基于SURPAC-FLAC3D露天礦邊坡設計及穩(wěn)定性分析

陳銀萍 金愛兵 王 凱 馬 松 姚鵬飛 吳佐漢

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.四川省安全科學技術(shù)研究院,四川 成都 610016)

基于SURPAC-FLAC3D露天礦邊坡設計及穩(wěn)定性分析

陳銀萍1金愛兵1王 凱1馬 松2姚鵬飛1吳佐漢1

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.四川省安全科學技術(shù)研究院,四川 成都 610016)

以金鑫銅鉬礦為工程背景，利用SURPAC和FLAC3D軟件建立礦山實體計算模型，同時獲得礦山剝采比和采出礦石量等經(jīng)濟數(shù)據(jù)。在不降低邊坡安全系數(shù)的前提下，通過適當提高單臺階角度、高度和減小清掃平臺寬度3種途徑來增加露天礦最終邊坡角度，使得最終邊坡角提高2°，剝采比從3.66降低到3.52，減少巖石剝離量約1350萬t，有效增加礦山企業(yè)經(jīng)濟效益。并在此基礎(chǔ)上，通過FLAC3D對加陡后的露天礦山邊坡進行穩(wěn)定性分析，分析加陡之后的各邊坡水平位移、塑性區(qū)破壞分布情況，并對加陡后較為危險的北邊幫進行跟蹤點監(jiān)測。分析結(jié)果表明，各邊坡除小范圍局部不穩(wěn)定外，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過局部加固來達到礦山安全開采的要求。

邊坡設計 SURPAC FLAC3D生產(chǎn)剝采比 邊坡穩(wěn)定性

露天礦山開采過程中，適當增加邊坡角，可以有效降低平均剝采比。自上世紀80年代后期以來，國內(nèi)外部分礦山在進行加陡最終邊坡角的研究[1]，以達到提高礦山企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。據(jù)測算，一座中等規(guī)模的露天礦山，若最終邊坡角提高1°，即可減少巖石剝離量約1 000萬m3[2]。在相同的穩(wěn)定條件下，加大露天礦邊坡角，可以減少剝離巖石[3]。尤其是對大型露天礦山，提高邊坡角是充分回收資源、降低生產(chǎn)成本、增加開采效益的手段之一[4]。但加大邊坡角將帶來的邊坡穩(wěn)定性問題。

1 工程概況

金鑫銅鉬礦是中鋼集團投資興建的大型露天礦山。礦山生產(chǎn)能力300萬t/a，設計服務年限20 a以上。礦體為隱狀礦體，賦存于火山穹窿構(gòu)造的北西部的白堊系粗面質(zhì)角礫凝灰?guī)r中，礦體呈不規(guī)則的長扁豆狀，平面呈略向北突出的弧線，走向自西向東變化為40°～74°～105°。礦體主要成分為細粒鉀長花崗巖、粗粒蝕變輝綠巖、閃長巖、細粒蝕變輝綠巖、石英斑巖及花崗斑巖。

采場封閉圈標高為696 m水平，696 m標高以上為山坡露天礦，696 m水平以下為深凹露天礦。礦山原設計確定的平均剝采比為3.66，為了提高企業(yè)盈利能力，加陡露天礦邊坡從而降低剝采比是有效方法之一。

2 加陡方案

金鑫銅鉬礦露天開采原設計方案：臺階高度為14 m，安全平臺寬為4 m，清掃平臺寬為10 m，單臺階坡面角為65°，運輸平臺寬度為15 m，最小工作平臺寬度為45 m。初始境界平面圖見圖1。作露天采場A-A′剖面圖與I-I′剖面圖，如圖2、3所示。將露天礦的邊幫簡化為圖中四個邊幫進行分析，依次命名為東邊幫(A-A′右)、南邊幫(I-I′右)、西邊幫(A-A′左)、北邊幫(I-I′左)。

圖1 初始境界平面圖Fig.1 The plan of initial boundary

圖2 露天采礦A-A′剖面圖Fig.2 Section A-A′ of open-pit mining

圖3 露天采礦I-I′剖面圖Fig.3 Section I-I′ of open-pit mining

在不降低邊坡安全系數(shù)的前提下，根據(jù)礦山邊坡的實際參數(shù)，選擇具體加陡方案：單臺階坡面角從65°提高到66°，臺階高度由14 m提高到15 m，安全平臺寬度不變，將清掃平臺寬度由10 m減小到8 m，運輸平臺寬度15 m保持不變。加陡之后，東邊幫的最終邊坡角由50°提高到52°，南邊幫的最終邊坡角由43°提高到45°，西邊幫的最終邊坡角由45°提高到47°，北邊幫的最終邊坡角由49°提高到51°。東、北邊幫由于不存在運輸平臺，所以最終邊坡角較南、西邊幫陡。

