01-矿山边坡工程-理论研究

我国露天矿山边坡工程研究进展与展望,高谦北京科技大学2009.09,内容提要,1前言2露天矿山边坡工程特点3我国露天矿山边坡工程研究与发展4我国矿山边坡工程研究新进展5我国典型矿山工程研究简介(1)首钢水厂铁矿高边坡工程(2)白银公司厂坝铅锌矿边坡工程(3)包钢白云鄂博铁矿边坡工程(4)抚顺西露天煤矿边坡工程,1前言,1.1国内外露天开采情况露天开采是金属矿开采的主要方式之一。近30年来，世界采矿业发展的特点，是继续推广先进的露天开采方法。据统计，世界固体矿物年开采量中，露天开采占75以上，而且还在逐渐增大。1991年48亿吨褐煤产量中，约70是露天开采的；在铁矿方面，露天开采占绝对优势，世界铁矿石产量的9.45亿吨中，露天采出占96以上。我国1993年已生产铁矿石2.27亿吨，而露天开采占90以上。有色金属矿石占50；化工原料约占70；建材近100是都由露天矿采出的。在前苏联，1990年5.38亿吨铁矿石产量中，88是由露天矿采出的。而美国的铜、铁矿石和世界上铁矿石生产大国的澳大利亚与巴西的铁矿石，也都是由露天矿采出的。,1.2露天开采优点与地下开采比较，露采具有如下几个突出的优点：1.受开采空间限制较小，可采用大型机械设备，从而可以大大地提高开采强度和矿石产量；2.劳动生产率高，约为地下开采的510倍；3.开采成本低，仅为地下开采的1/41/3；4.矿石损失贫化小，损失率和贫化率不超过35；5.对于高温易燃的矿体，露天开采比地下开采更为安全；6.基建时间短，约为地下开采的一半，每开采一吨矿石的基建投资也比地下开采低；7劳动条件好，作业比较安全。,1.3我国露天矿山及分布,我国主要露天矿山一览表,我国主要露天矿山一览表（续）,我国主要露天矿山分布图,1.4我国露天矿山开采现状建国初期，我国露天矿多为山坡露天或浅层露天开采，开采深度一般不超过100m，而目前露天矿边坡高度已超过400m，一般大型矿山的边坡高度已达到300500m，有的超过600m，而水厂铁矿边坡已接近700m。随着矿山的不断开采，边坡高度继续增加。因此，高陡露天边坡的稳定性研究就变得十分重要。自上个世纪70年代起，我国不少矿山由山坡型露天转入深凹露天后，边坡加高、加陡滑坡事故开始增多。不仅破坏概率增高，而且滑体规模也变大。实例证实，当边坡高度超过100150m后，滑坡事故的频率明显增高。我国的南山、海州、海南、大冶、兰尖、把关河的滑坡事故都说明这一点。,近5年我国非煤矿山边坡滑坡的安全调查,根据1991年对我国12个大型露天矿的边坡现状调查结果表明，露天矿边坡潜在着严重的不稳定因素。抚顺西露天矿自建矿至1990年的70多年间，共发生滑坡近70次，处理滑坡、削坡减载剥离岩石近1亿m3。1959年发生的底板凝灰岩顺层滑坡，毁坏矿山西大卷主要提升运输系统，工程处理历时三年，耗资2000多万元。1979年，该露天矿西端帮发生大滑坡，掩埋西大卷提升运输系统，再度使矿山停产。大孤山铁矿进入深凹开采后，东、西端帮发生过局部下沉、滑落；如41m站北1841m阶段的下沉，18m站北侧局部滑落等。更值得关注的是抚顺西露天矿滑坡：在1978年，由于抚顺西露天煤矿扩帮开采，造成北帮发生14次滑坡。