蒙库铁矿边坡稳定性分区研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 2 年0 4 月矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G D 唧R I N G V 0 1 ．3 2 №2 A p r i l2 0 1 2 蒙库铁矿边坡稳定性分区研究① 黄磊1 ，彭状2 ，熊传治2 1 ．新疆金宝矿业有限责任公司蒙库铁矿，新疆富蕴8 3 6 1 0 0 ；2 ．长沙矿冶研究院有限责任公司．湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要结合蒙库铁矿的采矿技术、工程地质、水文地质条件和岩体的物理、力学性能，用常规的系统聚类分析方法将矿坑划分为边坡稳定性的不同分区，对各个分区分别计算边坡安全系数和合理的边坡角值，为确定露天开采境界提供依据。关键词露天矿岩石边坡；边坡稳定性；系统聚类分析中图分类号T D 8 5 4 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 2 - 0 0 1 5 0 3 A n a l y s i so fS l o p eS t a b i l i t yb yS u b r e g i o n si nO p e nP i to fM e n g k uI r o nM i n e H U A N GL e i l ，P E N GZ h u a n 9 2 ，X I O N GC h u a n ．z h i 2 1 ．M e n g k uI r o nM i n e ，X i n j i a n gJ i n b a oM i n i n gL t d ，F u y u n8 3 6 1 0 0 ，X i n f i a n g ，C h i n a ；2 ．C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t e o 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 T h eo p e np i to fM e n g k uI r o nM i n ei sd i v i d e di n t od i f f e r e n ts u b r e g i o n si nt e r m so fs l o p es t a b i l i t yb yt r a d i t i o n a l s y s t e m a t i cc l u s t e ra n a l y s i sm e t h o d ，c o m b i n e d w i t h m i n i n g t e c h n i q u e ，t h e c o n d i t i o no fe n g i n e e r i n g g e o l o g ya n d h y d m g e o l o g y ，a sw e l la st h em e c h a n i c sp r o p e r t yo fr o c km a s s ．T h es a f e t yc o e f f i c i e n ta n dr e a s o n a b l es l o p ea n g l e so b t a i n e d f r o mc a l c u l a t i o n sf o re a c hs u b r e g i o nc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e c i s i o no fo p e n - p i tb o u n d a r y ． K e yw o r d s o p e np i tm i n e ；r o c ks l o p e ；s l o p es t a b i l i t y ；s y s t e m a t i cc l u s t e ra n a l y s i s 岩石边坡稳定性研究是露天矿边坡工程中的核心问题，对一个大型露天矿，由于工程地质、水文地质条件复杂，矿坑开拓运输方式不同，使矿坑各部位的稳定边坡角值也各不相同。因此，极有必要开展分区研究。用聚类分析方法对矿坑边坡稳定性的分区是用数学地质方法在矿山上的一种运用。1 9 8 4 年长沙矿冶研究院在永平铜矿的边坡稳定分析中首次运用了这一方法，此后，在水厂铁矿边坡工程的“七五”攻关项目中又研制了“聚类分析程序包”口o 。再后在对“新疆可可托海3 号脉延伸开采露天矿边坡稳定性分析”中又再一次使用了这一方法。。 1 聚类分析的基本原理聚类分析是对一定的变量类型的样本数按定义的样本亲疏关系进行分类，表示样本亲疏关系的统计量主要有以下2 种 1 用距离系数d 表示的统计量，即把样本视为n 维空间中的点，用点间距离表示样本的亲疏关系，距离值越小，表示样本关系越密切。 