蒙库铁矿露天采场岩石边坡破坏模式分析.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 3 年0 8 月 矿冶 工 程 M I N I N GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №4 A u g u s t2 0 1 3 蒙库铁矿露天采场岩石边坡破坏模式分析① 彭状1 t 2 1 ．中南大学土木工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要根据蒙库铁矿露天采场矿山地质资料以及岩体结构特征，采用赤平极射投影方法对该铁矿露天采场岩石边坡可能的边坡破 坏模式进行了综合分析。结果表明，蒙库铁矿露天采场岩石边坡主要破坏模式有圆弧形破坏、楔形破坏、倾倒破坏、崩塌和溃屈等，其 中楔形破坏、倾倒破坏、崩塌和溃屈均为台阶的局部破坏，对于整个露天采场的高陡边坡而言，圆弧形破坏应为其主要破坏模式。 关键词破坏模式；赤平极射投影；岩石边坡 中图分类号T B 8 5 4 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 4 0 0 2 7 0 3 A n a l y s i so fR o c kS l o p eF a i l u r eM o d ei nO p e n - p i to fa nI r o nM i n e P E N GZ h u a n 9 1 2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．C h a n g s h aR e s e a r c h I 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 yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a ld a t aa n dc h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a ss t r u c t u r ei nt h eo p e n p i to fM e n g k uI r o nM i n e ， t h ep o s s i b l em o d e so fr o c ks l o p ef a i l u r e i ni t so p e n p i tw e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dw i t hs t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n ． R e s u l t ss h o wt h a tt h ef a i l u r em o d e so fr o c ks l o p ei nt h eo p e n p i to ft h i si r o nm i n ei n c l u d ec i r c u l a rf a i l u r e ，w e d g ef a i l u r e ， t o p p l i n ga n dc o l l a p s e ，a sw e l la sb u c k l i n gf a i l u r e ，e t e ．