杏山铁矿露天转地下开采边坡变形分析

杏山铁矿露天转地下覆盖层形成方法卢宏建;甘德清;陈超【摘要】以杏山铁矿为研究背景,结合矿山实际情况,基于随机介质放矿理论的覆盖层结构优化理论与露天转地下覆盖层回填自然分级理论,确定了杏山铁矿能满足防损失贫化、防冲击地压、阻滞水作用、减少漏风防寒保暖,可形成挤压爆破和端部放矿条件等安全功能的覆盖层厚度为45 m,形成方法为高台阶一次翻卸,并制定了详细的方案与技术保障措施.取得以下主要结论:①杏山铁矿覆盖层分整体下移层和流动层2层铺设,流动层回填废石粒度不小于20 mm,100 mm以上的粒度含量不小于40％,厚度不小于20 m.②整体下移层回填废石小于5mm与大于5mm的粗颗粒比例为3:7,厚度不小于25 m.杏山铁矿实施覆盖层后的井下漏风率、矿石贫化率、井下泥石流和渗漏时间等指标评价数据良好,对类似矿山有指导借鉴意义.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P25-28)【关键词】露天转地下;覆盖层;高台阶翻卸;自然分级【作者】卢宏建;甘德清;陈超【作者单位】河北联合大学矿业工程学院,唐山河北063009;河北省矿业开发与安全技术重点实验室,唐山河北063009;河北联合大学矿业工程学院,唐山河北063009;河北省矿业开发与安全技术重点实验室,唐山河北063009;河北联合大学矿业工程学院,唐山河北063009;河北省矿业开发与安全技术重点实验室,唐山河北063009【正文语种】中文【中图分类】TD856.1露天开采是金属矿开采的重要手段，特别是我国80%的铁矿石产量来自于露天开采，经过多年的开采，众多露天矿山已经或者将要转为地下开采[1]。

