露天矿最终边坡的合理设计.pdf

露天矿最终边坡 的合理设计 北 京科技 大 学 李新创 提要露天矿边被设计稳定性分析要考虑单 个台阶和整体边坡两种破坏情况．实际上露天矿边坡整体破坏的概率 较小． 而台阶破坏曲概率较大． 该文引如何合理 确定台阶盼几何参数．并针对我国 露天矿迪坡设计生产现桡． 怍出段一并成2 4 皿阶段高度的台阶几何参数*蠹目．对 设计生产有一定的参考意义． 露天采 矿技术 在过 去几十年 得到 了迅速 发 展 ，特剐是 目前原材料来源紧张，需要大量地 开采 低品位 矿床 ．使 得嚣天矿 山的规模 越来越 大 。 如 国外 已有 i 0 多座露天 矿 山的采剥 总量 在 l 亿t 左右 按设计能力 ，世界最深的露 天 开 采深 度 已达8 0 0 m。对 于这 类大 型裸 凹露天 矿 ． 其边坡 角每加 陡 i 度 ，可带 来 i 5 0 o 一 2 o 0 0 万 美 元乃 至更 多的收益 但 是 ，边坡过 睫可能 造成 滑坡 ．给矿山 生产 和安全 带来 严 重 后 果 。于 是 经济 合理 的 边坡设 计 ，既 要保持 露天矿边 坡稳 定和安全 ， 同时又能 合理 地 回收投 资费 用 。 所 以 更 仔细精确 地设计露 天矿边坡 显得 【 } 常 重要 ．也十分必要 。 ～ 、边坡设 计的基本要素 及依据 ’ 露 天矿最终 边坡 的基本 构 成要素 为 阶段 高度 、 阶段坡 面 角及相应 的平 台高度 安全 、 清扫 、运输平 台 。而合理地确定这些因素， 必 须考 虑边坡 岩石 强度和性 质 、岩体 结构的变 化 ，所 用设 备 种类和 型号大小 、安全 、生产 、 经济 、边坡 维护处理方便 程度 以及采 矿规程 。 露天边坡 稳定分析 和设 计中 ．最 主要的 目 的就是 在最经 济的条 件下，使 边坡 总体上 达到 稳 定． 不影响安 全 和生产 。因 此 ．大体 上可 以 用 如下两 种方法 对边坡进行 设计 控制 ． 一种是 。 6一 要求设 计的 边坡不发 生任何破 坏； 一种是 在一 定 的条件下 ，允许有 控制 的滑坡并设 计 出具有 合理 台阶 结构的边坡 ， 以便 在平 台上可 以拦截 滑落 岩石 ，必要时 ，还可 以排除这 些碎石 。很 虽然 ，前者是不 经济 、偏于保 守；后 者是科学 合理 的。而且 ．生产 实践证 明 ，～个 好 的露天 矿边坡设计，滑落破坏概率为 i 0 ％是可以接受 的。第三种方法需要非常精确地分析设计边坡 几何形状 ，使滑落 下的岩 石能 保 留在平 台上 ， 并且 ，如果 有必要 ，还要有 通 向各 平 台的 安全 通 路以便 清 扫汇集 的岩石 ．减少下 阶段平 台的 承受力 ，使 下阶段能 正常 工作。这 种方法能 以 最 低的费甩 提供足 够的 安全 。所 以，对露 天矿 边坡设计的稳 定性分 析 中，必要考虑 单个 台阶 和整 体 边坡 两 种情况 。 在 以往 边坡 研究 中，大都 以鳐天矿 边坡稳 定性分 析为核 心问题 ，主要确定 极 限边坡角或 评价 已有边坡 的稳 定程 度。但 是 ．如何 用岩石 力 学原理指 导边坡 台阶科 学设 计方 面研究 的不 多。而岩体 边坡 中，不稳定 大都 是沿着岩 体不 连 续面的破 坏 l 起 的 ，如层 理 、节 理 、地质 接 触 带及断 层 等等 ．在太 多数 情况 下 ，整体 边 坡 的破坏概率 是非 常小 的 ， 而局 部破坏 概率较大 ， 这样单 台阶抵 挡 连续 不 断局部破 坏的设 计便 成 为整 体 边坡设 计 的控 制 因素．