，a m o n gw h i c ht h el a t t e rf o u rf a i l u r em o d e su s u a l l yc a u s es o m e p a r t i a lf a i l u r et ot h eb e n c hw h i l et h ep r e d o m i n a n tf a i l u r em o d e f o rt l l e h i g h - s t e e po p e n p i ts l o p ss h o u l db ec i r c u l a rf a i l u r e ． K e yw o r d s f a i l u r em o d e ；s t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n ；r o c ks l o p e 蒙库铁矿露天采场现已开采至1 0 8 6 平台，根据其 初步设计方案，露天采坑坑底标高8 5 2m ，形成的高陡 边坡最终坡高将达3 4 8m ，其中山坡露天1 1 个台阶， 最大开采高度1 2 0m ；凹陷露天1 9 个台阶，最大开采 高度2 2 8m 。边坡阶段高度1 2m ，并段后高度为2 4 m ，清扫平台宽8m ，安全平台宽2m ，终了阶段坡面角 约6 5 0 ，最终边坡角4 6 0 一4 9 0 。 该铁矿边坡长度大、边坡高，边坡受冰雪融水、地 下水、侵蚀、结构面及震动影响。随着边坡的高度不断 增加，边坡稳定性将会显著降低。对矿山边坡工程地 质进行调查，查明岩体结构特征，研究边坡破坏形式， 进而进行边坡稳定性分析研究，确定合理的最终边坡 角，已是刻不容缓的任务。 l 常见岩石边坡破坏模式 岩石边坡的破坏类型可分为崩塌、坐落、滑移、倾 倒、溃屈 板裂 等。崩塌一般发生在高陡岩坡的前缘 地段，尤其是坡顶裂隙发育的部位，由于风化、温差、冻 融变化或者爆破震动、地震等原因，岩体与边坡分离滚 落【l j 。滑移是岩体在重力作用下，沿坡体内较深层软 弱面产生整体滑动。岩石边坡滑坡的滑动模式一般有 圆弧型滑动破坏、平面型滑动破坏、楔形滑动破坏、折 线形滑动破坏等。岩石边坡实际的破坏模式非常复 杂，除上述主要破坏模式外，还有各种复合型破坏模 式，如崩塌与滑移组合、倾倒与滑移组合等【2 J 。根据 以往的研究资料H 。5J ，对于矿山露天采场岩石边坡，普 遍存在的主要破坏模式有平面破坏、圆弧形破坏、楔形 双滑面 破坏、倾倒破坏等。 2 矿区工程地质及岩体结构 蒙库铁矿矿床岩性主要为厚层磁铁变粒岩夹斜长 角闪岩、混合花岗岩，产状大部分地段相向，局部相同， 北翼地层产状1 8 0 0 一2 0 0 0 ／_ 7 3 。一8 5 。；南翼产状5 0 一 4 5 0 ／_ 6 8 0 一8 4 。。直接影响边坡稳定性的为乃断层，乃 断层位于铁木下尔衮向斜两翼近核部，走向2 9 0 。一 3 0 0 0 ，倾角大于8 2 0 ，近于直立。由四条同生角砾岩带 组成，向南东分为两个分枝，延伸约1 0k m ，北分支控 制蒙库铁矿床的北东边界 向南西陡倾斜 ，南分支控 ①收疆日期2 0 1 3 - 0 3 - 0 6 作者简介彭状 1 9 8 0 一 ，男，湖南长沙人，工程师，工程硕士研究生，从事岩土工程研究及土木工程设计工作。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 制蒙库铁矿床的南西边界 向北东陡倾斜 ，是最重要 的控岩控矿断裂，沿F 3 两侧劈理发育，密集成带，带宽 1 0 ～8 0m 。由于断层位于矿床最边界部位，对矿山开 采边坡不会产生大的影响。矿区节理发育，有相互垂 直的剪节理2 9 0 。～2 9 5 。和2 0 0 ～2 5 0 两组，其走向大体 与矿体和地层走向相同；有石英脉充填的节理2 9 0 0 一 3 1 0 0 和2 0 。一3 0 0 两组，前组剪节理较发育∞1 。 矿体围岩及边坡岩体主要组成是角闪斜长片麻岩 类，少量大理岩、角闪变粒岩、黑云母变粒岩和磁铁变 粒岩，矿体与围岩界线明显，常见围岩夹层。从各勘探 线钻孑L 岩芯资料中得到岩石完整程度较高，完整程度 极好的、好的和中等的岩石一般占到7 9 ．4 ％～ 9 3 ．6 ％；差的岩石占3 ．7 ％一1 6 ．5 ％；极差的岩石占 3 ．2 ％～1 0 ．5 ％。仅少数勘探线的岩石破碎程度较高， 破碎所占比例较大。矿岩线裂隙率及线裂隙密度在上 部发育程度高，下部发育程度低，向深部逐渐变小，岩 体完整性由地表到地下由差变好。