南芬露天铁矿高陡边坡危险性区划研究.pdf

第3 6 拳第护 矿冶工程 FebV01．3620Na20160 2M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G v i i a r y 。 年月 ”o“” 南芬露天铁矿高陡边坡危险性区划研究① 陶志刚1 ’2 3 ，郝振立1 ”，袁小峰1 ”，高毓山4 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；4 ．本溪钢铁 集团 矿业有限责任公司南芬露天铁矿，辽宁本溪1 1 7 0 1 4 摘要为了研究露天采场最终边坡的稳定性和潜在危险性，采用模糊数学综合评判方法和G I s 空间矩阵差值运算法，对本钢南芬 露天铁矿采场高陡边坡进行了危险性区划的研究。根据南芬露天铁矿采场边坡植被发育、岩性特征、岩体完整性、节理频度、地质 构造、矿山开采影响指数、稳定性空间差值综合系数等综合信息，定量评价并绘制出系统的南芬露天矿采场边坡危险性分区图，按 照极危险、危险、次稳定和稳定级别，共划分为4 大区，细化为3 5 个亚区，并提出了相应的灾害防治对策，为露天矿未来5 一1 0 年开 采计划和防治决策的制定奠定了科学基础。 关键词边坡；边坡稳定性；模糊数学；危险性分区；工程地质调查；露天矿山 中图分类号T D 8 5 4文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 6 ．0 1 1 0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 6 0 1 0 0 2 0 - 0 6 R e s e a r c ho nS t e e pS l o p eH a z a r dZ o n a t i o nf o rN a n f e nO p e nP i tI r o nM i n e T A OZ h i ．g a n 9 1 2 3 ，H A OZ h e n ．1 i 1 2 ，Y U A NX i a o ．f e n 9 1 2 ，G A OY u s h a n 4 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o r G e o m e c h a n i c sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ；4 ．N a n f e nO p e nP i tI r o nM i n e ，B e n x iI r o na n dS t e e lG r o u pM i n i n g ， B e n x i11 7 0 1 4 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h es t a b i l i t ya n dp o t e n t i a lr i s k o ft h ef i n a lp i ts l o p e ，af u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o da n dm a t r i xc a l c u l u so fG I S b a s e ds p a t i a la n a l y s i sw e r eu s e di nt h eh a z a r dz o n a t i o nf o rt h es t e e ps l o p eo fN a n f e n o p e np i tm i n e ．T h e n ，t h eh a z a r dz o n a t i o nm a pw a sc o n s t r u c t e db a s e d o nt h e q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n i nt e r m so f c o m p r e h e n s i v ef a c t o r s ，s u c ha sv e g e t a t i o nd e v e l o p m e n t ，l i t h o l o g i ec h a r a c t e r s ，r o c km a s si n t e g r a l i t y ，f r e q u e n c yo fj o i n t s ， g e o l o g i cs t r u c t u r eo fs l o p e ，a f f e c t i n gf a c t o r s t ot h em i n i n go p e r a t i o n ，s p a t i a ld i f f e r e n c ei ns t a b i l i t y ．