露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型.pdf

26 卷 第 5 期北 京Vol.26 No.5 200410Journal of University of Science and Technology BeijingOct. 2004 收稿日期2004–07–31乔兰女41岁 教授 博士 国家 十五 科技攻关项目No.2001BA609A-08及国家自然 科学基金资助项目No.50074002 随着露天矿的开采方式由山坡开采转向凹 陷开采 露天矿边坡的垂直高度不断增加 边坡 的变形破坏模式与地质构造特征 岩体结构特征 的关系极为密切 其稳定性受岩体岩性 节理裂 隙 结构构造控制的同时 还取决于构造应力场 以及爆破开采工艺等 其开采特点是 1 矿体赋存条件与边坡岩体条件的无法选 择性 矿体的空间位置决定了露天矿只能在既定 的工程地质条件及地质环境中进行开挖施工 控 制边坡变形的岩性 构造 地应力 地下水等自然 条件客观存在 无法选择 2边坡工程的时效性 露天矿边坡是随着生 产进程在矿坑的开挖范围内不断发展直至闭坑 形成最终边坡 闭坑时边坡的稳定性问题对于矿 山安全生产已意义不大 因此露天矿山边坡工程 相对于其他边坡工程具有显著的时效性 3边坡及岩体允许发生一定的变形性 露天 矿山开采剥岩过程中不但允许边坡岩体产生一 定的变形 甚至可以允许产生一定的破坏 只要 这种变形及破坏在开采完成前不影响安全生产 即可不予治理 [13] 4露天矿边坡地质工程的时空动态性 露天 矿边坡地质工程是一个动态的地质问题 矿山开 挖及开采活动贯穿于矿山服务期限的始终 从开 采初期到开挖最终境界的形成 边坡岩体始终处 于复杂的动态开挖 回采过程中 因此 对于露天矿山边坡变形破坏的工程地 质模型研究也有别于其他地质工程 由于矿体赋 存条件的制约性 边坡的变形破坏模式与地质构 造特征 岩体结构特征的关系极为密切 在上述 特点中是最为显著的和重要的 本文以首钢水厂 露天铁矿为例对露天矿山高陡边坡变形破坏的 工程地质模型进行研究 1水厂铁矿地质构造特征与工程 地质基本条件 水厂铁矿系首钢迁安矿区露天矿之一 目前 生产能力为年产铁矿石 1200 万t 年采剥总量为 6000 万 t 采场长 3600m 宽为 4001680m 长轴 方向 NE40左右采场境界由南北两个独立采 场构成两采场在34m 水平以上连通 34m 以 下形成两个独立境界的采场采场边坡最高标 高310m 最低将达350m 标高 最终边坡角将 达到 4651 形成垂直高度 660m 的高陡边坡 [4] 矿区处于迁安矿区北部的复向斜褶皱带的 北东端 参见图 1复向斜由两个被断层所破坏 的次一级向斜 北山向斜 南山向斜 与一个背斜 旧水厂背斜 所组成 形成 W 型复向斜 铁矿 露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型 乔 兰李 远 北京科技大学土木与环境工程学院 北京100083 摘要我国的大多数大中型露天矿山已经或即将进入深部开采 随着边坡的加高加陡 露 天边坡稳定性维护的难度和采场破坏的概率越来越大 由于矿体赋存条件的制约性 矿山边 坡的变形破坏模式与地质构造特征 岩体结构特征的关系极为密切 本文通过系统地现场工 程地质调查和实验研究 基本掌握了水厂铁矿的地质构造特征与工程地质条件 边坡变形破 坏机理和主要破坏模式 建立了水厂铁矿高陡边坡地质模型 为采用极限平衡分析和数值模 拟相结合的方法进行边坡稳定性分析和设计提供依据 关键词边坡; 工程地质模型; 岩体结构; 地质构造 分类号TD214 .1 462 20045 床即赋存于两个向斜之中 矿区出露的地层有太 古界桑干群三屯营组二段 元古界常州沟组和震 旦系长城组及新生界的地层 区内多期构造活动 与迭加作用明显 片理产状变化较复杂 矿体下 盘片理产状与边坡一致 略陡于边坡 上盘岩矿 层与边坡一致 亦有斜交 [5] 区内断裂构造非常发育分布广泛而复杂 仅发现比较重要且有命名的就达 40 条以上与 边坡有关的断裂构造主要有三组 NE 2055 断 裂 20 余条 多分布在向斜两翼 以将,1,5为代 表 与复式向斜轴走向基本一致 处于向斜南东 翼的多为NW倾 处于北西翼的断层倾向多为SE 向 倾角较陡 为 7085EW 向断裂 散布在矿 区中 南部位 为陡倾断裂居多 倾角大于75 规 模较大 长度一般都超过300m 以南端的刘官营 断裂为代表 NNE向陡倾断裂 断层性质变化明 显先期为压性中期张性后期为压扭性以 6,7为代表 [6] 见图 1 另外在采埸边帮揭露出更多的小断层大 节理通过对 2349 组边坡岩体中的节理面的形 态 方位 间距 规模 隙宽 充填物等参数的实地 测量和统计分析发现有 6 组优势节理发育其 产状基本与断层发育方向相对应在块状岩体 中 