露天矿边坡分析与控制

露天矿边坡稳定分析与控制卓越工程师教育培养计划配套教材第五章弓长岭露天矿何家采区边坡优化设计弓长岭矿业公司露天铁矿何家采区是鞍钢集团矿业公司主力采区之一，年产近四百多万吨铁矿石。虽然近期何家采区边坡工程没有发生大规模滑坡事故，但随着采深的增加，处于河床部位的上盘固定边坡的稳定性问题将凸显出来。2009年春季开始，上盘边坡上部土体出现了大面积的滑移，造成处于不稳定滑坡体的212m铁路Ⅰ线及其直流接触网被破坏，严重影响矿石输出，迫使矿山于2009年6月份对铁路进行移设，如图5.1所示。如果边坡出现进一步滑移，使得212m水平铁路全部报废。第一节引言第一节引言图5.1上盘边坡212铁路线平台滑移情况为了确保露天矿安全生产的目标，需要开展对何家采区上盘边坡进行稳定性研究，为了保障弓长岭矿业公司露天铁矿何家采区上盘边坡工程的安全稳定，避免出现重大人员伤亡及被迫停产的被动局面，必须对上盘边坡整体稳定性进行分析，提出并采取综合有效的措施进行预测和防治。因此，开展“何家采区上盘边坡稳定性研究与边坡结构优化设计”，对保证露天矿的正常生产、避免重大事故的发生具有特别重要的意义。第一节引言第二节边坡工程地质特性与岩体结构特征弓长岭矿业公司露天铁矿位于辽宁省辽阳市弓长岭区岭东，西北距辽阳市火车站直距31.6公里，西南距鞍山火车站直距43.8公里，矿区地理座标东经123°30′，北纬41°06′。矿区交通极为方便，辽（辽阳）溪（本溪）铁路从矿区西北端安平站通过矿区有专用宽轨铁路与辽溪线相接，由矿区到辽阳、鞍山、本溪有柏油路相通。矿区内属低山丘陵地貌。位于长白山山系西南部支脉~千山山脉的西北部，除西北方为大的冲积平原外，大部分属于山岳地带，为壮年晚期地形，山脉走向一般为北东走向，部分为北西走向，山峰高度一般为海拔260~500m，最高山峰海拔565m（高山）。最低处河床标高为220~224m，相对比高339~341m。山脉坡度不甚大，多为10°~20°，剥蚀比较强烈，山谷多呈“U”字型。一、矿区自然地理特征区域范围：东起蓝河、西至汤河沿、南起周家东沟、北至安平，东西长20公里，南北宽18.5公里，面积约370平方公里。1、地层本区为中国辽宁古陆基的一部分，所以出露本区之地层，以前震旦纪及震旦纪的变质岩系为主，并有小部分寒武纪、奥陶纪及石炭二叠纪岩层。本区域内还有不同时代侵入的岩浆岩以及大规模混合岩化作用而形成的混合岩和许多大小不等的酸—中—基性的岩脉侵入岩。出露于本区内的前震旦纪的岩石为本区最古老的地层，即所谓的“鞍山群”。铁矿层含于此鞍山群之内。鞍山群地层层序自上而下为：见书P93二、区域地质2、构造本区地层主要为古老的变质岩系所构成，它们受到吕梁及燕山运动时期的造山运动的影响，因而其构造很复杂。鞍山群地层区的古构造：在吕梁运动中或在其稍后，由于大规模弓长岭花岗岩的侵入，致使将完成的大复背斜两翼互相有所脱落，西南翼又受到强大推动作用，向东南有所转动，成为今日的布局。弓长岭一矿区、二矿区、三矿区原是一个矿层，因为相互转动成为鼎足之势。二矿区为大复背斜的东北翼，一、三矿区为大复背斜的东南翼。东北翼内的高角度逆断层倾角与岩层的倾角有时一致，有时稍陡或稍缓，从而造成铁矿层有时受到切削或重叠现象；一、三矿区岩层走向北东50-90°，倾斜东南10-50°。有向斜及背斜构造，它们的轴向是朝东南倾落。在一、三矿区与二矿之间存在的大规模数条横向平推断层走向北东30-60°，倾斜北西60-80°。在一矿区内有西北向的正断层，而在三矿区内有东北向的逆断层。发育在震旦纪地层的褶皱构造：褶皱为背斜两冀走向北东并向西南倾落，为北西或南西10-30°倾斜的波形缓倾角。在三矿区东北部有相同于上述轴向的大向斜构造。一般的原始地貌是“背斜成山，向斜成谷。”但地貌形态往往“背斜成谷，向斜成山”，因为向斜地质坚硬，不易侵蚀，而背斜则岩性脆弱，易被侵蚀当岩层弯曲方向相反时,要用以下方法判断：向斜:指的是岩层向下弯曲,主要的判断方法是内新外老,在一水平面上,中间是新岩层,而两边是老岩层。