随着开采技术的发展和高效设备的研发及应用，多数露天转地下矿山能力呈增大趋势，而能够满足地下大产能的采矿法首选无底柱分段崩落法。

该采矿方法特点是要求有一定厚度的覆盖岩层，以满足安全生产的需要。

国内外学者就露天转地下开采覆盖层的结构与形成方式问题已经进行了一些研究工作[2-5]，但尚处于完善阶段。

露天转地下开采方案优化及边坡稳定性分析刘杰;赵兴东;路增祥【摘要】以孟家堡铁矿露天转地下开采的实际情况为工程背景,利用强度折减法和FLAC3D数值模拟方法,以塑性区贯通、计算不收敛及位移突变为失稳判据计算边坡安全系数,确定潜在滑移面,分析静态及开采扰动下的边坡稳定性;根据随采深下降的边坡破坏规律,对开采方案进行优化.分析结果表明,无开采扰动下边坡安全系数为1.94,满足稳定性要求;不留境界矿柱的无底柱分段崩落法地下回采过程中,覆盖层厚度要达到25 m,其起到吸收并转移应力和减缓边坡能量耗散速度的作用.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)009【总页数】4页(P1327-1329,1334)【关键词】露天转地下开采;边坡稳定性;强度折减法;安全系数;FLAC3D【作者】刘杰;赵兴东;路增祥【作者单位】东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;罕王傲牛矿业股份有限公司,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TD824露天转地下开采边坡岩体的移动、变形和稳定性问题已成为一个影响生产、安全和环境的突出问题［1－6］，而且这一问题将随着开采向深部延伸更加突出.露天开采时期的大规模开挖，对围岩体造成较大的应力扰动，在此基础上进行地下开采，将引起边坡岩体的进一步变形和破坏，甚至出现滑坡失稳和巷道破坏等灾害［6］.同时，露天转地下境界矿柱的留设会给地下开采的安全带来巨大隐患［3］.本溪孟家堡铁矿针对Fe10 号矿体的实际情况，计划露天开采坑底标高全部至+70 m后，转为地下开采，开采方式为无底柱分段崩落法且不留境界矿柱，分段高度20 m.由于不留境界矿柱，开采环境极其复杂，因此研究地下开采过程中边坡稳定性对优化矿山开采方案具有重大的现实意义.目前，采用强度折减法计算边坡安全系数逐渐成为新的趋势［7］，该方法的关键问题是如何判断边坡达到临界失稳状态.一般使用求解过程中计算不收敛作为判据［8］，塑性区贯通［9］判据和监测点位移突变判据［10］由于能够直观地反映边坡破坏过程也逐渐受到重视.但是，对三种判据的综合应用还较少，为此，本文采用自编强度折减法和FLAC3D模拟方法，综合三种判据分析不同方案下的边坡破坏特征，以边坡稳定性为依据，对采矿工艺参数进行合理的优化.1 数值模型建立及计算方案1.1 计算模型考虑边坡岩体破坏形态和对建模难易程度的考虑，对露天台阶进行了合理的简化.由几何模型(图1a)，选取高陡边坡40#勘探线地质剖面为研究对象，建立单元模型(图1b)，模型X 方向500 m，Y 方向20 m，坑底宽28 m，标高+70 m，设置2 个监测点，矿体上盘边坡最终边坡角63°，下盘边坡最终边坡角49°，其覆盖层用废石回填.图1 计算模型Fig.1 Computation model(a)—几何模型；(b)—单元模型.由于矿体倾向，上盘边坡角和高度均大于下盘边坡，故以上盘边坡为主要研究区域.露天开采属于浅部采矿，计算只考虑自重应力的影响.计算模型除地表设为自由边界外，底部设为固定约束，模型四周设为单向位移边界.岩石力学参数见表1，计算采用Mohr－Coulomb 破坏准则.1.2 计算方案首先分析无开采扰动下边坡的稳定性.然后，针对不留境界矿柱的地下开采，将+70 m 至+10 m的矿体分三层开采，每分层高度20 m，提出3 种方案:方案一，坑底无覆盖层；方案二，坑底覆盖层厚度为40 m，且随采深下降不再进行回填；方案三，坑底覆盖层厚度始终为40 m.表1 岩石类别及参数Table 1 Rock types and parameters2 模拟结果分析2.1 无开采扰动下的边坡稳定性分析应用优化理论中的二分法，以塑性区贯通、计算不收敛及位移突变为失稳判据，编制强度折减法程序，求得无开采扰动下边坡安全系数Fs=1.94，大于规定的1.2，符合安全标准.边坡失稳破坏可以看做是塑性区的发展、扩大直至贯通而进入完全塑性状态，而无法继续承载.Fs=1.94 时，边坡塑性区(图2a)从坡脚贯通至坡顶，主体单元为剪切破坏，只在坡顶存在小范围拉破坏.边坡达到临界失稳时，根据临界破坏状态的塑性区及剪切应变增量云图(图2b)可以估计潜在滑动面.由图2b 知，边坡内剪切应变带已经形成，可得出潜在滑移面位置；边坡失稳时，局部化剪切变形会相对集中在局部化区域内，而区域外的变形相当于卸载后的刚体运动，滑坡体将沿某一滑动面滑出.滑动面两侧沿滑动面方向的位移差明显，存在较大的变形梯度，边坡失稳必然是其一部分岩体相对于另一部分岩体无限制的滑移，可采用边坡位移等值线确定滑动面，如图2c和图2d 所示.以位移值1 cm 的等值线为界，被明显地分为滑体和稳定体两部分，并且最大垂向位移产生于坡顶，达10 cm，最大横向位移位于最下方台阶的坡面中部，达12 cm；边坡失稳，滑体由静止状态变为运动状态，同时产生很大且无限发展的位移，程序无法从数值方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力应变关系和强度准则的解，此时，不管从力的收敛标准还是从位移的收敛标准来判断，数值计算都不会收敛.计算过程中，最大不平衡力集中于边坡表面，计算无法收敛.图2 安全系数Fs=1.94 时边坡状态图Fig.2 Slope state diagrams forFs=1.94(a)—塑性区；(b)—剪切应变增量；(c)—竖直位移；(d)—水平位移.监测点的竖直位移随时步变化曲线见图3，位移持续发展，并未达到某一稳定值，表明边坡进入塑性流动状态.在不同的Fs下，监测点竖直位移与Fs的关系见图4，当Fs=1.94 后，位移变形量发生突变，表明此时边坡处于失稳临界状态.2.2 方案优化结果分析图5 给出了3 种方案不同回采分层边坡塑性区体积的变化图.受篇幅限制，图6 仅给出了3 种方案三分层回采后的塑性区分布情况.