对矿体及近矿围岩 在不同深度的变化规律进行分析研究，不同岩性的 R q O 值、线裂隙率及线裂隙密度在不同深度的表现 为0 1 0m 地表岩体较破碎，岩石的R Q o 值较小，完 整性较差；1 0 ～2 0m 浅部岩体，岩石破碎一中等完整； 2 0m 以下深部岩体，完整性中等- 完整性好。在变粒 岩、不纯大理岩、角闪斜长片麻岩、角闪黑云母片岩、石 榴石磁铁矿和钙铁辉石磁铁矿等岩性中，黑云母片岩 的完整程度相应较低，属中等完整。其它5 种岩性的 岩石完整程度相应较高，属中等完整。由地表向深部 岩体完整程度逐渐增大，除发育有构造破碎带以外，岩 体完整程度均较高。总体来看，各勘探线揭示岩体浅 部完整性较差，深部岩体较完整，工程地质条件良好， 不良工程地质问题较少。 3 边坡破坏模式分析 3 ．1 采坑东段北帮边坡 台阶坡面倾向2 2 0 0 ，倾角6 5 。。底板岩性为角闪 斜长片麻岩和黑云母角闪石英片岩。岩层总体较完 整，局部完整性较差，风化程度较低，浅部属弱风化岩 层。其中黑云母角闪石英片岩岩层厚度较小，仅数米， 与矿体产状基本一致，延伸距离较远，岩层完整性较 差，片理发育，岩石多呈块状，碎块状及碎屑状，地表及 浅部岩石风化程度极高，岩石松软，易碎，由于距矿体 很近，采掘时剥离对边坡不构成影响。角闪斜长片麻 岩Y l 总体走向N W W ，倾向2 2 5 。，倾角7 7 。，主控结构 面倾向2 2 5 。，倾角7 7 。，延伸达1 0m 以上，走向与矿体 走向一致。另三组结构面，L 1 倾向2 7 0 0 一2 8 5 。，倾角 7 8 。～8 5 0 ，结构面延伸超过1 0m ，局部密集；1 2 倾向 2 5 1 。，倾角2 4 0 ，结构面延伸6 ～8m ，局部发育；L 3 倾 向为1 0 5 0 ，倾角2 1 。，结构面延伸3 ～5m ，局部发育 见图．1 。岩层Y l 走向、倾向与采场边坡走向、坡向 一致，主控结构面倾向与坡向基本一致，倾角较陡，边 坡角小于主控结构面时，属基本稳定型边坡。上部风 化较严重台阶坡顶，由于岩性脆弱，可能发生小范围倾 倒、崩塌破坏，或者发生溃屈 板裂 破坏；随着开采深 度的增大，深部边坡稳定性受L 2 、L 3 结构面的共同影 响，有可能发生楔形破坏。 W 图l采坑东段北帮边坡产状赤平投影图 3 ．2 采坑东段南帮边坡 台阶坡面倾向3 5 1 。，倾角6 5 0 。地表为第四系风 成黄土层，土层厚度1m 至数米不等，局部可达1 0m 以上。风成黄土下部为残坡积层，含碎石较多，较疏 松。下部为基岩，岩性为角闪斜长片麻岩。矿体顶板 岩层角闪斜长片麻岩总体较完整，局部完整性较差，部 分地段上部1 ～5m 风化层，风化程度较高，属强风化 岩层。岩石呈粉末及碎屑状，对开采边坡的稳定性有 一定的影响。岩层稳定性主要受结构面影响。岩层 Y 1 总体走向N W W ，倾向2 2 5 0 ，倾角7 7 0 。另有三组结 构面，L 1 倾向为1 2 0 。，倾角7 8 0 ，结构面延伸0 ．3 ～1 ．4 m ，发育少；L 2 倾向为1 8 0 。一2 1 0 。，倾角为7 8 。～8 4 。， 结构面延伸0 ．2 ～lm ，密度0 ．3 ～0 ．5m 一条；L 3 倾向 为3 2 4 。，倾角2 9 0 ，结构面延伸3 ～5m ，发育较少 见 图2 。L 1 、L 2 与坡向反向斜交，为基本稳定结构面； S 图2 采坑东段南帮边坡产状赤平投影图 万方数据 第4 期彭状蒙库铁矿露天采场岩石边坡破坏模式分析 L 3 与坡向斜交，不形成临空面，也基本稳定；受L 1 、L 3 结构面的共同影响，有发生楔形破坏的可能性；对于上 部第四系及完整性较差的风化岩层，应降低坡角，防止 发生圆弧滑动破坏。 3 ．3 采坑西段北帮边坡 台阶坡面倾向1 8 5 0 ，倾角6 5 。。底板岩性为角闪斜 长片麻岩，黑云母角闪石英片岩和磁铁变粒岩。地表及 浅部岩层总体完整性较差，风化裂隙较发育。岩石风化 程度较低，浅部属弱风化岩层，深部为新鲜岩石。稳定 性主要取决于结构面。