而 且 ．这 些局部 有 色矿 山一 1 9 8 9 ． 3 一 矿 一 一 维普资讯 的小破坏也会给生产和安全造成很大影响并阻 塞 交 通运输 。所 以 ，对岩体 边坡进 行稳定 分析 和设计 的最重要 因素是详 细调 查 并确定 边坡 中 的_不连续面的倾向 几何形状和空间分布情况 ， 以估价嚣天矿边坡可能选择的坡角。 铭天矿最终边坡角 是一个很重要的指标。 一 般 在边 坡稳 定 的前 提下、最 终边坡 角是 由台 阶参数 确定 的。最 佳的 边坡设 计往往 取 于 最 优 的台阶设 计。 二 、 我国露天矿 边坡设计 ’ 及 生产现状 我 国 露天 矿 的边坡 设计 ，多年 来基 本上是 按经验类比法氆 符妁 ，很少进行过严格系统的 边 坡稳 定性 分 析和设 计 ，因而 会 出 现 两 种 情 况 一种是 在露天矿 的整个开 采期 间 未 出现过 边坡滑落 ，这 主要 是一 些 嗣岩稳 固的山坡露天 矿 设计 上 俯于 保守 另 一种 是在 露凭 矿 生产 过 程 中经常出现滑坡破坏事故 ，严重影响生产和 人 员 、 设 备 的安全。 近几 年来 ，对 些大 型露天 矿 边坡进 行科学 的研究 和设 计 ，并取得 了很大 的效 益 ，揶 大 冶矿东 露天采 场 ．使开 采深 度 由 ,-- 9 8 m标 高蛙 深刭 一I 6 8 m的标 高 ，露天开采 期 限延长1 0 年 ， 攀棱花铁矿朱家包包矿 区， 边坡角 由4 0 提高到4 8 。 减少剥 岩量 1 1 7 0 万 m 等 等 目前 ，我 国露天 矿边坡 结构参 数 如下； 1 ， 阶段 高废 我 国设 计和生 产的露天 矿的 阶段高度 ，小 型 矿 山 ～ 般为6 I D m 大 中型 矿 山一般为 l 。 | I 2 m，选 用8 m。 以上挖 掘机时 ，为 1 2 - 1 5 m。 从统计的结果看， 目前我国露天矿山最终 没有 并段 的矿 山仍 占多数 ，如鞍钢 的大 多数 矿 山 ，攀钢 兰尖铁 矿等；其 次是两 段一并 的 ，如 南芬 铁矿 ．水 厂铁矿 等；三段 一并者 最少 ，如 白银厂 铜矿 、铜 官山 铜矿等 等 至于 太于 三 段 一 并 的国 内尚无设 计 实践 ，但 是 ，个 别生 产 矿 山 已有 生产 实践 ， 如 白银厂铜 矿 1 ‘ 采 坜 下 盘 有 色矿 山一 1 9 8 0 ． 3 和 2 采 场上 盘的 部分 区段 分 别 采 用 4 个 ， - 5 一 并 段高达 6 O m。 2 ． 阶 段坡西 角 阶段坡面镩与岩石的性质，岩层倾角和缉 向，节理，层理和断层、阶段高度 以及穿爆方 法 等 因素有 关 。一般 耐风 化坚硬岩石 的阶段坡 面角 为5 5 一 7 5 ，风 化、松 软和土 层的阶 段坡 面角 为4 5 。 一 5 5 。 5 、 平 台宽废 露天矿采 场最终 平 台分 安全平 台 ，清扫 平 台和运输 平 台。一 般安全 平 台和清 扫平 台的宽 度与已定的采场最终边坡角有一定 的 几 何 关 系。 我国矿 山安全平 台宽 一般为 3 ～ 6 m，清扫 平 台 宽 为 6 一 】 2 m 但 是 ，生产 实践证 明 ，把有 限的平 台宽度 分摊到每个 单 台阶形成 的窄平 台的边坡 结构 ． 