M i n k o w s k i 以他的名字命名的距离叱 g 为 m1 如 g 2 ∑k 一％f9 7 1 式中m 为每一个样本具有的指标变量。若式 1 中的q 2 ，即为常用的欧几里德距离。 2 用相似系数c o s O 表示的统计量，即把样本视为n 维空间中的向量，样本的亲疏关系可用两向量的夹角的余弦表示，夹角越小，关系越密切。 ∑ ‰一瓢 c o s O 土生1 i √ 1 ，2 ，⋯，n ∑ 戈。 2 一∑ ‰ 2l 2 以上各式中，戈‰分别表示第i 个和第j 个样本的第五个变量。聚类分析按分类方法可划分为常规系统聚类和模糊聚类∽1 ，本文仅采用常规系统聚类分析方法。在常规系统聚类中，划分为Q 型变量聚类和R 型变量聚类。由于各类数据的量纲不一样，对原数据要进行标 ①收稿日期2 0 1 1 1 1 1 0 作者简介黄磊 1 9 8 0 一，新疆维吾尔自治区人，工程师，从事采矿与安全方面的技术和管理工作。万方数据 t 6 矿冶工程第3 2 卷准化和正规化处理。设原始观测数据矩阵为工戈墙。。m 3 预处理后的数据矩阵为 z 。。。。。 4 则标准化数据为 z F 笪≯ b1 ，2 ，⋯川j l ，2 ，⋯，m 5 u J 热亏 0 耋x q , s [ 击骞‰吲】- 。而已规化的数据为石i 一．M i nh } 铲葫才麓衙 ∞’ 常规系统聚类的算法是一种由多列少的算法，聚类过程主要分3 步①各样本自成一类，这时可有n 类样本；②计算n 类样本间的距离，将最近距离的两类合并；③计算新类与各类之间的距离，再将两类合并。这时，若它的个数大于1 则继续重复上述步骤直到所有样本为一类。对于距离变量，若类P 与类g 合并为新的类R ，则可用递推公式计算类尺与某类厂的距离变量。具体方法有最短距离法、最长距离法、类平均法、重心法。类分正确时计算离差平方和应最小。离差平方和的计算公式有 ’ m f ≮一。 ∑∑ ‰。’一瓦 P 2 ；。 ∑∑ ％。’一磊 g 2 而它们的增量的计算公式为 7 ，A S p q ％一S ，一S 。 ≮4 - 擐渺㈠甲“小1 ’2 ，⋯m ’ 8 在开始时，每个样本视为一类，即 [ x k i l 茗皿 I △s 。{ 一至戈让一孙 ‘i ，j 1 ，2 ，⋯，n ’ 当类P 与类q 合并成类R 后，与某类／的离差平方和增量为 △岛2i { i [ n ， _ △勘吩 _ △‰一弩△％] 9 i ￡中凡， n p n 。。对最短距离法的类R 与类，的距离变量为％％丢％一％一％ 1 0 对最长距离法的类R 与类／的距离变量为吩寺嘞寺％寺％一％ 1 1 对类平均法的类兄与类，的距离变量为％拜r t p ．一％警％ 1 2 对重心法的类R 与类，的距离变量为咏2 2 络2 一2 1 3 2 蒙库铁矿1 0 8 ～1 8 4 采坑的常规系统聚类分析在终了图上取8 个剖面1 1 、2 2 、3 3 、⋯、 8 8 详见图1 ，每个剖面构成一个样本，常规系统聚类的变量取为9 个，即m 9 ，分别用咒，，z ，⋯，z ，表示。其中石。为边坡高度，m ；芹为岩性，共3 种，规定1 为斜长角闪岩，2 为变粒岩，3 为黑云母片岩；扎为岩石的普氏系数，即岩块单轴抗压强度，若以k g ／c m 为单位，系数除以1 0 0 ，若以M P a 为单位，则除以1 0 ；戈。为边坡型态，线性坡为1 ，凸型坡为2 ，凹型坡为3 ；z ，为构造层，有构造层时为1 ，没有构造层时为2 ，仅为节理面时为3 ；‰为冲积层，有冲积层为1 ，无冲积层为 2 ；戈，为边坡破坏模式，平面型破坏为1 ，圆弧型破坏为 2 ，楔型破坏为3 ，倾倒式破坏为4 ，溃层破坏为5 ；‰为水文地质条件，简单为1 ，复杂为2 ；粕为边坡曲率影响，有曲率影响为1 ，没有曲率影响为2 。具体的样本与变量取值见表1 。5 。 1 酽采坑 5 ．5 了一7 图1采场终了平面剖面及分区划分示意本文采用自编程序，J L F X ．B A S 进行计算机分析计算，程序框图详见图2 ，聚类分析结果见图3 。 2 2 、J、， P g 一钆一％一一 P g * 征 0 ∑蹦。∑H∑H ～∑㈦一一 ≮ 万方数据第2 期黄磊等蒙库铁矿边坡稳定性分区研究 1 7 表1常规系统聚类分析中的样本与变量关系式图2 J L F XB A S 程序框图 H o R 糙L z Z I N GP R o C 2 D U R E J一1X H X -，5 4 ．0 0 x H z w ’2 ．0 0 0 J-2X H X 40 - 0 0 0 0X M I N 一1 ．0 0 0 0 J一3XMX-1 6 ．0 0 0 Ⅺ●z 一 1 1 ．0 0 0 J-4X 峨X 43 ．O 0 0 0瑚r H Ii ．0 0 0 0 Jl5X l ‘ X 一2 ．0 0 0 0X H z H 一1 ．0 0 0 0 J 一‘X H X *2 ．0 0 0 0 X 眦N 一1 ．0 0 0 0 ，- 7X H X 一●．O 口0 0X R l N -1 ．0 0 0 0 扣 X J 瞌X -2 ．0 0 0 0 Ⅺ盯N 一1 ．