1984年，西露天矿强化北帮开采，导致北帮多次滑坡和地表剧烈变形，由此造成严重后果，造成1987年一年少生产油页岩300万t，原煤减产389万t，损失接近于1.4亿元。大冶铁矿自1972年以来，共发生边坡滑落19次，滑坡量达140万m3，其中在1979年发生了滑落量为2万m3的大规模滑坡事故。边坡的不稳定区段长度达890m，占总长度的19.8。把关河石灰石矿先后两次滑坡，第一次1000万t，第二次为800万t，严重影响了生产。,白银露天矿一采场形成边坡约65万m3，上部边坡已陆续出露20多年，共发生大小滑坡、塌方数10次，较大规模的也有8、9次，历年来累计边坡人工清理费约47万m3，耗资118万元。金川露天矿19751982年间，上、下盘边坡处理工程量达148万m3。1990年3月发生40万m3的滑坡堆积于1514m平台，迫使该矿于1990年7月提前闭坑。南山铁矿1979年1990年间发生21处滑坡，滑坡规模最大的一次发生在1980年，滑坡量达2232m3。海州露天矿自1952年建矿以来，形成边坡高度约240m，40年共发生73次滑坡，其中有三次大滑坡：即1977年滑落岩石300万m3，煤量达70万m3，影响生产一个多月。1986年滑坡30万m3。1989年南帮一次有6个台阶滑坡。,另一方面，目前国外露天矿的边坡角基本在45以上。我国矿山边坡角一般不高于4045。与国外相比差距很大。对于大型露天矿山边坡，在无覆盖层的情况下，边坡角度在3060的范围每加陡1，剥岩量减少3.433.91。如果边坡角从40加陡到45，当采深为500m时，每1000m采场长度上，上下盘剥离量可减少4800万m3（见右图）。,剥岩量与边坡角变化曲线,我国矿山边坡存在问题与研究现状：存在问题：(1)很多矿山边坡潜在滑坡安全隐患；(2)部分矿山边坡角还有待于挖潜，存在提高边坡角的余地。研究现状为了解决我国露天开采所存在的技术难题，在国家“八五”、“九五”和“十五”期间，原冶金部、煤炭部以及现在的国家科技部对此十分重视，组织高等院校和科研单位进行技术研究，针对深凹露天矿山开展技术攻关，对深凹露天矿联合运输工艺、高台阶开采技术、高陡边坡稳定性和露天矿通风防尘综合技术进行了联合攻关，获得了重大进展。与此同时，各个大型矿山还针对矿山在生产中出现的技术难题，与高等院校和科研单位合作研究，解决了矿山生产中的亟待解决的生产难题。攻关矿山：本钢南芬铁矿（陡帮开采）、太钢峨口铁矿、首钢水厂铁矿、武钢大冶铁矿、白银公司厂坝铅锌矿等。,2露天矿山边坡工程特点,2.1露天矿边坡是一个动态地质工程问题矿山边坡是露天矿最主要的结构因素，由于矿山开挖及开采活动贯穿于矿山服务期间的始终。因此，露天矿边坡一般总是处于不断开挖的动态变化过程。露天矿开采初期，为了早投产、少投资，尽可能地少剥离，一般都是临时性边坡，只是到露天开采的中后期，才逐渐采用较大边坡角的最终靠帮边坡。,2.2只能在既定工程地质条件下进行矿山生产的目的是为了开采地下各种有用矿物或矿物资源，这些矿物即矿物资源不但是地质作用及地质变迁的产物，而且赋存于特定的地质环境或地质结构之中。水电工程可以从众多的坝址中进行可行性论证和比较，从中选出最佳坝址，而矿山地质工程没有这种选择性，只能在矿区建矿，且只能在既定的工程地质条件下进行开挖和施工。由此可见，矿山边坡工程地质条件远比其他边坡复杂多变。