摘 要

本次设计的项目是司家营铁矿露天开采境界设计及边坡稳定性分析。设计按照国家有关规范严格设计露天矿的边坡境界，并保证矿山企业的经济效益达到最大化，并利用FLAC3D对设计完成的边坡进行边坡稳定性分析。在整个矿山各项生产活动中，对矿山项目整体经济效益影响程度最大的就是露天开采境界设计。其通过设定矿山边坡角等确定该露天矿山项目的整体矿岩量采掘数量，从而控制整体的经济效益。但是在追求矿山经济效益最大化的同时，往往会带来边坡稳定性不足的问题。本设计在设计完成的露天开采境界上，利用ANSYS建立边坡的数值模拟二维模型，并通过查询司家营矿山边坡的岩石资料，通过FLAC3D对建立的二维模型进行受力状况分析，进而得出设计边坡的稳定性状况，以综合评价矿山整体的安全状态和提出矿山边坡事故的预防措施。

关键词：露天开采境界；经济合理剥采比；数值模拟

Abstract

The design project is the boundary design and slope stability analysis of the Sijiaying iron mine. The design strictly designs the slope boundary of the open pit mine according to the relevant national regulations, and ensures the economic benefit of the mine enterprise to be maximized, and uses FLAC3D to analyze the slope stability of the designed slope. Among the various production activities of the mine, the most important impact on the overall economic benefits of the mine project is the open-pit mining boundary design. It determines the overall ore mining quantity of the open pit mine by setting the mine slope angle, etc., thereby controlling the overall economic benefits. However, while pursuing the maximization of mine economic benefits, it often brings about the problem of insufficient slope stability. In the design of the open-pit mining boundary, the ANSYS is used to establish a numerical simulation two-dimensional model of the slope, and the two-dimensional model established by FLAC3D is analyzed by the rock data of the slope of the Sijiaying mine. Furthermore, the stability status of the design slope is obtained to comprehensively evaluate the safety status of the mine as a whole and to propose preventive measures for mine slope accidents.

Keywords: open-pit mining boundary;economic rational stripping ratio;numerical simulation

目 录

第1章 综述 1

1.1项目介绍 1

1.2矿山工程地质概况 1

1.2.1采矿场综合地质背景 1

1.2.2采矿场地层岩性 2

1.2.3矿区水文地质情况 2

1.3设计依据和设计准则 3

1.3.1设计依据 3

1.3.2设计准则 3

第2章 露天开采境界 4

2.1确定露天矿开采境界的原则和方法依据 4

2.1.1确定露天矿境界的主要原则如下 4

2.1.3经济合理剥采比 4

2.2露天矿开采境界要素 5

2.2.1露天矿最终边坡角的选取 5

2.2.2确定露天矿底部宽度 6

2.2.3确定露天开采境界底部位置 7

2.3确定露天矿开采深度 7

2.3.1在地质横断面图上初步拟定开采深度 7

2.3.2在地质纵断面图上调整露天矿底部标高。 9

2.4圈定露天矿开采境界的结果 10

2.4.1圈定露天开采境界的底部周界 10

2.4.2露天开采境界参数 10

2.4.3境界内矿岩量： 11

2.4.4最终边坡细部结构 12

2.5绘制露天开采终了境界图 12

第3章 露天矿边坡稳定性分析背景 14

3.1露天矿边坡特点 14

3.2矿山边坡稳定性分析方法 14

第4章 边坡稳定性分析 16

4.1边坡稳定性分析方法选择 16

4.2 FLAC3D软件介绍 16

4.3边坡稳定性系数初定 17

4.4边坡数值分析 18

4.4.1边坡数值分析模型的建立 18

4.4.2未开挖前整个岩体的位移分析 19

4.4.3开挖后边坡的应力、位移分析 20

4.4.5数值模拟结果分析 23

第5章 结语 26

参考文献 27

致谢 28

综述

1.1项目介绍

司家营铁矿二期工程预计开采的采矿区域为Ⅰ、Ⅱ采场，其中Ⅱ采场为是一期工程开采的两个采场的其中之一。按照圈定的露天采场境界，二期工程可开发的最大矿物资源为81271万吨，按照预设计年产铁矿石1500万吨/年的标准，最多可开采54年，实际设计服役期为40年，是国有企业下的大型露天矿。二期工程配备选矿厂，能出产价值更高的精铁矿石。岩石装车采用斗容16 m³的大型液压铲，利用牙轮钻机穿孔，运输利用的是载重172t TEREX MT3600B型矿用电动轮汽车。