背斜:指的是岩层向上弯曲,主要的判断方法是内老外新,在一水平面上,中间是老岩层,而两边是新岩层。问：图上属于背斜还是向斜？分布在弓长岭铁矿床南帮的岩层，目前揭露主要为前震旦系鞍山群变质岩系，其次为鞍山群茨沟组铁矿及第四系山坡堆积物及冲积层。5.2.3矿区地质5.2.4矿区构造弓长岭一矿区位于区域二级构造单元的弓长岭背斜南西翼。一矿区内两个上、下近于平行的铁矿层与其围岩构成一个缓倾斜的复式向斜。由四个向斜和三个背斜形成一个波浪式的褶皱构造。复式向斜轴向为北30°~50°西，向南东倾伏，轴倾角20°~30°。区内褶皱构造按褶皱轴向与岩层走向的关系，可分成纵向褶皱与横向褶皱。本区的断裂构造按与岩层走向的关系基本可分为三组，即走向断层、斜交断层与横断层。矿床由于构造运动的影响，普遍存在大小不等的构造，平行和斜交矿体走向。该断裂比褶皱构造稍晚之产物所充填，故与地下水关系并非密切，但由于矿床受构造和区内大片混合岩侵入影响，使坚硬岩石产生节理裂隙，成为地下水的良好通路和聚集带。矿区出露的含水层主要以前震旦系鞍山群变质岩系的含铁矿石英岩为主，次为混合岩，钓鱼台组石英岩及第四系层。上盘边坡在开挖176m台阶时，边坡了渗水现象。在边坡底部开挖的集水池范围很大，每天都需要及时排水。到今年2010年，开挖到152m和140m台阶时，上盘边坡表面已没有渗水现象，底部集水池渗水量也很少，范围很小。主要原因是原河床下在176m水平左右存在弱含水层，经过一段时间的排水，地下水量减少。地下水对边坡稳定性影响程度逐渐减轻。5.2.5水文地质弓长岭露天铁矿何家采区年设计生产能力400万吨，根据矿体赋存条件、自然地形和矿山开采设计的要求将露天矿采场边坡分成三个区域：I区：包括采场上盘和东、西端帮，长度约1850m，露天底标高为+8m和+56m，露天顶标高为+200m，边坡岩体主要为层状分布的片岩和矿体。Ⅱ区：主要为采场下盘9线以东，长度为750m，露天底标高为+8m，露天顶标高为+330m，边坡岩体主要为片岩和贫矿体。Ⅲ区：主要为采场下盘的9线以西，长度为800m，露天底标高为+56m，露天顶标高为+320m，边坡岩体主要为矿体地板围岩、即片岩和贫矿体。研究的重点为采场的上盘边坡，目前采场最低开采水平为140米左右，根据上盘的边坡结构及岩体特征将上盘边坡划分为I区、II区、III区三个工程地质分区，如图5.2。5.2.6上盘边坡工程地质分区与节理裂隙调查I区II区III区图5.2上盘边坡分区图弓长岭露天铁矿何家采区年设计生产能力400万吨，根据矿体赋存条件、自然地形和矿山开采设计的要求将露天矿采场边坡分成三个区域：I区：包括采场上盘和东、西端帮，长度约1850m，露天底标高为+8m和+56m，露天顶标高为+200m，边坡岩体主要为层状分布的片岩和矿体。Ⅱ区：主要为采场下盘9线以东，长度为750m，露天底标高为+8m，露天顶标高为+330m，边坡岩体主要为片岩和贫矿体。Ⅲ区：主要为采场下盘的9线以西，长度为800m，露天底标高为+56m，露天顶标高为+320m，边坡岩体主要为矿体地板围岩、即片岩和贫矿体。研究的重点为采场的上盘边坡，目前采场最低开采水平为140米左右，根据上盘的边坡结构及岩体特征将上盘边坡划分为I区、II区、III区三个工程地质分区，如图5.2。5.2.6上盘边坡工程地质分区与节理裂隙调查5.3.1钻孔勘探及技术要求1、基本任务：孔勘探应基本查明边坡深部地层地质构造，岩体完整程度，节理裂隙及破碎带分布状况，进行岩石及结构面试验，为整体稳定性评价提供深部地层的地质资料和建议。2、技术要求：本次预计钻探2个孔，孔径为75mm，全部孔均为取心钻探。施工中根据岩层走向，本次采用垂直钻孔钻进。岩芯采取率一般不低于90％，破碎地带的岩芯采取率不得低于75％，随钻机及时进行钻孔编录和参数统计，量测RQD指标，并按时完成钻探任务并提交钻孔柱状图。每个孔取在不同深度取有代表性的岩芯5～7组进行岩块物理力学参数试验，并提交试验成果。对岩心进行照相保存。根据钻孔揭露的地下水状况，选择合适的试验方法，进行水文试验。