3 加陡前后采剝礦巖對比分析

根據(jù)加陡前后的邊坡參數(shù)，利用SURPAC軟件露天礦設計功能，建立加陡后的露天境界DTM見圖4。

圖4 加陡后露天境界DTMFig.4 The DTM of open-pit limit after increasing the overall slope angle

根據(jù)加陡前后的2種境界塊體模型，利用SURPAC軟件塊體模型的報告系統(tǒng)功能，分別計算出露天礦加陡前后的剝離巖石量、開采礦石量和鉬金屬量如圖5～圖7和表1所示。

圖5 加陡前后剝離巖石對比Fig.5 Comparison of the amount of extracted rocks before and after increasing the overall slope angle■—加陡前；●—加陡后

圖6 加陡前后開采礦石量對比Fig.6 Comparison of the amount of extracted ore before and after increasing the overall slope angle■—加陡前；●—加陡后

由圖5～圖7和表1可知，邊坡加陡之后，剝離巖石的總量減少了約1 350.62萬t，剝采比從3.66減小到了3.52。

圖7 加陡前后開采鉬金屬量對比Fig.7 Comparison of the amount of the extracted molybdenum before and after increasing the overall■—加陡前；◆—加陡后表1 加陡前后采剝礦巖量對比Table 1 Comparison of the amount of the extracted rock before and after increasing the overall slope angle

方 案剝離巖石總量/萬t鉬礦石總量/萬t剝采比加陡前15699.556835.813.66加陡后14348.936715.083.52

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬模型

采用SURPAC與FLAC3D相結(jié)合的方式建立礦山計算模型，SURPAC提供了六面體單元形狀，根據(jù)地質(zhì)體的特征、計算精度要求以及單元形狀的空間展布特點，改變六面體單元的大小[5]。設置邊界條件，固定模型邊界所有點y方向速度，固定模型底部邊界的x、z方向速度、固定模型兩端的x方向速度。在開挖模擬前將整個系統(tǒng)各個方向的位移和速度設置為0，即將初始應力生成的變形去除，使得露天礦邊坡變形完全由露天開挖引起。設置地質(zhì)體模型的力學參數(shù)得到加陡之后的計算模型見圖8，其中中間部分為開挖部分，周邊部分表示最終留下的露天邊坡部分。

圖8 SURPAC-FLAC3D計算模型Fig.8 Computational model of SURPAC-FLAC3D

4.2 位移計算結(jié)果分析

當開挖到最終狀態(tài)時得到各邊幫在x方向的位移云圖如圖9所示。

x方向位移是指向坑內(nèi)的位移。從位移云圖可知：最大位移主要發(fā)生在北邊幫底部的局部幾個連續(xù)臺階處，為7.76 cm，其他3個邊幫指向坑內(nèi)的位移都較小，東邊幫最大位移為2.61 cm，南邊幫最大位移為6.01 cm，西邊幫最大位移為2.66 cm，均發(fā)生在邊幫底部的連續(xù)幾個臺階處，從圖中可以看出加陡之后各邊幫指向露天礦坑內(nèi)的水平位移都較小，平均位移在2～3 cm，從底部到頂部呈帶狀分布。

(a)東邊幫在x方向位移云圖

(b)南邊幫在x方向位移云圖

(c)西邊幫在x方向位移云圖

(d)北邊幫在x方向位移云圖 圖9 開挖至最終狀態(tài)時各邊幫x方向位移云圖Fig.9 Contours of x-displacement on four slopes of final state

4.3 塑性區(qū)破壞分析

露天邊坡失穩(wěn)破壞可以看作是塑性區(qū)逐漸發(fā)展、擴大直達貫通而進入完全塑流狀態(tài)、無法繼續(xù)承受載荷的過程。若發(fā)生塑性變形的區(qū)域相互貫通，則邊坡有可能發(fā)生整體失穩(wěn)[6]。利用FLAC3D數(shù)值模擬得到開挖到最終狀態(tài)時各邊幫的塑性區(qū)破壞分布圖，如圖10所示。