,2.3边坡开挖与采矿效益密切相关矿山边坡的开挖和形成是为采出矿体为目的进行的，并且追求采矿效益的最大化。这完全不同于水电边坡工程。为了减少早期的剥离量，不仅实施分期开挖，还考虑陡帮开采。对于露天转地下开采矿山，为开采压帮矿还不得不开挖应力高度集中的边坡脚(开采边脚矿）。这些开挖方式必然给矿山边坡的稳定性带来不利影响，使边坡潜在众多的安全隐患。,2.4露天边坡工程是一个复杂的结构群体露天矿结构系统虽然比地下矿山简单得多，但是由比较复杂的结构群体组成。为了保证露天矿的正常生产活动，边坡上总设置各种平台，诸如运输平台、工作平台、防护平台等。此外，还要开挖各种堑沟及出入坑线，且为了保证边坡的稳定条件，往往还要在边坡下面开挖适当的排水巷道等，这些都使露天矿及边坡工程的结构趋于复杂。,2.5边坡工程安全评价准则的多重性和复杂性相对于水电工程，矿山边坡属于临时性工程。矿山边坡工程安全与稳定只需要满足安全采出矿产资源，是随着矿山安全开采和特定要求而定。工程稳定性，只要求在生产服务期内稳定即可。矿山工程的服务年限一般较短，矿山开采少则十几年，多则几十年。且对矿山的各种结构，由于用途和服务对象不同，其服务年限也有所不同。另外，考虑边坡工程的周围条件和环境要求，其边坡的安全评价准则也有所差异：当边坡影响范围内无构筑物或地下管线时，边坡的稳定准则仅为强度准则（稳定准则），即边坡在使用期内不发生滑塌条件。但当边坡开挖的影响区内有构筑物和地下管线，则边坡的安全准则为变形准则。否则，边坡开挖所产生的岩层移动将导致构筑物的失稳或管线的破坏。,2.6矿山工程建设是在寻求效益最大化与百年大计的水电工程相比，矿山边坡工程并不是以边坡长期稳定性为追求目标，而且在边坡在开采服务期，在确保边坡“安全使用”的前提下，实现边坡工程的最大经济效益和社会效益。也就是在边坡安全与采矿效益之间寻求一个最佳结合点。在大多数的情况下，开采结束后，边坡仍处于稳定状态并非最佳方案，而是在即将闭坑的较短时间内边坡处于临界稳定状态或发生渐近破坏，才是最佳设计结果。这正是矿山边坡的特点和最大困难之一。,3我国矿山边坡工程研究与发展,3.1研究目的与内容研究目的1.延长矿山露天开采时间（可持续发展）2.减少剥采比，提高采矿经济效益（矿山经济效益）3.减少废石量，降低对环境污染（矿山环境保护）研究课题1.提高露天矿边坡角的挖潜研究2.露天矿边坡陡帮开采技术研究3.露天转井下开采工艺与安全措施4.潜在滑坡矿山边坡综合治理研究,研究内容1.矿山边坡稳定性分析理论与综合决策技术（稳定性分析技术）2.高陡矿山边坡变形监测技术与失稳风险预测（变形监测技术）3.露天转井下开采安全过渡开采技术（露转井开采工艺）4.露天、井下联合开采高陡边坡稳定性分析（相互作用分析）5.陡帮开采工艺与优化技术（陡帮开采工艺）6.矿山开发与环境保护（环境保护）7.资源综合利用与效益评价（资源综合利用）,3.2矿山边坡分析设计发展阶段,矿山边坡设计一般程序,矿山边坡优化设计程序,目前矿山边坡研究技术路线框图,根据矿山边坡角设计研究的发展，我国矿山边坡设计发展可划分为四个阶段：第一阶段：工程类比法设计阶段从建国初期到70年代中期，矿山边坡设计主要基本处于照搬前苏联列宁格勒全苏国立采矿设计院的边坡角资料，或者参照后来中国在此表基础上扩展的边坡角初选时的经验参考值，并结合设计者的个人经验查表初选边坡角，然后再找工程地质、采矿条件、服务年限等因素相近的同类矿山进行类比修正并最后确定边坡角。