为楔形， 地面的开口大，随深度的增大而减小，到一定深度尖灭。 在采深和厚度比较小时，地表裂缝的宽度可达到数百毫米，裂缝两侧地表可 能产生落差而形成台阶，落差的大小取决于地表移动的剧烈程度。当上部岩层覆 盖有含水砂层的厚松散层或地表下沉值较大时，地表移动盆地的边缘区可能产生 一系列类似地堑式的张口裂缝。相邻两条张口裂缝发展到一定的宽度和深度后， 两条裂缝中间的土层下陷而造成中间低、两侧高的地堑式裂缝。有时在采空区周 围的地表形成环形破坏堑沟。 ( 3 ) 塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜矿体开采条件下。但在浅部缓倾斜或倾斜矿体开采， 地表连续性破坏时，也可能出现漏斗状塌陷坑。在采深很小或采厚很大的情况下， 由于采厚不均匀，造成覆岩破坏高度不一致，也会在地表产生漏斗状塌陷坑。塌 陷坑的形状取决于松散层的性质和厚度，在有厚松散层覆盖的情况下，多呈圆形 或井形，有时也呈口小肚子大的坛式塌陷漏斗。 ( 4 ) 垮落岩石下滑( 或滚落) 硕士学位论文 第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 矿石采出后，采空区为冒落岩块所充填，当矿体倾角较大、而且开采自上而 下顺序进行，下部矿石继续开采而形成新的采空区时，采空区上部垮落的岩石可 能下滑而充填新采空区，从而使采空区上部空间增大，下部空间减小，使位于采 空区上部的岩层移动加剧而下部的岩层移动减弱。 矿区三角矿柱主要分布在西、南边坡，矿石价值较高，是矿区品位较高的矿 段之一，赋存在露天坑底和2 0 6 4 m 水平之间。2 0 0 4 m 水平以上西南边坡三角矿 柱高度o - - 6 0 m ，南北宽0 - - 1l o m ，东西长0 1 2 0 m ，上小下大。边坡表面形状不 规则，边坡表面及矿段之间有不同规模的断层破碎带，或表外矿，或夹石。边坡 在一期露采时虽然稳定，但在边坡下采矿，必须破坏其稳定性。随着开采深度的 增加，边坡塌落界线也随之增大，达到极限时，会发生坍塌，坍塌规模与开采范 围有关。南边坡矿岩较致密，崩落易成大块，西、北边坡矿岩松弱破碎，崩落块 度较小。 2 2 2 开采移动的影响因素 ( 1 ) 自然因素的影响 1 ) 坡体岩土的物理力学性质 岩土体在采动影响下发生剪切破坏使坡体失稳而滑动，因而岩土体本身强度 愈大，整体性愈好，其抗采动和抗剪切的能力愈强，变形就不容易发生。相反， 岩土体变形就容易发生。 从山区开采沉陷的观点来看，山区地表附加滑移量的大小与地表岩土覆盖层 的厚度和物理力学性质密切相关。覆盖层的力学强度愈大，滑移特性系数愈小， 地表附加滑移量就愈小。反之，地表覆盖岩土层的强度愈小，滑移特性系数愈大， 地表附加滑移量就随之增大。观测和实验分析表明，胶结疏松、孔隙率大的轻亚 粘土，其附加滑移量要比质地坚硬整体性好的基岩大一倍。显然，附加滑移量愈 大，地表变形和裂缝也就愈严重，坡体稳定性也就愈差，因而地表覆盖层岩土层 的物理力学性质对采动坡体稳定性有重要影响。 2 ) 坡体的构造 研究表明，对于矿体上覆近水平岩层构成的坡体，只有在坡体临空面上部具 有适当的软弱层理面作为滑动面时，较大面积的典型塌滑式或蠕变式采动变形才 能发生，否则只有在坡度很陡的陡崖或断岩部位发生面积和深度较小的采动崩 塌。而该区坡体的结构以层状为主，岩体接触面、节理、裂隙和孔隙为坡体变形 提供了条件。 3 ) 水文地质条件 水的作用主要是降低岩上体结构面上的粘聚力和摩擦力，产生静水压力和动 水压力，从而降低岩土体的抗剪强度和抗滑力，有利于变形的发生。 1 4 硕士学位论文 第二章基于遗传程序设计的边坡移动规律研究 该区构成坡体的大多是近水平的层状沉积岩体，地表水系较发育和地下水位 较低，加上地表裂缝的影响，坡体临空面以上难以形成长时间的饱水状态，所以 一般不存在稳定的静水压力，因而对变形起作用的主要是地表水渗透软化岩层。 降雨产生的地表水通过坡体拉伸部位主要是坡顶部位，采动裂缝向下渗流，当坡 体临空面以上有隔水软弱层存在时，渗入的水流将顺软弱层面渗透，在长期作用 下，有可能形成曲线形滑移面，产生较典型的塌滑式滑动如果坡体临空面以上不 存在隔水性能好的岩层，则水体一般沿采动裂缝和竖向节理向下渗透。由于靠近 表层的岩体因风化作用裂隙比较发育，故渗透面往往偏向谷底方向，从而有可能 形成一个近似平面的倾斜滑动面，为采动坡体发生崩塌和平面直滑创造了条件。 ( 2 ) 采矿方法与过程的影响 1 ) 开采厚度与开采深度的影响 开采厚度对上覆岩层及地表的沉陷过程的性质有重要的影响。采厚越大，冒 落带、导水裂缝带高度越大，地表移动变形值也越大，移动过程表现得越剧烈， 因此移动和变形值与采厚成正比【5 6 j 。 随着采深的增加，地表各项变形值减小。这是由于采深增加，地表移动范围 增大，而地表下沉值变化不大，因此地表移动盆地变得平缓，各项变形值减小。 可见，在其它条件相同的情况下，地表各项变形值是与采深成反比的。 地表移动变形值即与采厚成正比，又与采深成反比，所以常用深厚比值作为 衡量开采条件对地表沉陷影响的粗略估计的指标。深厚比较大，地表移动变形值 越小，移动和变形就越平缓：深厚比较小，地表移动与变形就越剧烈。在采厚比 很小的情况下，地表将出现大裂缝、台阶状断裂，甚至出现塌陷坑。 开采深度还对地表最大下沉速度和移动持续时间有影响。采深度较小时，地 表下沉速度大，移动持续时间较短；开采深度较大时，地表下沉速度小，移动比 较缓慢、均匀，而移动持续时间则较长。 西部矿体赋存于2 1 8 0 m 和1 9 4 4 m 之间，延伸2 3 6 m ；东部矿体地面为露天坑 底，位于2 0 6 4 m 至1 9 8 0 m 水平之间。矿体下