A c c o r d i n gt ot h e d e g r e eo fh a z a r d s ，s l o p ew a sd i v i d e di n t oe x t r e m ed a n g e rz o n e ，d a n g e rz o n e ，s e c o n d a r yd a n g e rz o n ea n ds t a b l ez o n e ， w h i c hc o u l df u r t h e rd i v i d e di n t o3 5s u b z o n e s ．I nt h ee n d ，s o m ec o r r e s p o n d i n gh a z a r dp r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e s w e r ep r o p o s e d ，w h i c hC a np r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rp r e p a r i n gt h em i n i n gp l a na n dp r e v e n t i o np o l i c yi nt h en e x t 5 1 0y e a r s ． K e yw o r d s s l o p e ；s l o p es t a b i l i t y ；f u z z ym a t h e m a t i c s ；h a z a r dz o n a t i o n ；g e o l o g i c a ls u r v e y ；o p e np i ti r o nm i n e 露天矿高陡边坡稳定性评价和危险性区划是当今 边坡工程研究领域中的一个热门课题。边坡稳定性评 价和危险性区划研究经历了从定性描述到定量模型分 析的发展历程，形成了以极限平衡理论为主体的定性 评价体系j 。然而，影响边坡稳定性和危险性的因素 很多，传统的定量评价方法不能完全考虑实际存在的 不确定因素旧‘3J ，所得出的安全系数和危险等级也不 能完全反映边坡的真实状态。针对这一特点，国内外 学者将模糊数学H 峭J 、灰色理论、聚类分析、可靠度评 价、神经网络和可拓学等理论应用到该领域，取得了大 量研究成果。 为了研究露天采场最终边坡的稳定性和潜在危险 性，本文采用模糊数学综合评判方法和G I S 空间矩阵差 值运算法，对南芬露天铁矿采场高陡边坡进行了危险性 区划研究。根据南芬露天铁矿采场边坡植被发育、岩性 特征、岩体完整性、节理频度、地质构造、矿山开采影响 指数、稳定性空间差值综合系数等综合信息，定量评价 并绘制出系统的南芬露天矿采场边坡危险性分区图，并 提出了相应的灾害防治对策，为露天矿未来5 1 0 年的 开采计划和灾害防治决策的制定奠定了理论基础。 ①收稿日期2 0 1 5 - 0 8 - 2 7 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 3 0 4 2 1 0 ；北京市自然科学基金资助 8 1 4 2 0 3 2 作者简介陶志刚 1 9 8 1 一 ，男，河北邯郸人，讲师，博士，主要从事岩石力学和矿山灾害控制方面的研究工作。 万方数据 第1 期 陶志刚等南芬露天铁矿高陡边坡危险性区划研究 1 矿区地质概况 本钢 集团 南芬露天铁矿位于辽宁省本溪市南 2 5k m 处，地势高低起伏，相对高差3 0 0 4 0 0m ，最大 高差可达5 0 0m ，总体地形东高西低，山势走向近东西 向，为剥蚀中高山区地貌，沟谷交错纵横，植被发育不 完全。 1 ．1 岩性结构场特征 由勘察资料可知，南芬露天铁矿位于华北地台辽东 台背斜营口一宽甸隆起的北缘太子河凹陷之中。