由图可知，边坡破坏主要集中在上盘边坡，且随着回采的进行，塑性区体积加速增长，方案一增长速度最快.方案一一分层回采后，仅在采场围岩附近形成贯通区域，围岩的局部破坏有利于分段崩落法的安全，计算安全系数Fs=1.54，则方案二与三回采一分层时，Fs必大于1.54，边坡安全；方案一二分层回采后，塑性区扩展较大，其Fs=1.18，边坡不安全，且三分层回采结束后，由于无覆盖层，边坡受开采扰动较大，塑性区(图6a)从坡脚贯通至坡顶面，其安全系数小于1，潜在大范围破坏.方案二一分层回采后，覆盖层下降约8 m，且二分层回采后，覆盖层下降约9 m，Fs=1.32，则方案三二分层回采后，Fs必大于1.32，边坡相对安全；方案二三分层回采后，覆盖层下降约10 m，此时厚度仅剩13 m，Fs=1.05，不安全，而方案三此时Fs=1.36，边坡稳定.基于以上分析，选取覆盖层厚度为25 m，计算此条件下三分层回采后Fs=1.24，边坡安全.覆盖层的存在对边坡及围岩起到支撑作用，松散碎石能够吸收及转移边坡应力，减缓边坡能量快速释放，起到缓冲作用，覆盖层完全为塑性(图6b 与图6c)，从而有利于边坡的稳定.图3 安全系数Fs=1.94 时步-位移变化曲线Fig.3 Steps vs displacement curves for Fs=1.94图4 安全系数Fs-位移变化曲线Fig.4 Fsvs displacement curves图5 3 种方案分层-塑性区体积关系曲线Fig.5 Slicing vs plastic zone volume for three schemes图6 3 种方案三分层回采后塑性区分布图Fig.6 Plastic zone distribution of three schemes after the third slicing mining(a)—方案一；(b)—方案二；(c)—方案三.3 结论1)以塑性区贯通、计算不收敛性及位移突变为边坡失稳判据，确定无开采扰动下边坡的安全系数等于1.94，稳定性较好.2)采用不留境界矿柱无底柱分段崩落法进行地下开采时，无覆盖层一分层回采时边坡安全，二、三分层回采时，要求覆盖层厚度至少25 m.3)覆盖层不仅起到填充空区的作用，而且起到吸收转移应力及减缓边坡能量耗散速度的作用，防止边坡进一步破坏.参考文献：【相关文献】［1］Bye A R，Bell F G.Stability assessment and slope design at sand sloot open pit，South Africa［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2001，38(3):449－466.［2］Rose N D，Hungr O.Forecasting potential rock slope failure in open pit mines using the inverse-velocity method［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44(2):308－320.［3］Zhao X D，Li L C，Tang C A，et al.Stability of boundary pillars in transition fromopen pit to underground mining［J］.Journal of Central South University，2012，19(11):3256－3265.［4］Wang J，Tan W，Feng S，et al.Reliability analysis of an open pit coalmine slope ［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2000，37(4):715－721.［5］He M C，Feng J L，Sun X M.Stability evaluation and optimal excavated design of rock slope at Antaibao open pit coal mine［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2008，45(3):289－302.［6］Singh T N，Singh D P.Slope behaviour in an opencast mine over old underground voids［J］.International Journal of Mining，Reclamation and Environment，1991，5(4):195－201.［7］Zheng Y R，Tang X S，Zhao S Y，et al.Strength reduction and step-loading finite element approaches in geotechnical engineering［J］.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2009，1(1):21－30.［8］GriffithsD V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements［J］.Geotechnique，1999，49(3):387－403.［9］Matsui T，San K C.Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique［J］.Soils and Foundation，1992，32(1):59－70.［10］林杭，曹平，宫凤强.位移突变判据中监测点的位置和位移方式分析［J］.岩土工程学报，2007，29(9):1433－1438.(Lin Hang，Cao Ping，Gong Feng－qiang.Analysis of location and displacement mode of monitoring point in displacement mutation criterion［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(9):1433－1438.)。