1.2矿山工程地质概况

司家营铁矿位于河北省唐山市附近，矿区周围存在铁路干线，大型公路及河流，便于铁矿石的运输。其地理位置如下图所示：

图1.1 司家营铁矿位置图

1.2.1采矿场综合地质背景

司家营铁矿矿体为冀东矿脉的一部分，预采矿体围岩形式主要为黑云变粒岩，整体矿床属于鞍山式沉积变质矿床，本次开采主要区域在勘探线N6~N32 之间，矿体整体走向与地层走向一致，为南北走向，西倾向，倾角在45°左右。预采区域为Ⅲ号矿体及部分Ⅳ号矿体，整体构造较为均匀，从地质水平剖面图上看近似为葫芦状，并在中间薄弱处划分为Ⅰ、Ⅱ采场，两采区在地下367水平面以上相连通，其中Ⅰ采场矿体已侵入地下700m以上，Ⅱ采场矿体最大深度为580m。整个矿体有多层矿呈似层状紧密排列起来，中间部分分布夹石以区分不同小矿体。

1.2.2采矿场地层岩性

整个采矿场地被亚砂土所覆盖，主要为丘林地貌，其南部区域为平原地貌，海拔较低，在30m左右。地下主要含铁矿石位于前震旦系地层之上，形式为磁铁矿，在靠近地表处（标高-100m以上）受到空气中氧气的作用，氧化成赤铁矿，结构致密，密度较大。围岩的主要形式为黑云变粒岩。他们的矿、岩物理力学性质见下表

表1.1矿岩物理性质

1.2.3矿区水文地质情况

矿区气候属于大陆性气候，具有明显的四季特征，年平均降雨量为610mm，降雨集中在梅雨季节，故需要在矿山开采过程中，做好集中降雨时期的地表径流的处理，设置排水渠等及时排除采矿区域内的降水，以保证矿山日常生产不受影响。此外，矿区周围存在三条河流，需要持续监测地表水体对矿区可能的渗水问题

对于矿区地下的含水层，由于整个矿区被结构致密的黑云变粒岩所包围，涌水量较小，不会影响矿山生产。仅在矿区的东北部存在透水层且有地表水的补充，需额外补充防涌水措施。

1.3设计依据和设计准则

1.3.1设计依据

（1）唐钢滦县司家营铁矿二期露天开采设计书

（2）设计区域内不同水平梯度的地质平面图

（3）勘探线剖面图

（4）架空线路图

1.3.2设计准则

露天采矿开采境界按境界剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则

露天开采境界

2.1确定露天矿开采境界的原则和方法依据

2.1.1确定露天矿境界的主要原则如下

(1)露天开采境界要确保整个露天采场内的总产出是正值，即控制境界剥采比设计要求的在经济合理剥采比以内:

(2)充分发挥露天采场便于施工的性质，将矿石尽可能圈入露天矿开采境界以内，以防资源浪费;

(3)为保证整个矿山项目的安全可靠，露天矿最终边坡角应不应该超过设计规范要求的最大坡角;

(4) 由经济合理剥采比的确定露天矿面积较大时，由于使用周期过长，需要根据矿山的使用寿命确定初始露天开采深度:

(5) 可以适当扩大露天开采边界的条件有:当露天开采完成后，仍分布在境界之外的残余矿量小于经济剥采比计算要求，这种情况出于经济因素考虑忽略地下开采选项;

(6)可以适当缩小露天开采边界的条件：预设计的矿山境界或周围存在需要特别保护的重要建筑物；由于人员活动或地质形状而导致的难以利用区域:

(7)需要额外进行平均剥采比验算的的矿山开采境界的情况主要是地下矿体形态复杂，矿体厚度变化显著;

（8）对于基建工程量巨大导致需要剥离的表土数量巨大，为缩小成本开支，可考虑进行露天开采和地下开采的综合比较，以提高总体经济效益；

（9）针对一些境界剥采比小的矿体，不能仅通过境界剥采比来确定总的边界，还要借助实际勘测的地质报告和设计开采边界来共同确定露天开采境界。

2.1.3经济合理剥采比

经济合理剥采比是指在当前技术经济条件下，经济上允许的最大剥采比。确定经济合理剥采比的方法可分为比较法和价格法两类。比较法的实质是将露天与地下开采的经济效果进行比较来确定经济合理剥采比，用以划分矿床露天开采和地下开采的界限，这类方法中常用的有产品成本比较法和储量盈利比较法等。价格法的实质是将露天开采的成本与矿石销售价格进行比较来确定经济合理剥采比，用于矿床只宜露天开采场合。

对于由于司家营铁矿的开采方法确定为单一露天开采，故采用盈亏平衡法(价格法)，其实质是要求单位开采矿量总成本不得超过其销售收入，以保证矿山不发生亏损，即：

（2.1）

由上式可得：

取上式等号右侧算式的值为，即:

上式中

为经济合理剥采比

为露天采矿单位开采量扣除销售税金的销售费用（元/m³）

为露天采矿的成本费用（元/m³）

为露天矿经营利润（元/m³）

b为单位围岩的剥离费用（元/m³）

根据开采设计书中财务评价可知：

年利润总额为150154万元/年

矿石年产量为1500万吨原矿石

单位围岩剥离费用

b=(38797.9 39078.89 738.08 2714.61)/(5059 6221)=8.91元/t

由以上数据可计算

故经济合理剥采比

2.2露天矿开采境界要素

2.2.1露天矿最终边坡角的选取

露天矿最终边坡角对露天矿的生产，安全与经济效益有很大影响。当边坡角度数确定后，剥采比随坡角的减小而减小，同时导致整个矿山的经济收益降低。因此，为提高整体的经济效益，需要在安全稳定生产的前提下提高边坡角度数。

