馬依托背礦區(qū)露天開采境界及邊坡設計優(yōu)化

王文杰

（北京礦冶研究總院，北京100160）

金山金礦位于伊爾曼得—馬依托背一帶，礦區(qū)東西長約5km，南北寬約4km，面積約20km2，屬新建礦山。礦區(qū)包括伊爾曼得、京希、巴拉克、獅子山和馬依托背五個礦段。礦體主要賦存于下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第二巖性段與硅化、黃鐵礦化有關的巖石中。區(qū)域內探明礦石量5 271．38萬t，金屬量50 289kg，平均品位0．95g／t。根據(jù)礦體的賦存狀況和經(jīng)濟技術條件，確定伊爾曼得和馬依托背為首采地段，開采方式為露天開采。本著提高資源回收率、減少后期邊坡維護、優(yōu)化最終開采境界的原則，本文針對馬依托背礦區(qū)，采用軟件進行數(shù)值模擬分析，對邊坡參數(shù)進行優(yōu)化，提高最終邊坡的穩(wěn)定性。露天礦邊坡優(yōu)化問題是一個系統(tǒng)優(yōu)化問題，在采礦生產(chǎn)工藝、邊坡安全度的約束下，尋求、比較、選取礦石利用率最大、剝巖量最小、滑坡處理和補救工程費用最低、盈利最大的最佳邊坡設計方案［1－3］。

1 礦區(qū)概況

1．1 礦區(qū)地質

整個礦區(qū)大地構造位置位于博羅科努早古生代島弧西段吐拉蘇火山盆地，北側與科古琴地體毗鄰，南側與伊犁地體相鄰。該盆地是在上元古界和下古生界構造層基礎上發(fā)展起來的早石炭世火山盆地，蘊藏著地處北部的著名吐拉蘇金多金屬礦化集中區(qū)，其南部有林場—鐵克溪—阿吾利亞金礦化集中區(qū)，西北部有阿希、伊爾曼得金礦集中區(qū)，東部毗鄰也列莫頓金礦化集中區(qū)。

礦區(qū)構造以斷裂構造為主，褶皺構造不發(fā)育。不同期次、性質、規(guī)模的斷裂構造疊加，構成錯綜復雜的構造格架。區(qū)域內出露地層有中元古界薊縣系、青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、第三系及第四系。

1．2 礦體特征

馬依托背礦區(qū)為整個礦山的首采礦段之一，主礦體北東向長約507m，北西向寬約270m，礦體出露最高標高1 945m，最低標高1 865m。礦體北東向展布，呈似層狀，向北西緩傾，傾角10°～15°。已圈定礦體長507m，控制垂深80m。礦體最厚112 m，最薄6m，一般厚30～40m，屬較穩(wěn)定的類型。金品位13．8g／t，礦體平均品位0．98g／t。品位變化系數(shù)1．11，屬較均勻類型。礦體產(chǎn)出主要受下石炭統(tǒng)大哈拉軍山組第二巖性段控制，其中的四個巖性層角礫凝灰?guī)r段、礫巖夾砂巖、酸性晶屑凝灰?guī)r和凝灰角礫巖段均有礦體產(chǎn)出。礦體分布空間形態(tài)與賦礦巖層的產(chǎn)狀基本一致，礦體多為地毯狀、緩傾斜、埋深不大，礦體外殼上部大致與地表地形平行，自西向東呈舒緩波狀展布。少量礦體沿南北向斷裂充填，陡傾厚度大、埋深大。

1．3 自然地理環(huán)境

礦區(qū)氣候屬溫帶大陸性半干旱氣候，春夏兩季多雨，年降水量約500mm。冬季積雪較厚，積雪期約為80d，冬季積雪深度約為100mm，最大積雪深度約為890mm。降水量最多集中在4～7月，占全年降水量的45．74%，歷年最大日降水量為48．3 mm，屬豐水期。降水量最少月份為8～9月，僅占全年降水量的11．04%，屬枯水期。