矿区内 岩组以绿泥片岩、角闪绿泥岩和石英绿泥片岩为主，呈 粉状、薄片状或板状构造，岩性软弱易风化，遇水强度急 剧降低。矿区经过多年开采，在采场的中部和南部区域 采掘深度已达到5 0 4m 图1 ；而采场北端开采深度也 已达到1 6 8m ，使坡体岩层经常受到风化和地表水等的 侵蚀作用，易在露天矿边坡内形成潜在的滑动面。 图1 采场上盘 1 ．2 构造场特征 矿区的主要断裂构造为F 。断裂，是区域上N E 向 压扭型断层的南西向的延长。该断裂总体呈N E l 2 。左 右，倾向西，倾角约4 0 。。其对矿体无明显的破坏作 用，仅对矿层顶板进行切割。倒转背斜是矿区内的主 要褶皱构造。该背斜位于黑背山倒转背斜的西南翼， 与其南端呈平行展布，位于矿区震旦系地层中 图2 。 图2 某钻孑L 断面 背斜东西宽1k m 左右，南北长约4 ．5k m ，北端倾伏于茶 信沟附近，南部位于永安村以北。轴面走向为N N E ，向 西倾斜，倾角约4 0 。。其东翼因F ，’与F 。断裂带的破坏 而残缺不全。 1 ．3 环境物理场特征 1 大气降水矿区位于北温带季风气候区，年平 均气温8 ．2 ℃，年最低气温- 3 2 ．3 ℃，年平均降雨量 8 8 0m m ，最大日降雨量2 7 4m m ，降雨多集中在7 9 月，年平均蒸发量17 2 9i n n l ，降雪期为每年的1 1 月到 次年的3 月。 2 地表径流矿区内水文网不发育，主要有庙儿 沟河、黄柏峪河这两条常年性河流流经矿区，其分别位 于矿区北侧和矿区南侧。 3 地下水按赋存特征矿区地下水可分为孔隙水 和裂隙水。孔隙水主要赋存于庙儿沟河、黄柏峪河等 沟谷冲积层中的潜水，埋深较浅。基岩裂隙水又按赋 存位置不同分为风化裂隙水和构造裂隙水。基岩裂隙 水对采场边坡稳定性影响较大，而其主要受大气降水 的补给。因此，地下水动态与全年降水量的分布密切 相关。在雨季和冬春交替季节出现的融雪水，裂隙水 严重影响采场边坡的稳定性。 2 模糊综合评判基本方法 边坡危险性受多种因素控制，每种因素的权重存 在着很大不确定性。边坡稳定性评价中的模糊性主要 分为三类力学参数、影响因素和评价标准的模糊性。 如边坡稳定性评价标准中所谓的“稳定”、“次稳定”、 “危险”和“极危险”这些概念也是不确定的、相对模糊 的。这些不确定性属于“模糊”范畴，必须用模糊的理 论加以分析、判别，实现模糊综合评判的重要数学手段 是模糊变换。利用模糊变换形成模糊综合评判方法， 从而解决实际所需要的综合评判问题。其基本方法 如下 首先建立由n 个元素组成的影响评价对象的因素 集合，称为因素集一J U { “l ，u 2 ，⋯，M 。 1 式中u 为所有评判因素所组成的集合。 其次建立由m 个评价结果组成的评价集合，称为 评价集 V { 秽l ，秽2 ，⋯，秽。 2 式中y 为所有评价等级所组成的集合。 然后，如果对u 中第i i 1 ，2 ，⋯，几 个评判因素 u j 做单因素评判，其评判结果为 R i 【r ∽r ∞⋯，r i 。】 3 则各个评判因素的评判决策矩阵 万方数据 2 2矿冶工程 第3 6 卷 R R l R 2 R 。 单因子评价行矩阵组成的n x m 阶模糊关系矩阵。 4 3 边坡危险性模糊综合评判 这就定义了U 到y 上的一个模糊关系。 最后，由于对U 中的各个因素的侧重不同，则需 要对每个因素赋予不同的权重。假设各评判因素的权 重分配为 A 【口1 ，口2 ，⋯，。。】 5 显然，A 是论域U 上的个模糊子集，且0 ≤q ≤1 ， ∑口。 1 ，则通过模糊变换，可以得到y 上的一个模糊 子集，即综合评判结果 B A R 6 式中曰为所求的综合评价结果；A 为参与评价因子的 权重归一化处理后构成的一个l n 阶矩阵；足为由各 3 ．1 评价因子的选取 边坡危险性的影响因素复杂多样，且各种因素的 影响权重差异性较大。本文根据南芬露天矿的现场地 质调查成果，结合露天矿三期扩帮四期开采工程的实 际工况，选取坡角 a 、坡高 日 、降雨强度 ， 、稳定 性空间差值综合系数、地质构造影响程度、矿山开采影 响指数等6 个指标作为评价因子，建立评价因子的模 糊集合。 但是，这6 种评价因子对边坡危险性分区的影响 并不是相同的，因此，把危险性程度按顺序划分为极危 险、危险、次稳定和稳定4 个等级，建立评价集合。各 影响因素的评价标准见表1 ，其中离散型指标的评价 方法见表2 。 表1 影响因素及稳定级别 。 。