在司家营铁矿二期露天开采设计中，地层由地表逐层向露天采矿坑底揭露，形成的台阶高度为15m，该台阶与水平面的夹角为75°，为保证施工人员的安全，需设置宽度为15m的安全平台，并将清扫平台设置同样的宽度以方便爆破工作以及边坡修葺工作，并把底层台阶底部与顶部台阶连线形成的平面与水平面的夹角设置为22.66°~27.55°，岩石运输采用载重172t TEREX MT3600B型矿用电动轮汽车。查找该型号矿用汽车的基本数据，车长13.1m，宽为7.3m。根据露天矿山车宽与运输平台相关关系，运输平台宽取为20.0m。

基于工作面设计要求，在本次设计中，开采境界中每一台阶的宽为15m，为减少后期边坡角度调整的工作量，台阶坡面角设置为为75°，与工作台阶坡面角度一致，安全平台宽度初步为5m，运输平台宽度与边坡开拓时的运输平台宽度20m，同时在每两个安全平台间设计一个运输平台并充当清扫平台，其宽度为20m。

其中最终边坡角

h 为露天矿山台阶高度

α为露天境界最终台阶坡面角

a 为设计安全平台宽度

b 为清扫平台宽度

c 为运输平台宽度

d为出入沟宽度

露天矿最终边坡角计算：

=0.924

所以最终边坡角β为42度，由于采场矿体浅部较陡（40^o-50 ^o），深部较缓（30^o -40^o），为尽可能采出矿体，最终边坡角为40^o。

2.2.2确定露天矿底部宽度

为了使运输设备能在露天矿坑底部正常发挥自身功能，露天矿的底部宽度应该宽。本设计预采用的运输方案为汽车运输，调车方式为回返式调车，根据设计资料采用载重172t TEREX MT3600B型矿用电动轮汽车，查相关资料可知车长13.1m，宽为7.3m，露天矿最小底宽为：

（2.3）

式中 汽车最小转弯半径，m。矿用电动轮汽车的最小转弯半径为13.4m

为宽度，m

E为车距边坡的安全距离，m

=2（13.4 0.5×7.3 2.5）=39.1m

显然设计的最小底部宽度小于设计矿体的厚度，以有足够空间供运输车辆正常工作，露天矿底部宽度即为设计的最小底宽。。

2.2.3确定露天开采境界底部位置

露天开采境界底部位置不仅决定了最终边坡的的位置，而且还涉及开采境界内矿，岩量的多少及其比例的大小，每个开采境界深度方案，存在着使平均剥采比最小的境界底部位置，因此，开采境界设计应考虑下列因素确定露天开采境界底部位置：

1. 对均质矿床，应使平均剥采比最小；对非均质矿床，应使开采效益最佳。

2. 使最终边坡避开不良工程地质地段。

3. 使露天开采境界与周边现有保护对象保持足够的安全距离。

2.3确定露天矿开采深度

2.3.1在地质横断面图上初步拟定开采深度

在地质横剖图上确定开采境界合理深度的常用方法有方案分析法和图解法。方案分析法的操作步骤如下：

1. 针对本设计提供的设计依据，可取具有代表性的剖面勘探线剖面图，并在其上绘制不同标高的已设计完成的露天矿边坡的相关要素，但需注意设计的开采境界内尽量包括尽可能多的开采矿体。

2.可利用CAD中面积统计的方法辅助计算不同的境界剥采比。

3.分别在不同勘探线剖面图中将不同深度的剥采比与要求的经济合理剥采比绘制在同一表格,此时可通过交点位置来确定每隔勘探线剖面图的开采深度。

由于Ⅲ号矿体为本次设计的主矿体，对其长宽比进行分析，可以得出矿体的长厚比显然符合地质横断面计算法的要求，故本设计采用地质横断面计算法。

首先可利用给定的经济合理剥采比和矿体的平均厚度初步计算开采境界底部深度，使做近似工作时的工作量减小，并提高计算效率。

图2.1地址横断面法示例

由境界剥采比公式：

带入矿体数据得H=742m

由于Ⅰ、Ⅱ采场地下赋存矿体形态和深度不同，且均小于矿体临界深度，为减少矿山开发成本，任需对Ⅰ、Ⅱ采场分别进行露天开采深度的确定。且为使矿区矿体尽可能开挖完全，经济效益最大化，底部周界过度均匀，需要分别取Ⅰ、Ⅱ采场的各勘探线剖面图的剥采比进行近似分析。

利用CAD面积测量计算各勘探线剖面图的各深度境界剥采比，并利用EXCEL表格图示关系曲线。

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