大多数 窄平 台留不住 ，而 稍微宽 一点平 台也达 不到通车宽度的要求 ，艇没有平台清扫条件， 也对 边坡 管理 ，维护 处 理工作 造成 困难 ，甚至 严重影响生产与安垒。 特别是一些大型露天矿， 生产 机械 化 ，边坡 清扫人 工化 ，劳 动强度 大 ， 工效低 ，还不 安全 ，这 对 日益 发展 的机械 化生 产的露天矿来说是禳不适应的。对于采用多台 阶并段 实现 宽平台 ，虽 是露天开 采 有发展前 邀 的边坡 结构 ，但 并段 多少 ，平 台 留多 宽 ，至今 仍未能给 解决。圆此，合理地确定平台宽度 便是 边坡设 计问题 的关键 。 三 、合 理 平 台宽 度 的确 定 1 ． 边 坡和破坏 的 几何形 状 的关系 合理平 台宽度 的确 定首先 与潜 狂 的破坏模 式 有密切 的关系 。平面破 坏和楔体 破坏是 露天 矿 台阶破 坏的主要 形式 。这里 仅 以这两 种破坏 为倒 。台阶岩体 的破坏 体积与破 坏面的 倾角或 楔体的倾角成正比，且随阶段高度的变化而变 化，破坏面的艇角越小 则破坏岩体的体积越 大 ，对台阶潜在破坏的横_截面进行计算将能得 出平 台单位 长度上破 坏岩体体 积的 估算值。迷 维普资讯 _垦假设 t平 台破坏 往平 台上的堆 积物形成 一 个 三角形截 面的落石坡面，楔体破坏的破碎堆积 物形 成近 似于 圆锥形 状的废石 皱面 ．且楔 体 破 坏堆积物的最大范围为横断面的投影线．横截 面为一个三 角形 类似于平 面破坏 ．因此 沿 着横截 面投影线计 算楔体 破坏 的横截 面使 得 封单位长度平台上可能堆积物的晟大体积．破 痨 横截面积w可 由下式计算 见图1 ． 、 T 啊 鹫 一 哥 1台爵与其破坏的几何关系 L t w一 一 c t g 口 w c t g c t ⋯ 】 2 ． 最小安全 平 台宽度 台阶潜在破 坏的横截 面积w 可用来计 算承 受 上部破 坏落 石所需要 的最小平 台宽度 ．并假 设 破坏岩石处于 以其 自然安息角f 通常3 o 。 一 4 0 。的状 态 ，于是 可 割用三 角关 系来计 算 晟 l 一 小 平台宽 度为； 、 a ． ‘ 2 W c 培r 一 t g c t ⋯ 2 对于一特定的阶段商度，如果破坏岩体体 积太大以致千平台上承受不下 ．便假设其堆积 角小于r ，剐要求的平台宽度用下述方法 米 计 算 ． 即假 定破碎 岩体一直 堆积到 台阶顶 部 ，予 是形成 一个简单 的三角 形 ，这种 情况下 ．最小 平 台宽 度 为 a ， 。 ‘ 2 A／ h ⋯⋯⋯ ⋯ 3 5 ． 松散 性问曩 上面计算中，没有考虑松散性 问题．松散 系数 是与岩石 类型 、破 坏 强度 以及岩 体破坏 的 力 学机制有 关的复杂 因素 ．松散性 能 使岩体 原 有体积增大一倍． 4 ． h 、W ，a ． 、1 3 之 闫的关 系 阶段 高 度h 、破 坏岩石 断 面积w 、最小 平 台宽度a 。 。 和整体边坡角B 之间的关 系 可由 三个 图形给 以表示 ，并能 显示 各种不 同啻 句 台 阶 坡 面角a 与破 坏面倾 角a w 之间 的关系 。 目前 ． 我 国露天矿 生产 台 阶段高 1 2 m且在 最终 边帮把 两段 一并为 2 4 m的矿 山比较 多． 图2 给 出2 4 m 高台阶的上述参数关系曲线．而且，对于特定 台阶高度的设计图形可用来确定潜在破坏的大 小，包括承受台阶破坏必要的平 台宽度和整体 边坡 角。如 图2 中绘 出一个 8 0 ‘ 台阶 坡面 角 的锶 I 港 宽 冀 坏 体 啊角 芏 磊 最 甚 石 特 占 抟 蛊 自 白 r． 