６矿冶工程第３０卷场，高约６０ｍ和４０ｍ左右；东北侧３０ｍ远处有民房；东侧２０ｍ处有深３ｍ的大坑，内有积水；东侧２００ｍ远处为新利分矿（选矿厂）；西南、东侧和东南为农田。

１．１地层岩性仓上矿区内岩浆岩主要为马连庄超单元变辉绿岩、栖霞超单元英云闪长岩、玲珑超单元斑状二长花岗岩、郭家岭超单元巨斑状花岗闪长岩、煌斑岩、辉绿岩；岩石等级为Ⅷ～Ⅸ（普氏系数厂为１０—１２）。

施工地点岩性为花岗岩、绢英岩化花岗岩及混合岩化斜长角闪岩等。

１．２区域地质构造仓上矿床位于胶东半岛西北部，处于大地构造位置胶北隆起的西缘，西侧与沂沭断裂带相毗邻。

仓上矿区内主要构造形式为褶皱和断裂，以断裂为主。

根据生成先后及与矿的关系，可分为控矿断裂及矿后断裂。

前者为仓上断裂带，后者有北东向和北西向断裂。

岩体产状及节理裂隙间距统计结果表明，结构面走向以北西向为主，倾向北偏东。

结构面间距０．１～ｏ．５ｍ，结构面组数２—３组，主要结构面结合差，岩体完整程度属较破碎。

１．３地下水情况现场勘察发现仓上矿区下降泉主要有３处，源头均为第四系水，分别在西北坡、东坡和南坡东侧，但流量不大，且与季节性降雨关系密切，干旱时会断流。

在露天坑底的南坡西侧有１处裂隙水出露，流量约为０．０ｌｍ３／ｈ，流量稳定。

可见，现场水文条件简单。

２露天采坑边坡变形破坏特征仓上露天采坑边坡东坡、南坡和北坡破碎，西坡较完整。

该露天采坑边坡变形破坏以滑坡、危岩和崩塌为主。

滑坡现象显著区域主要有４处，由西向东依次编号为１—４号滑坡，其中２、３号滑坡比较严重。

崩塌显著区主要有两处，由西向东依次编号为５～６号崩塌。

南坡危岩随处可见。

仓上露天采坑边坡滑坡、崩塌发生部位如图１所示。

图ｌ露天采坑边坡滑坡及崩塌位置分布图ｌ中危岩和崩塌均是露采暴露时间长、风吹、Ｅｌ晒、雨淋，导致岩体风化原因引起。

北坡只有３号和４号滑坡之间顶部边坡有明显崩塌，东北坡顶、东坡和南坡有危岩，南坡大部分区域都有崩塌显现，危岩随处可见。

山坡型露天开采边坡稳定的影响因素第一篇：山坡型露天开采边坡稳定的影响因素山坡型露天开采边坡稳定的影响因素【摘要】：阐述了山坡型露天开采边坡稳定的影响因素，并对保持边坡稳定的可行性进行了探讨，可供露天开采矿山参考。