2 確定露天開采境界

圈定開采境界、進行開采設計、編制進度計劃和品位控制是露天開采中的四個步驟［4］。其中，開采境界的圈定是露天礦山設計的基礎，確定開采境界直接關系礦山效益。從資源利用角度來說，最終開采境界包括的地質儲量越多越好；從經(jīng)濟角度來說，存在一個理想的最終開采境界，能使礦山企業(yè)的總經(jīng)濟效益最佳。因此，露天境界設計是露天礦設計與規(guī)劃中的一項重要工作，境界優(yōu)化的實質就是考慮礦床、扣除采掘成本、滿足一定的邊坡條件、使采出礦石總價值最大，從而確定實現(xiàn)礦山最大經(jīng)濟效益的最終開采境界。

馬依托背最終開采境界采用“NPV礦業(yè)優(yōu)化軟件”，NPV是指項目在經(jīng)濟或物理壽命期內將每年的凈現(xiàn)金流量按行業(yè)的貼現(xiàn)率折現(xiàn)到計算期初的基年現(xiàn)值之和，NPV計算的理論基礎是資金具有時間價值［5］。NPV礦業(yè)優(yōu)化軟件根據(jù)L－G法對最終開采境界進行優(yōu)化圈定。L－G法是一種公認的較理想的露天開采最終境界優(yōu)化方法，該法建立在礦巖塊凈價值模型基礎上，通過對最大權值的搜索獲得最優(yōu)開采境界［6］。馬依托背開采境界的確定遵循此方法，建立了尋找最優(yōu)露天礦開采境界的數(shù)學模型，依照數(shù)學理論尋求最優(yōu)解。再類比國內相似礦山的實際生產(chǎn)情況，結合前期進行的選冶試驗結果，充分考慮礦山地理位置和氣候特點等，最終確定馬依托背礦區(qū)開采境界優(yōu)化經(jīng)濟參數(shù)，如表1所示。

表1 礦區(qū)開采境界優(yōu)化經(jīng)濟參數(shù)Table 1 Economic parameters of open－pit mining limit optimization

按此確定開采境界后，馬依托背采區(qū)封閉圈標高1 890m，采坑最低標高1 870m，平均剝采比降至1．30。境界內礦巖量如表2所示。

最優(yōu)化境界確定后，在今后的開采過程中，需根據(jù)礦體賦存條件、巖體變化情況、開拓坑道、臺階高度等因素對露天開采境界進行微調整，以不斷接近礦山實際開采經(jīng)濟效益最大化的最優(yōu)開采境界。

表2 露天開采境界內礦巖量表Table 2 Quantity of ore and rock in open－pit mining limit

3 邊坡優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

合理的邊坡角度不僅涉及露天開采過程中的工程預算和投資，而且涉及邊坡穩(wěn)定性的工程安全問題。下面根據(jù)礦區(qū)地形地質條件和巖石物理力學參數(shù)，對其邊坡進行優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。

3．1 邊坡穩(wěn)定分析計算參數(shù)選取

根據(jù)礦區(qū)地質儲量報告和提供的巖石物理力學參數(shù)，馬依托背礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析計算參數(shù)如表3所示。

表3 邊坡巖體計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of slope rock mass

3．2 邊坡穩(wěn)定性分析計算方法

采用極限平衡分析法對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)K進行計算，將計算所得的穩(wěn)定系數(shù)K與許用穩(wěn)定系數(shù)［K］進行比較，當K＞［K］時，邊坡穩(wěn)定；1＜K＜［K］時，邊坡基本穩(wěn)定；K＜1時，邊坡不穩(wěn)定。

根據(jù)《有色金屬采礦設計規(guī)范》（GB50771－2012），邊坡許用穩(wěn)定系數(shù)［K］應按照表4來取。根據(jù)表4，選取本次邊坡穩(wěn)定性分析的許用穩(wěn)定系數(shù)［K］為1．3～1．4。

表4 邊坡許用穩(wěn)定系數(shù)［K］Table 4 Allowable stability coefficient of slope［K］

極限平衡法分析法主要有瑞典條分法（或Fellenius法）、簡化Bishop（畢曉普）法、Janbu（簡布）簡化法和Spencer（斯賓塞）法。大量的計算實例表明，簡化Bishop法與其它精確計算結果很接近，分析精度高。故本次分析采用簡化Bishop法，它假定分條間作用力保持水平方向，即假定只有水平推力作用，不考慮分條間的豎向剪力［7］。