黑云母角闪石英片岩岩层厚度 较小，与矿体产状基本一致，延伸距离较远，岩层完整性 较差，片理发育，岩石多呈块状及碎块状，地表及浅部岩 石风化程度较高，岩石松软，敲击易碎，由于距矿体很 近，采掘时进行剥离。角闪斜长片麻岩Y 1 总体走向 N W W ，倾向2 2 5 。，倾角7 7 。。发育有三组结构面，L 1 倾 向为1 4 1 。，倾角8 8 。，裂隙延伸1 ～2m ，1m 一条；L 2 倾 向为9 5 。，倾角5 8 。，裂隙延伸4 4 ．5m ，约1 ．2m 一 条；1 3 倾向为3 4 8 0 一2 5 7 0 ，倾角4 8 0 ～8 6 。，结构面延伸 1 ～3m ，数米一条，局部地段较密集 见图3 。岩层 Y 1 走向，倾向与露天采场边坡走向、坡向一致，L 1 近 于直立，L 3 与坡面反向斜交，属基本稳定结构面。L 2 与边坡近于正交，也属基本稳定。受Y 1 、L 2 以及L 1 、 L 3 结构面的共同影响，有发生楔形破坏的可能性。 W S 图3采坑西段北帮边坡产状赤平投影图 3 ．4 采坑西段南帮边坡 台阶坡面倾向5 8 。，倾角6 5 0 。部分地段地表为第 四系风成黄土层 均在北坡 ，土层厚度1m 至数米不 等，部分地段为残坡积层，厚度不大，一般为0 ．5 3 m ，含碎石较多，较疏松。下部为基岩，岩性为角闪斜 长片麻岩。矿体顶板岩层角闪斜长片麻岩总体较完 整，局部完整性很差，部分地段上部岩石1 ～3m 风化 程度较高，属强风化岩层。1 9 9 - 2 0 1 线的矿体风化程度 也较高，强风化带厚度达1 0m ，节理裂隙发育较少，均 为不平整面。对开采边坡的稳定性有一定的影响。岩 层稳定性主要受结构面影响。岩层Y 1 总体走向 N W W ，倾向2 0 8 。，倾角7 7 0 。有四组结构面，L 1 倾向为 9 0 ～2 2 0 ，倾角3 6 0 一3 8 0 ，结构面延伸1 ．5 ～4m ，发育 少；L 2 倾向为7 7 。～8 6 。，倾角7 6 。一8 9 。，结构面延伸 0 ．5 1 ．5m ，密度0 ．2 0 ．4m 一条；L 3 倾向为1 4 0 。一 1 5 8 。，倾角6 2 0 ～7 7 0 ，结构面延伸1 ．5 3m ，发育较 少；I A 结构面产状为2 3 2 0 ／_ 7 7 。，延伸4 ～6m ，0 ．2 ～ 0 ．4m 一条，较发育 见图4 。L 2 与坡面斜交，倾角较 大，为稳定结构面；L 3 与坡面正交，属稳定结构面；I A 为反坡向陡倾角的弱面，在该组结构面单独作用下可 能发生台阶坡面的倾倒破坏；L 3 与L l 斜交，且”为 倾角较大的陡立面，可能形成沿L l 滑动楔体破坏；对 于上部第四系及完整性较差的风化岩层，应降低坡角， 防止发生圆弧滑动破坏。 图4 采坑西段南帮边坡产状赤平投影图 4 结论 根据矿山地质资料以及岩体结构特征，对蒙库铁 矿1 8 号采坑边坡破坏模式进行了分析，结果表明，蒙 库铁矿露天采场岩石边坡主要破坏模式有圆弧形破 坏、楔形破坏、倾倒破坏、崩塌和溃屈等，其中楔形破 坏、倾倒破坏、崩塌和溃屈均为台阶的局部破坏，对于 整个露天采场的高陡边坡而言，圆弧形破坏应为其主 要破坏模式。 参考文献 [ 1 ] 张永兴．边坡工程学[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 8 ． [ 2 ] 熊传治．岩石边坡工程[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 1 0 ． [ 3 ] 马博恒，张成孝．仓上金矿露采边坡破坏模式分析[ J ] ．有色矿 山，1 9 9 3 3 1 9 2 7 ． [ 4 ]曾芳金，金解放，钟文．某露天矿边坡破坏模式研究[ J ] ．江西 有色金属，2 0 0 8 3 7 1 0 ． [ 5 ] 屈春来，乔兰，李远．某深凹露天矿高陡边坡破坏模式分析 [ J ] ．矿冶工程，2 0 1 2 5 4 6 ． [ 6 ]厦门紫金工程设计有限公司．新疆富蕴蒙库铁矿l O 至2 2 号矿体 采矿工程初步设计[ R ] ．2 0 1 0 ． 万方数据