由于这类节理裂隙的大量分布 对采场边坡 岩体形成了纵横交错切割的态势 破坏了边坡岩 体的完整性 [7] 矿区岩脉较为发育 有基性岩脉 辉长岩脉 橄榄辉长岩脉 辉长辉绿岩脉和辉石岩脉石英 岩脉 伟晶岩脉以及与注入交代型混合岩化有关 的长英质脉岩等 岩脉的共同特征是 倾角较陡 均在 70以上较大的脉岩边缘呈片理化强度 低 易变形 矿区为一半封闭的水文地质单元 一般含水 层厚度为80m 单位涌水量小 具相对隔水作用 仅在断裂附近为稍强含水 断层对岩层的含水有 一定的控制作用在上述各断层中仅 F1, F3断层 有一定的导水性刘官营断裂 F刘为一长 10km 宽 100m 以上的大型断层破碎带倾向北倾角 8085 几个钻孔施工均有漏水现象说明该断 层是富水和透水的当存在某种外在影响因素 时 其富水的破碎断裂带将成为边坡变形破坏的 潜在动力 [5] 图 1水厂矿区工程地质构造纲要图 Fig.1 Outline of engineering geological structure ofShuichang mining area Vol.26 No.5乔兰等露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型463 2高陡边坡工程地质模型及变形 破坏 采场边坡岩体结构构造现场勘查显示 自投 产以来边坡断续发生 100 多处滑塌和边坡失 稳其中规模较大的滑塌 6 处台阶边坡破坏近 百处近年来已发生有代表性的较大滑坡有两 处 主要发生于紧邻矿体上 下两盘的边坡上 沿 单个节理面 俗称大光面 破坏 或沿多组节理面 组合形成三维楔体破坏 平面 大光面 和楔体破 坏特征明显 如 19244m 标高边坡滑坡边坡影响长度约 6070m 滑体最大垂高 72m 滑面为与坡面平行 的 同 一 组 节 理 面滑 面 倾 向 南 东产 状 为 13616163 85 滑体发生在第三系砾岩夹泥 岩 火山角砾岩 中 此岩层构成的边坡 由于砾 岩与泥岩形成夹层 砾岩结构松散 基质易风化 泥岩遇水崩解 强度低 支持不住上部厚层状砾 岩的重量 而此边坡沿走向方向又发育有大型节 理面 形成潜在断裂面 滑面故极易发生平面 滑坡 28034m 平台变形破坏此滑坡在边帮部 位形成一弧形沉降区在 68m 平台发生整体破 坏 56m 平台形成龟裂区并有局部岩体滑落该 处滑坡连续长度近200m 垂高36m 滑面为弧形 弯曲的光滑节理面 滑面产状为 32055 与该 段边坡走向大体平行 现场地质调查显示 该处 有一组节理面与大光面平行发育 长度连续延伸 几十米 深可达35 个台阶 分析此滑坡机理 该 区地质构造复杂 断层发育 特别在3422m台阶 有F 1断层切割 断层带内被强烈蚀变的基性岩脉 充填 岩性易风化 强度低 形成了此段边坡的软 弱基底 构成边坡的岩体主要为紫苏黑云斜长片 麻岩 岩体蚀变强烈 节理裂隙极为发育 特别是 与边坡平行的这组节理面 表面光滑平整 平行 发育 构成不稳定体的自然滑面 更受隧道掘进 爆破和下部采场生产爆破震动的影响 致使该段 边坡失稳 形成规模较大的单一平面滑坡 同时 错综发育的侧向节理则成为滑体的侧向断开面 形成滑体的侧向边界 与该组顺层节理组合形成 三维楔体破坏 3分布在将军墓岭及采场北部的松散岩组 主要为第四系残 坡 洪积物以及松散碎石土堆 积物 前者成分为砂砾石 亚砂土 亚粘土 分布 在采场境界内外边坡上部 以及地表低洼 冲积 等部位 后者为碎石 砂 土等松散颗粒物 来源 为采场排弃的岩土物料 碎石成分复杂 大小及 含量不均 因排放顺序而形成岩土颗粒自然堆积 韵律 土质松散 厚一般为 540m 最厚可达 100 m以上 呈散体结构 稳定性极差 采场已发生台 阶边坡局部坍塌小型冲沟石流痕迹及土体滑 动 其滑坡形式属于弧形破坏 由此可见 矿区边坡破坏模式与结构面发育 状况有关 1平面破坏 当边坡岩体中发育着一组走向 与边坡平行 倾向与边坡倾向一致 倾角与边坡 相近的不连续结构面 且边坡受到外力作用时将 会形成平面破坏 边坡岩体会沿上述不连续面产 生变形破坏 本矿发生平面破坏的滑面 一般均 为平整光滑的大节理面 俗称大光面 2弧形破坏 当边坡岩体呈散体结构或岩体 破碎岩块间有较多泥质及其他碎屑物质充填 块间并无紧密结合时 边坡沿弧形破坏面发生滑 动 形成圆弧型破坏 3 楔形破坏 由4 组甚至 4 组以上结构面和 临空面构成其中必有 2 个滑动面倾向不同且 其交线的倾伏方向与边坡倾向一致 倾角小于台 阶坡面角 即可引起三维楔形破坏 采场此类破 坏发生普遍 一般为台阶边坡破坏 规模不大 超 过 1 个台阶高度的楔体破坏并不多见 4倾倒破坏 在块状结构的岩体中 发育着 陡倾角节理面或片理面 且存在着与此结构面平 行的边坡临空面 使边坡岩体沿不连续面逐步变 形倾倒 一般规模不大 多为台阶边坡破坏 5崩塌破坏 发生在下部的软弱垫层与上部 