蒸喜㈣毒z ≥瓣发燃搿、只有淼鬈淼篙刑4 0 m №, 面积一／] , J 8 0 瓣0 m 2 , 1 低育，岩石坚硬，结构完整，中风化岩少量小型断裂 星茬享壶弄嚣运霾装簧苄舅品荞√”‘8 飘“1 ‘ ，警巽、耋霎篡黎鬈慧冀怒篡，；篇磐，冀案嘉豁强烈、只开采被区或8 。2 0 回采m , 量簇箸i 哿黑萎篡 ‘ 较低 岩石较坚硬，结构较完整，强风化岩有小型断裂 位于被评价边蓑荔责竿窘兹。并⋯一。不鼠“不4 。 。器麦掣嚣徽某燃黄鬻徽嚣季薹黧瓣嚣荔毖 黧黟嚣燃豫鬻徽毒大蒌瓣瑟豢翳鬻嚣然李 由表1 和表2 可得边坡危险性综合评价分级标准 集合 V 1 52 2 ．5 1 0 0 1 5 0 12 12 l2 0 ．2 50 ．3 7 5 3 55 0 2 5 03 0 0 34 34 34 0 ．6 2 50 ．7 5 3 ．2 危险性评价单元划分 边坡危险性模糊综合评价单元的划分直接影响着 评价的精度和准确度。考虑到单元大小会影响评价运 算速度，本文在精度允许条件下，以2 0m 2 0m 为单 位标准，以经纬度网格为控制边界，用正方形将南芬露 天铁矿采场划分为1 12 4 8 个评价小单元。其中，北山 划分为11 5 4 个评价单元 图3 ；上盘划分为22 7 2 个 评价单元；下盘划分为25 6 0 个评价单元；矽石山划分 ．兰 h 肌 r r r 一 ；一 万方数据 第1 期 陶志刚等南芬露天铁矿高陡边坡危险性区划研究 为52 6 2 个评价单元。 图3 北山边坡危险性评价单元划分 3 ．3 确定指标权重模糊矩阵A ， 指标权重表示各影响因素在控制边坡稳定性等级 中所占的比重，可利用层次分析法或权重计算公式来 确定。本文利用权重计算公式确定影响因素权重。 计算权重的公式为 C 形 ≠ 7 ． f 式中C i 为各种指标实测值；J s i 为各指标等级代表值， 1 5 i - L - S l 5 2 ⋯ S f 。 J 如果某项指标与其他指标相反，其值越大说明对 边坡稳定性影响越小，这种情况权重计算要取倒数。 为了进行模糊运算，各单项权重值还必须归一化 C ，sW I v , 二二二 』一 8 ∑C ／S i ∑W i 权重计算结果如表3 所示。 表3 权重计算表 项目坡角坡高 璧要薹箸羹塞构囊甏响篆高蚕委 C；451 2 01 ．5 21 ．50 ．2 S i 3 0 ．6 32 0 02 ．5 2 ．52 ．50 ．5 形0 ．6 7 0 ．60 ．60 ．80 ．6 0 ．4 矿0 ．1 80 ．1 6 0 ．1 60 ．2 20 ．1 60 ．1 2 响程度都在各自的得分中表现出来。这样就可以把各 因子对不同边坡的指标统一起来，算出隶属函数。在 此基础上，得出影响南芬露天矿边坡危险性的影响因 子，对应的4 个危险级别的隶属函数大致为三角函数 和梯形函数。 然而在实际计算中，为了简化计算，在不影响评判 准确性基础上，常常把模糊评价的隶属函数简化为三 角形和梯形。南芬露天矿模糊数学综合评价的边坡危 险性质量等级为稳定，次稳定，危险和极危险。 3 ．5 模糊综合评判结果 确定了隶属函数，便可据此i - I - E 出6 项因子各自对 于模糊集合4 个危险等级的4 个模糊隶属度，根据这4 个隶属度，便可形成由隶属度构成的一个 6 x 4 阶模 糊关系矩阵。例如，任意选取一个单元，其6 个因子得 分分别为4 0 ，2 0 0 ，3 ，3 ，3 ，0 ．3 ，将数值分别代入隶属函 数进行计算，便可得到一个 6 x 4 阶矩阵 R 000 ．6 70 ．3 3 00 ．50 ．5O O0l0 0010 00 1 0 0 ．6 0 ．4 00 矩阵足中每一行代表各因子对于4 个边坡危险性分 区的隶属度。将模糊关系矩阵R 和权重分配矩阵A 代入式 6 ，即可得出该单元待评区的模糊综合评价 结果。进行归一化处理得出 B A R 【0 ．1 8 ，O ．2 4 ，0 ．3 2 ，O ．2 6 】 评价结果按最大隶属度决定。依照上述原则，该 单元格待评区属于Ⅲ级，危险性等级为较不稳定。 按照上述评价方法，对南芬露天矿112 4 8 个待评 单元逐一进行评判，按照北山、下盘、上盘和矽石山4 个评价区域划分，定量化的得到露天矿采场边坡危险 性分区结果，如图4 和图5 所示。 图4 边坡危险性分区 3 ．4 隶属函数的确定 根据各影响因素对边坡稳定性的实际影响程度分 3 ．6 评价结果分析 别打分的方法评价南芬露天铁矿边坡危险性。