3．3 計算結果

采用簡化Bishop法對邊坡的三個典型剖面進行穩(wěn)定系數(shù)計算，計算的結果如表5所示?？梢钥闯觯髌拭嬗嬎闼玫姆€(wěn)定系數(shù)K均大于許用的穩(wěn)定系數(shù)［K］，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)［K］計算結果Table 5 Calculation result of stability coefficient of slope［K］

露天開采最終境界邊坡參數(shù)如下：臺階高度10 m，20m（并段后）；臺階坡面角65°～68°；安全平臺寬度6m；清掃平臺寬度14．1m；道路路面寬度15m（汽車運輸雙車道）；每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺。

3．4 工程安全及投資風險

設計初期，根據(jù)圈定境界參數(shù)，對露天邊坡的最終形態(tài)及其各階段的穩(wěn)定程度進行數(shù)值模擬分析和定性、定量評價。由表5可以看出，按照當前確定的馬依托背礦區(qū)開采境界參數(shù)，其邊坡穩(wěn)定系數(shù)均超過2，為穩(wěn)定狀態(tài)。該礦區(qū)露天開采邊坡在優(yōu)化后，設計安全系數(shù)高，工程安全性可靠，可使整個馬依托背礦區(qū)露天開采過程中的邊坡安全程度最大化，既降低了后期邊坡維護成本和企業(yè)投資風險，又增加了企業(yè)經(jīng)濟效益。

4 結論

1）應用礦床數(shù)字模型進行露天開采邊坡設計優(yōu)化，可以更好地確定露天開采最終境界，進一步優(yōu)化礦山剝采比，從而提高資源回收利用率。

2）在設計初期對邊坡的最終形態(tài)及穩(wěn)定程度進行數(shù)值模擬定性定量分析，提高設計的可靠性，使整個露天開采過程中的邊坡安全程度最大化，可以降低后期邊坡維護成本和企業(yè)投資風險，同時增加企業(yè)經(jīng)濟效益，為企業(yè)的生產(chǎn)安全提供原始技術支撐。

3）露天邊坡設計采用數(shù)字模型輔助計算結果分析優(yōu)化，在一定程度上增加了前期投入，但是其科學、直觀的分析結果可以為企業(yè)投資方案評價提供方便，為企業(yè)的決策方向提供科學合理的依托。

實際露天開采時，其開采技術條件會發(fā)生一定變化，會對露天開采境界產(chǎn)生一定影響，如何將這些影響因素進行統(tǒng)一考慮，進一步提高前期設計工作的最優(yōu)性，需要進行更深一步的科學研究。

［1］ 張 飛，崔志平，鞏志忠，等．Bishop法在尖山鐵礦邊坡穩(wěn)定性分析中的應用［J］．有色金屬（礦山部分），2012，64（3）：72－74．

［2］ 常來山，張瑞鵬，陶東海，等．弓長嶺露天礦順傾斷層影響邊坡可靠性分析［J］．有色金屬（礦山部分），2013，65（3）：62－65．

［3］ 常來山，陳思瑋，牛文杰，等．弓長嶺露天礦順傾斷層物探勘測與分析［J］．有色金屬（礦山部分），2013，65（6）：50－52．

［4］ 張彤煒，王李管，龔元翔．露天開采的境界優(yōu)化算法研究及應用［J］．金屬礦山，2008（2）：30－34．

［5］ 楊 彪，廖江南，吳秀瓊，等．大型復雜露天礦山開采境界動態(tài)優(yōu)化技術研究［J］．工程設計與研究，2009（2）：1－6．

［6］ 楊 彪，羅周全，陸 廣，等．基于經(jīng)濟時間序列預測的露天礦開采境界動態(tài)優(yōu)化［J］．煤炭學報，2011，36（1）：29－33．

［7］ 王 玉．會東礦西邊坡穩(wěn)定性的計算與分析［J］．長沙礦山研究院季刊，1992，12（3）：42－46．