一、前言金属非金属矿山生产是工业生产的高危行业，其事故发生几率和死亡人数在工业安全生产领域占较大比重。

边坡稳定管理是露天开采矿山安全生产的重要环节，山坡露天开采企业发生的事故多数是边坡失稳导致的。

引起露天矿山边坡破坏(主要指坍塌和滑坡)的原因，往往是由多方面因素所构成的。

大致可以分为两类，即自然因素和人为因素。

自然因素主要有：①边坡所处范围的地质构造(层理、节理、断层、褶曲等)；②岩性(强度、渗透性、孔隙率、膨胀性等)；③地下水及地表地形、气候特征、地震等。

人为因素主要有：①边坡的形态；②周边的爆破震动；③地表植被破坏及水库、排十场等人为构筑物等。

一般是由几种因素叠加，共同作用而造成边坡破坏但是也有单一因素造成边坡破坏。

在诸多因素共同作用时，往往以一、两种为主，其它因素只是对这一、两种因素起促进作用。

露天矿山的边坡是在生产活动中为了适应产出矿石的需要而强行控制的实体，为了实现安全、快捷、经济的目的，掌握边坡的结构和特点，总结边坡的破坏类型及其与其相关的技术，防患于未然尤为重要。

二、山坡型露天开采边坡的结构和特点山坡型露天开采时通常是把矿岩划成一定厚度的水平层，自上而下逐层开采。

这样开采的结果使露天开采形成阶梯状的台阶，通常被称为台阶开采。

多个台阶组成的斜坡称为露天矿山边帮，即露天矿山最终边坡。

这种方法多用于较大规模露采矿山，多个工作面可以同时作业，互不影响。

还有一种情况是针对小型露天开采所作出的特殊规定。

即根据国家安全生产监督管理局颁布实施的《小型露天采石场安全生产暂行规定》，“不能采用台阶式开采的，应当自上而下分层顺序开采”。

其方法是将露天开采的矿岩自上而下划分成若干平行条块，而后自第一条块(最外层的条块)自上而下分割成若干阶段，先开采最上层矿块，依次向下开采。

第42卷增刊32012年12月吉林大学学报（地球科学版）Journal of Jilin University （Earth Science Edition ）Vol.42Sup.3Dec．2012河北迁安杏山富大铁矿体成因初析周永贵，陈正乐，陈柏林，韩凤彬中国地质科学院地质力学研究所，北京100081摘要：河北迁安BIF 型铁矿床普遍以贫矿为主，贫矿层中发育的富矿规模较小。

近年来的危机矿山接替资源找矿勘查工作在迁安杏山矿床发现了富大铁矿体，笔者通过矿石地球化学测试和构造解析，探讨了富大铁矿体的成因。

矿石地球化学测试结果表明:富铁矿石和普通矿石的常量元素以TFe 2O 3和SiO 2为主，说明原始沉积极少有碎屑物质加入;两者稀土元素经球粒陨石标准化后，配分模式均表现为轻稀土富集的右倾型式，均具有Eu 、Ce 正异常，且(La /Yb )N＞1，具有热液流体的贡献，说明富铁矿石和普通矿石的物质来源是一致的。

野外观测和构造解析显示，杏山富大铁矿体的控矿构造为被断裂破坏的“马鞍状”褶皱构造;岩心观察和显微构造研究发现，在相对塑性变形条件下，由于能干性的差异，磁铁矿层相对于其他物质组分更易形成缓慢的定向塑性流动，并在褶皱核部加厚，同时磁铁矿的重结晶使得铁矿石品位变富。

综合研究认为，杏山富大铁矿体是在原始沉积富集的贫矿体基础上，由于后期构造变形的叠加，磁铁矿发生定向流动，在褶皱核部重结晶，促使铁矿体在褶皱核部局部加大变富形成富大矿体;依据矿体分布及控矿构造分析，下一步勘探应向矿区C26线SE 侧深部努力，在断层的NE 侧有望见到厚大富铁矿体。

关键词:地球化学;富大铁矿体;构造变形;杏山铁矿;迁安矿田中图分类号:P611.3文献标志码:A文章编号：1671－5888（2012）Sup．3－081－12收稿日期：2012-09-12基金项目：全国危机矿山项目（20089950）；地质力学研究所基本科研项目（DZLXJK201104）；国家自然科学基金项目（41072071）作者简介：周永贵（1981—），男，博士研究生，主要从事矿田构造、成矿预测研究，E-mail ：yonguy@sina．cn 通信作者：陈正乐（1967—），男，研究员，主要从事区域构造、矿田构造和成矿预测研究，E-mail ：chengzhengle@263．net 。