第二阶段：类比与极限平衡分析法相结合设计阶段从70年代中期到80年代中期，我国部分露天冶金矿山已进入深凹开采，并且出现了滑坡地质灾害，引起了冶金部的重视。通过学习和了解，尤其通过对正在开采的大型露天矿山的考察，逐步从单一类比法，进入了类比法与岩体结构分析法及不考虑条块间接触力的极限平衡分析方法等多种方法相结合的设计阶段。在这一阶段，设计的边坡角比单一类比法所设计的边坡角准确性有所提高，边坡角也有所增大。典型的是白云东矿深部开采设计比用类比法提高了253，减少剥岩量11853.25万t。,第三阶段：全面定量分析设计研究阶段从80年代中期至上个世纪末。在这个阶段，冶金矿山和煤矿边坡研究日趋普及，并且国家“七五”及“八五”科技攻关都有边坡攻关课题，从而使我国边坡研究的科技水平前进了一大步，并在岩体结构研究及应用方面已处于国际领先水平。该阶段研究起点是由谷德振先生所提出的“岩体结构”概念以及岩体结构分类技术为起点，揭示了地质结构面在边坡工程稳定性的作用以及评价方法，在此基础上，针对不同岩体结构类型，建立边坡地质结构模型和岩体力学模型，为边坡的数值分析奠定了可靠基础。在此阶段，不仅极限平衡方法得到研究与发展，而且数值分析方法得到广泛的应用，它包括有限元法、边界元法、有限差分法、离散元法、DDA以及流形元法等。通过建立在地质工程研究基础上的数值分析方法，能够较为客观地反映岩体的结构效应以及边坡稳定性的影响，为边坡稳定性的定量分析奠定基础。第四阶段：边坡系统综合分析动态设计阶段从本世纪初，我国许多露天矿山进入深凹、高陡边坡行列，例如水厂铁矿边坡高度接近700m。高陡边坡的最大特点是对影响边坡的稳定性极为敏感，具有通常人们所说的“蝴蝶效应”和“混沌效应”。因此，边坡工程的可靠性分析就变得更加困难。因此，基于工程经验、数值分析和现场监测于一体的动态综合分析与优化决策已经成为进行复杂高边坡设计的必由之路。,4矿山边坡工程研究新进展,4.1矿山边坡工程系统分析理论矿山边坡是一个由多个子系统组成的复杂的开放系统。其复杂性表现在系统的动态性、线性型、模糊性和不完备性，而且系统各个因素之间相互作用。因此，矿山边坡工程系统分析方法是研究和解决复杂边坡工程的重要途径之一。矿山边坡工程系统分析方法体现在两个方面：1边坡工程的系统概念2边坡工程系统分析方法,边坡工程系统的概念,边坡工程系统分析方法框图,4.2矿山边坡内外动力耦合作用理论,高陡矿山边坡工程的灾害控制基础是对工程特性和影响因素的认识和定量描述。事实上人们已经认识到，边坡工程的稳定性主要取决于两个方面的因素：其一、边坡工程岩体地质条件和所赋存环境（地应力、地下水等）；其二、影响边坡稳定性的工程因素，如岩体开挖、爆破振动以及稳定性维护等。尽管现有的分析方法也考虑了部分相关因素的相互作用过程以及对边坡稳定性的影响，然而没有从理论上和概念上，真正理解和揭示不同因素的相互作用机理以及对边坡性态的影响。探讨了人类工程活动与地质环境的相互作用以及对环境的影提出了地圈动力学是地质环境、灾害与工程研究的基础。针对现有的研究更多的是关注的影响因素的单一影响，而没有综合考虑内外因素的耦合作用。首次探讨地球内外动力耦合作用理论以及对重大地质灾害的成因分析。,矿山边坡工程稳定内