0 0 0 0 ．，_ 9X M X -2 ．0 0 0 0X H z I h1 ．0 0 0 0 N o r 聃1 l z t n qo a t a -00001 0 0 0 00 0 0 0．0 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 0．3 3 330 0 0 0 1 ．0 0 0 0 ．1 4 S 41 ．0 0 0 0 ．0 0 0 0 ．0 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 0．3 3 3 3．0 0 0 0 1 ．O O O O ．0 0 0 01 ．0 0 0 0．0 0 0 0．0 0 0 01 ．O 0 0 0 ．0 0 0 0．3 3 3 3．0 0 0 0 1 ．O O O O ．7 8 0 i-00001 ．0 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 0 1 ．0 0 0 0．3 3 3 31 ．0 0 0 0 i ．O o O O 5 8 0 91 - 0 0 0 0．0 0 0 01 ．0 0 0 0 1 ．0 0 0 0．0 0 0 0．0 0 0 0l - 0 0 0 0 i ．0 0 0 0 ．9 7 8 7．O O O O1 ．o O o O1 ．0 0 0 0．0 0 0 0 1 ．0 0 0 0 ．6 6 6 7I-0000 1 ．0 0 0 a 1 ．0 0 0 01 ．0 0 0 0．0 0 0 01 ．0 0 0 0．O 0 0 0．0 0 0 0．6 6 5 71 O o O O i ．O O O O ．9 7 8 71 ．0 0 0 0．0 0 0 0．5 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 01 ．0 0 0 0 ．O o o O T Os 戤皿c fAc U ，8 t 强M O D t 口o rR ．o o o O T O5 E L E C TA C L U 8 T l 琅H o o { 口o ER q T OS F A ．E C T 8 I H l L R I T YH t 飘i C D 1 ，2 』3 ，4 ．5 ．H D 一3 u c l i d e 黼d l s t a n o e ■ t r i x ．O 0 0 0 ．1 4 ，4。0 0 0 0 i 0 0 0 1 ．0 1 1，0 0 0 0 2 ．1 4 7 2 ．0 9 82 ．，‘e．0 0 0 0 i ．8 9 ■1 ．8 { 31 ．6 0 51 ．7 6 7．0 0 0 0 3 ．4 6 43 ，4 0 92 ．5 5 91 ．0 7 32 ．1 2 9．0 0 0 0 Z 。2 6 l2 ．2 0 02 ．0 2 B2 ．0 1 口1 ．2 ‘‘1 ．7 3 2．0 0 0 0 1 9 1 t1 ．0 4 l2 ．1 5 71 ．9 3 21 ．8 2 ，々．0 8 a1 ．e 3 3 ．O O o O f oS E L E C T H I E R A C H I C A Lc L U s T 确‘H 口 H E T H O D N c ￡1 ．2 ，3 ，4 ，N C 4 3 H I E R A C H X C A LC L U 种融z N op R O C ￡D t T R E a 执行J L F X ．B A s 的打印数 c 1 ．u a t a r n ●1 y ●i ●e - t a m p a 对蒙库铁矿边坡稳定性分区采用常规系统聚类的量化方法，将8 个剖面作为8 个样本，用坡高、岩性等 9 个参数作为聚类分析变量，得到了边坡的5 个分区，为计算分析合理的边坡角值，确定露天开采境界提供了依据。参考文献 [ 1 ] 海跃华．永平铜矿露天边坡工程地质聚类分析报告[ R ] ．长沙冶金部长沙矿冶研究院，】9 8 4 [ 2 徐大威．聚类分析程序包的研制[ R ] ．长沙冶金部长沙矿冶研究院．1 9 8 8 ． [ 3 ] 从图3 可见，剖面1 1 和2 2 可以划成一个区一．【4 即I 区，3 3 可以划成一个区，即Ⅱ区，4 4 与6 6 。。可划成一个区，即Ⅲ区，5 5 和7 7 可划成一个区， [ 5 ] 即Ⅳ区，8 8 剖面因高边坡的曲率影响大，单独划成 [ 6 j 一个区，即V 区。新疆可可托海三号脉延伸开采露天矿边坡稳定性初步分析报告 [ R ] ．长沙长沙矿冶研究院，2 0 0 7 ．高新波．模糊聚类分析及其应用[ M ] ．西安西安电子科技大学出版社，2 0 0 4 ．新疆金宝矿业有限责任公司新疆富蕴蒙库铁矿1 0 一2 2 号矿体采矿工程初步设计[ R j ．厦门紫金工程设计有限公司，2 0 1 0 ．李江，张利忠．宝日希勒露天矿采场边坡分区及稳定性分析研究[ J ] ．露天采矿技术，2 0 1 0 1 2 4 2 5 ．弓誉黑嚣m i11i 2 1 2 3 4 5 6 7 万方数据