杏山铁矿露天转地下开采边坡变形分析1. 引言1.1 研究背景1.2 研究意义1.3 文章结构2. 杏山铁矿露天转地下开采的现状与问题2.1 杏山铁矿概况2.2 露天开采的问题2.3 地下开采的优势与挑战3. 杏山铁矿露天转地下开采边坡变形机理分析3.1 应力场分析3.2 岩体力学特性分析3.3 边坡稳定性分析3.4 边坡变形机理分析4. 杏山铁矿露天转地下开采边坡变形控制措施4.1 期间稳定性分析与控制措施4.2 闭锁区域稳定性分析与控制措施4.3 全局稳定性分析与控制措施5. 结论与展望5.1 研究结论5.2 研究不足与展望1. 引言1.1 研究背景随着我国经济的不断发展，工业和基础建设的需求不断增加，对原材料的需求也不断增长，其中铁矿石是一种不可缺少的资源。

然而，近年来中国铁矿石市场供应紧张，国内铁矿石产业的转型升级已成为必然选择。

铁矿石采选工艺的发展也呈现出多样化和综合化的趋势，其中露天转地下开采是国内铁矿石行业的一个重要发展方向。

杏山铁矿是国内大型露天铁矿，而铁矿石的露天开采形成巨大的矿坑不仅浪费土地资源，还对周围环境造成了较严重的破坏和污染，广泛的物质和能源投入成为铁矿石工业可持续发展面临的重大问题。

因此，将杏山铁矿的露天采矿转变为地下采矿是必然的发展趋势，同时也是该地区经济可持续发展的需要。

然而，露天转地下开采面临一些技术难题，其中边坡变形是一个重要的问题，如果不加以合理控制也会带来一定的安全隐患，甚至会导致严重的事故发生。

因此，对于边坡变形进行研究，探索合适的控制措施，是转变杏山铁矿开采方式的必要前提。

1.2 研究意义本文研究的是杏山铁矿露天转地下开采边坡变形分析及其控制措施，其研究意义具有以下几点：首先，转变露天开采为地下开采是我国铁矿石产业发展的重要方向，对于杏山铁矿进行露天转地下开采，可以有效降低环境污染和物资消耗，实现铁矿石行业的可持续发展。

其次，边坡变形是地下采矿面临的一大安全隐患，对于变形进行合理的分析和控制，能够降低事故风险，保障采矿人员的安全。

研山铁矿边坡稳定性影响因素分析及其控制技术司家营研山铁矿经过近十年开采,-82m台阶以上地质结构复杂,上部为厚土
质边坡,局部边帮破损严重。

2016年7月23日,于N26线附近发生滑坡,当时未
造成损害,滑坡高度约25m,从-42水平到-67m水平,滑坡体长40m,容积1000m3。

次年2月,在已发生塌方的位置再次发生滑落,严重影响了矿山安全生产。

因此,研山铁矿边坡稳定性控制及治理技术研究是矿山亟待解决的重要课题。

针对研山铁矿复杂边坡问题,通过对边坡现场勘查,在工程地质和水文地质
条件分析的基础上,结合室内试验的现场试验,确定了该土质边坡的主要影响因素。

采用数值模拟技术,对边坡帷幕注浆堵水、降水反复干燥饱和、深层斜孔放水等几个关键边坡剖面的稳定性进行了分析和计算,验证了边坡堵放水工程效果。

根据可爆性级别的计算结果,进行了爆破分级与分区,得出了几种重要的爆
破技术参数;并比较分析了电子雷管与普通雷管的差异,得出电子雷管的质点平
均振动速度降低了近41.3%。

通过采取降震、预裂控制爆破、排水和锚喷支护等治理技术,保证了边坡的稳定性,尤其是数码雷管的引进,使爆破震动得到有效地控制。