因此， 根据“定量评判，定性修正”的分区原则，南芬露 虽然各因子的实际情况不一样，但其对边坡稳定的影 天铁矿边坡危险性分区评价 万方数据 矿冶工程 第3 6 卷 图5南芬露天矿边坡危险性区划图 1 极危险区细化为1 1 个亚区，占采场总面积的 9 ．1 5 ％，分布在以下区域①北山南北端帮第四系岩组 集中分布区；②调度中心正下方石英岩组集中分布 区；③下盘南北端帮第四系岩组集中分布区；④下盘 石英斑岩脉两侧破碎带；⑤下盘3 9 4 ～5 2 6m 台阶中部 老滑坡体区域。 2 危险区细化为1 0 个亚区，占采场总面积的 1 4 ．1 7 ％，主要分布在以下区域①北山调度中心东西 两侧石英岩组边坡；②北山采场东北角边坡；③北山 采场4 0 6m 台阶以上边坡中部岩体；④下盘3 2 2 ～3 5 8m 台阶南部破碎区。 3 次稳定区细化为9 个亚区，占采场总面积的 2 0 ．0 1 ％，主要分布在以下区域①北山3 8 2 4 0 6m 台 阶大部；②北山3 4 6 3 8 2m 台阶大部；③下盘北端帮 边坡全部；④下盘5 7 4 6 4 6m 台阶北部和南部区域； ⑤上盘大部区域；⑥矽石山南部边坡大部。 4 稳定区细化为5 个亚区，占采场总面积的骶6 7 ％。 4 危险区划指导采矿决策 根据南芬露天铁矿危险性区划研究成果，下盘 3 9 4 ～5 2 6m 台阶中部老滑坡体和下盘石英斑岩脉两侧 破碎带属于极度危险区，极易发生滑坡灾害。为了避 免滑坡对下方采矿人员和机械设备的威胁，2 0 1 2 年1 0 月，南芬露天铁矿采用中国矿业大学 北京 深部岩土 力学与地下工程国家重点实验室自主开发的“矿山滑 动力远程监测预警系统 S R M W - 0 1 ”，在5 2 6m 台阶 上安装了3 个监测点，如图6 所示。 2 0 1 3 年2 月2 3 日，扩帮工程开挖诱发采场5 0 2 5 2 6 ／r l 平台发生滑动力急速上升 图7 。 l 极危险 _ 危险 _ 1 次稳定 l 稳定 图6 监测点分布图 图7 监测曲线 1 6 0 0 ，监测系统发出预警信息；1 6 3 0 ，矿山领导 下令危险区内的人员和设备撤离；2 2 0 0 ，监测曲线突 降，并发生滑坡灾害，滑坡体宽4 0m ，高差约4 0m ，滑 坡面积l6 0 0m 2 。 由于根据危险性区划图提前安装了滑坡监测预警 系统，提前6h 发出预警信息，撤离及时，避免了滑坡 对人员和设备的损害，回避经济损失l7 2 0 万元。 万方数据 第1 期陶志剐等南芬露天铁矿高陡边坡危险性区划研究 5 结论 1 利用模糊数学综合评判方法和G I S 空间矩阵 差值运算法，结合南芬露天铁矿采场边坡现场调查结 果，评价并绘制出系统的南芬露天矿采场边坡危险性 分区图。 2 危险性区划图按极危险、危险、次稳定和稳定级 别，共划分为4 大区，细化为3 5 亚区，其中稳定区占总 面积的5 6 ．6 7 ％、次稳定区占总面积的2 0 ．0 1 ％、危险区占 总面积的1 4 ．1 7 ％、极危险区占总面积的9 ．1 5 ％。 3 通过在南芬露天铁矿的实际应用，可以证明模 糊数学综合评判方法简单、结论可靠，对露天矿山边坡 危险性分区研究具有一定的指导意义，该法可以作为 传统危险性分区定性评价的一种补充，并作为边坡加 固工程设计的参考。 参考文献 [ 1 ] 孙树海，曹兰柱，张立新．露天矿边坡稳定性的模糊综合评判[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报，2 0 0 7 ，2 6 2 1 7 7 - 1 7 9 ． [ 2 ] 刘合寨，孙世国。阚生雷，等．模糊综合评判在高陡边坡稳定性评 价中的应用[ J ] ．北方工业大学学报，2 0 1 0 ，2 2 3 8 2 - 8 6 ． [ 3 ] 陈守煜．系统模糊决策理论与应用[ M ] ．大连大连理工大学出 版社。1 9 9 4 ． [ 4 ]彭岩岩，汪虎，解毅，等．南芬露天铁矿边坡稳定性有限元分 析[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 5 1 1 0 - 1 3 ． [ 5 ]赵康，赵奎．金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征 [ J ] ．矿冶工程，2 0 1 4 4 6 - 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