第三节钻孔勘探与试验3、执行技术规范标准①、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）②、《建筑工程地质钻探技术标准》（JGJ87-92）③、《岩心钻探规程》（DE/T0091-94）④、《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-99）⑤、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）⑥、《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T23561.6-2009）⑦、《工程岩体分级标准》（GB50218-94）5.3钻孔勘探与试验5.3.2钻孔布设与施工1、钻孔布设布设原则：按照露天矿边坡工程钻探规范，边坡钻探钻孔力求做到穿越边帮高度1／2～1／3之间，终孔深度应穿越最终边坡圆弧型破坏潜在破裂面以下（自终了坡脚上延30°左右），并尽可能穿越更多不同岩性地层和结构面。根据上述要求，由相关各方在实际施工中进行调整确定。2、钻孔倾角：根据岩层走向，为保证岩芯裂隙的调查量测，施工采用垂直直孔钻进，孔径75mm。孔号孔口坐标孔口标高（m）孔底标高（m）钻孔进尺（m）ZK1X=-3322.014Y=4746.820157.14146.5110.6ZK2X=-3406.501Y=4521.485169.63929.5140.1表5.1边坡勘察钻孔基本数据表3、钻孔取芯本次钻进采用双管单动绳索取芯，岩芯采取率达到100％。量测岩体裂隙密度和RQD指标。根据边坡稳定性研究的需要和现场实际作业条件，在上盘边坡14线和15线之间158平台布设了ZK1钻孔，在10线附近的170米平台布设了ZK2钻孔。野外地质勘察施工，完成工程钻孔2个，单孔深度110m～140m，总进尺251米，边坡勘察钻孔孔位、孔口标高与孔底标高等见表5.1和图5.8～图5.9。在对岩体水文地质试验及室内岩石试验分析结果整理的基础上，结合鞍山地区经验值，对勘察场地进行了工程岩体结构类型和工程岩体质量级别的划分，并对各种测试、试验数据进行综合分析整理，绘制完成边坡钻探工程地质柱状图等图表和工程勘察报告编制工作。156.7204.82125.3.3水文地质试验为了解岩层的含水性与渗透性，获取有关水文地质参数，根据钻探揭露地层及地下水位具体情况采取不同的水文试验方法。1、水文地质试验方法的选取（1）、地下水位测定①、孔内地下水水位用万用表、双股电线观测。②、钻探过程中作简易水位观测。③、在水文试验前后均进行了稳定水位观测。（2）、试验方法的选定钻探中分别进行压水试验，利用定时间内在钻孔中压入的水量和压力大小的关系，计算岩体相对透水性和定性了解岩体裂隙发育程度，不受岩体中有无地下水的限制。2、水文地质试验-压水试验本次钻探钻孔水文地质试验采用压水试验方法测取渗透系数K值具有很高的精度，压水试验分别在二个钻孔（ZK1~ZK2）中进行，测定钻孔岩体渗透性。本次进行了6次（各3段）压水试验，取得了不同深度岩体的渗透系数值，了解岩体透水性。结果见表5.3。5.3.3水文地质试验孔号孔口标高试验段标高（m）岩组渗透系数（cm/s）ZK1157.14m40.3~31.8混合花岗岩4.63×10-478.6~72.4假象赤铁石英岩、片岩7.18×10-5110.6~104.2磁铁石英岩2.23×10-5ZK2169.64m30.2~23.4混合岩5.3×10-486.8~80.5铁矿层与片岩互层带4.7×10-5102.4~95.5铁矿层与片岩互层带2.3×10-4表5.3水文地质压水试验综合成果表钻孔水文地质试验揭示的地层含水性及透水性变化较大。钻孔揭露岩体渗透性主要受节理裂隙控制，分析试验所取得的渗透系数值，结合岩芯状况，片岩、混合岩节理裂隙发育可达弱透水等级，石英岩应为微透水等级。钻探施工在8月份，地下水位与大气降水、采场下部采掘等因素有关，采区地下水位处于动态变化中。5.3.4岩石物理力学性质试验对