圈2阶 段高度 为2 4 m时 ．边 坡形状 和破坏体形 状的相 互关 系 有 色矿 山一 l 9 8 9． ， 维普资讯 一6 0 1 J 坡面角 5 。 { { 蠢 3 0 { 意 伴 边 鹱 角 腰 J 圈 3 各 种 总 律边 坡 角 下 破 坏 岩 体 溢 蔓 j 平 台的 概率 拄一计葬概率的假定条件是边坡干燥无后冲破碎或破 坏 处平台宽度无损失 子，在图2 b 中显示 出承受这一 破 坏 的 最 小 平 台宽度 为 1 2 ． 5 m 相应 的整 体 边 坡 角 为 55。 ，必须清扫的破坏岩体大约为3 1 o m ／ 破 坏 单位 长度 如 图2 a ．如果 台阶单位长度 的破坏 大小能 被估 汁出．则 需要清扫 的破坏岩 体总体 积就能 求 出，对 于沿平 台要 求有 出入通 道的平 台宽度 应增大到能使 设备 通过破 坏段 。而 对于 不 连续 面很大而 且贯通于 一个 以上 的台 阶，则 整体边 坡角必须适 当地 降缓 。 5 ． 破坏岩石 溢 出平 台的 台阶滑 坡概 率 上述 方法 与概 率论 相结 合可 确定为 承 受 上接 第 1 7 页 填采场 附近 ．将 水泥喷入 充填料 浆管道 中与 商 浓度充 填料 浆均 匀混 合成 高浓度 混凝土 料浆充 填采空 区。 这 种工 艺 的优点 1 ． 充填 后无 多余 水量 ； 2 充填体 抗压 强度大 ； 3 ． 单 位水 泥消耗 量少 ； 4 ． 水 泥 由专用 管道 单独 输 送，杜 绝 混凝土 有 色矿 山一 l 9 8 9 ． 上面 局部小破 坏的最 优 台阶形状 。 一般 况 情下， 楔体的破坏倾角及平面破坏倾角在其均值中心 里 正态分布 ．运用概 率 论 ．可 以估计 出导致 产 生作业问题的不稳定的可能性 ．因此 ，在选择 总体边坡角 与之有 关的平 台宽度 ．要 使发生 边 坡不稳定 问题的可能 性保 持到一个能 容许 的程 度 ．如对 一特定的 整体 边坡 角 ．不 稳定楔体 飞 出平 台之外的概 率 由类似于 图3 所示的 曲 线 来 确 定 ．这 样能使设 计者和 矿山生 产 管理者方便 地 决定 可 选择的边 坡设计及 边坡管理 ． 四、结论与建议 这种地质 调查 ，几 何及概 率分析 方 法简单 明了，便于应用。但也有不足之处，如破坏简 化太 多与实 际有一定 的偏差 ，特别 是 不 能 考 虑 岩 石 性 质 及破 坏岩石 的运动状 态 ．再 苦橙 散系数考 虑不精确 会 造成较 大的误 差 。边坡研 究的 目的是 指导实 际生产在 安全条件 下争取最 大的经济 效益 ， 所 以 ， 边坡稳定 性分析 必须种具 体设 计相 结合 才 能 起到这 一 目的 ，而不能 仅 仅 停 留在稳定 分析 上 。由于 边坡 具体 情 况蛇复 杂性 ，必须 在对 具体 边坡的研 究基础之 上 做 出相应 的设 计方案 。最 终 边坡 的最佳设 } } 取决 于 台阶参数的最 优 化，今后应加 强这方 面Ij 句 研 究 参考 文献 略 “ 料 浆在管道 中固结事 故。 这 种工艺 的缺 点 1 ． 工 艺环 节多 ，复杂 ； 2 ． 输送 充填制和 压送水 泥，能耗较 高 ； 3 技术 上难 度大 ．如副性 充填料浆用 柱塞 泵输 送的流 变特性 和 参数 的 研究；水 泥与充 填 辩浆 管道 中混 合机 理的研 究等等。 参考文献 略 维普资讯