的坚硬盖层构成的层状或似层状边坡岩体中 层 状结构的岩体 其下部强度低的软岩发生变形崩 解 引起坡顶盖层岩体产生张裂 悬空和块体崩 落 采场北帮第三系地层构成的露天边坡可见此 类破坏 3结论 矿区复杂的构造条件是采场边坡变形破坏 的主要控制因素 边坡变形破坏的工程地质模型 与地质构造特征 边坡岩体结构面发育及其组合 特征关系非常密切 采场边坡受北山复向斜构造 控制向斜轴面走向 NE45 与采场长轴方向一 致 上 下两盘边坡处于向斜两翼 均呈顺坡向分 464 20045 布 矿区断裂构造极其发育 规模较大的断层 三 级结构面以上达 40 多条依其分布方位不同 大体可分为6个断层组 其中以 NE3555断层组 最为发育该断层组基本上与采场长轴方向一 致 遍布上 下两盘边坡体 对边坡稳定性影响也 最大 边坡岩体节理 裂隙的广泛发育 破坏了坡 体的完整性 使边坡岩体松散 破碎 大大降低了 边坡岩体的力学强度 其中 发育于变质岩中的 以平行边坡走向倾向与边坡相同的一组节面 现场体现为大光面对台阶边坡稳定性影响最 大 它们可直接构成边坡破坏面 形成平面滑坡 研究表明 控制高陡边坡失稳的主要因素是矿区 复杂的地质构造条件 断层 节理的极端发育状 况 当这些断层 节理与边坡产状接近时 将会出 现由一组或几组断层 节理组合形成的单面或双 面的顺层光面滑移或楔形体滑移 在破碎岩体或 松散堆积体中形成弧形滑坡体 参 考 文 献 1 谷德振. 岩体工程地质力学基础[M]. 北京 科学出 版社,1979. 271 2Hoek E, Barry J W. 岩石边坡坡工程[M]. 北京 冶金 科学出版社 1983.157 3孙玉科, 杨志法, 丁恩保, 等. 中国露天矿边坡稳定 性研究[M].北京中国科学技术出版社,1999.42 4秦皇岛冶金设计研究院等.首钢矿业公司水厂铁矿 扩建工程采矿修改设计调整规模第一卷 [R].1999. 12 5 首钢地质勘探大队.首钢水厂铁矿二期勘探报告[R]. 1978 6北京科技大学, 首钢矿业公司. 大型深凹露天矿高 效运输系统及强化开采技术研究[R]. 2003 7乔兰谭文辉. 水厂铁矿边坡岩体节理概率分析及 参数估计 [J]. 中国矿业, 2001,10657 Engineering Geologcal Model of High-steep Slope Damagein Opencut Mines QIAO Lan LI Yuan Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACTMostof large and middle scaleopen-pit mines in China have reached deep mining. Along with the deeping and steepening of the slope, the difficulty to maintain stability of the slope and the probability of failure of the mining area are getting large and large. Due to complicated burring conditions of the ore-bodies in the open-pit mines, the failure modes of the slope are closely related to geological structures and rock mass characteristics. Through systematicalfield investigations,tests and studies,the tectonic featuresand general conditions of engineer- ing geology, the mechanisms and modes of failure of the slope in Shuichang mine are basically understood. A ge- ologicalmodelof the high and steep slopes in Shuichang open-pitmine is established,which providesa strong basis for stability analysis and optimum design of the slopes using numericalmodeling and limiting equilibrium analysis s. KEY WORDSslope; engineering geological model; rock mass structure; geological structure