從塑性區(qū)破壞分布圖中可以看出4個邊幫的坡體內(nèi)部分均未發(fā)生明顯塑性變形。在開挖計算過程中，4個邊坡的坡面都曾進入過屈服狀態(tài)，其中坡體底部坡腳主要以拉伸破壞為主，坡面主要以剪切破壞和拉伸破壞為主。但邊坡只在極小范圍內(nèi)發(fā)生破壞，其中，東邊幫的坡腳處有約75 m2處于剪切破壞，邊坡坡面大約有20 m2處于拉伸破壞狀態(tài)。南邊幫的坡腳處大約有20 m2處于剪切破壞狀態(tài)狀態(tài)，邊坡坡面有2處面積分別約為15 m2和5 m2處于拉伸破壞狀態(tài)，但不貫通。西邊幫的坡腳處有約20 m2處于剪切破壞狀態(tài)，邊坡坡面有約60 m2處于拉伸破壞狀態(tài)。北邊幫只有邊坡坡面有1處約15 m2處于拉伸破壞狀態(tài)。但是由于這些塑性變形的區(qū)域沒有相互貫通，所以表明邊坡不會發(fā)生整體失穩(wěn)。只需要對各個邊坡坡面的幾個局部發(fā)生破壞的區(qū)域進行加固即可。

(a)東邊幫塑性區(qū)破壞分布圖

(b)南邊幫塑性區(qū)破壞分布圖

(c)西邊幫塑性區(qū)破壞分布圖

(d)北邊幫塑性區(qū)破壞分布圖圖10 開挖至最終狀態(tài)時各邊幫塑性區(qū)分布Fig.10 Distributions of plastic zone on four slopes of final state

為了更好地觀察開挖對露天礦邊幫穩(wěn)定性的影響情況，須針對加陡后較為危險的北邊幫進行跟蹤點監(jiān)測。從北邊幫頂部、中部和底部依次設置了5個監(jiān)測點，編號分別為N1、N2、N3、N4、N5。提取這5個點在開挖過程中的水平位移的變化量，得到圖11所示的監(jiān)測點的位移曲線圖。

由圖11可以看出，隨著開挖步數(shù)的增加，監(jiān)測點指向坑內(nèi)的位移漸漸增加，但最終趨于穩(wěn)定。其中，位于邊坡頂部和中上部的監(jiān)測點N1、N2的水平位移偏向較小，位于邊坡中部的監(jiān)測點N3的位移變化不明顯，位于邊坡底部的2個監(jiān)測點的位移變化較大，最終穩(wěn)定在了4.5 cm左右。

圖11 北邊幫監(jiān)測點的位移曲線Fig.11 The displacement curve of monitoring sites on the northern slope■—N1；●—N2；▲—N3；▼—N4；?—N5

5 結(jié) 論

(1)利用SURPAC和FLAC3D軟件可以方便地建立符合礦山實際的數(shù)值計算模型，同時能獲得礦山剝采比、采出礦石量等經(jīng)濟數(shù)據(jù)。

(2)通過適當加陡單臺階角度、提高臺階高度和縮短清掃平臺寬度來加陡金鑫銅鉬礦最終邊坡角度，使得生產(chǎn)剝采比從3.66減小至3.52。巖石開挖量減小了約1 350萬t。

(3)穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果表明，加陡后露天礦各幫除局部區(qū)域外，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，通過局部加固的方法，完全可以滿足礦山安全開采的要求。

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(責任編輯 石海林)

Slope Design and Stability Analysis of Open Pit Based on SURPAC and FLAC3D

Chen Yinping1Jin Aibing1Wang Kai1Ma Song1,2Yao Pengfei1Wu Zuohan1

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，100083Beijing，China；2.SichuanAcademyofSafetyScienceandTechnology，Chengdu610016，China)

With Jinxin copper molybdenum mine as engineering background，SURPAC and FLAC3Dare adopted to build the real calculation model of the mine，and the economic data such as the stripping ratio and the quantity of extracted ore are obtained simultaneously.On the premise of keeping safety，three ways of properly increasing the angle and height of single bench，and decreasing the width of cleaning bench can increase the final slope angle of open pit by 2°，drop the stripping ratio from 3.66 to 3.52 and lessen the amount of stripped rocks by 13.5 Mt.All these can efficiently improve the economic benefit of the mine enterprise.Based on this，the stability of the open pit slope after increasing the overall slope angle is analyzed，and its horizontal displacements and failures of the plastic zones are demonstrated.Real-time monitoring on the northern sidewall that is in a high risk is made.The analysis indicated that each new slope is basically in the stable condition and only small part of slope requires local ground support to guarantee the safety in mining.

Slope design，SURPAC，F(xiàn)LAC3D，The stripping ratio，Slope stability

2014-05-11

陳銀萍(1988—)，女，碩士研究生。

TD325，TD854.6

A

1001-1250(2014)-10-166-05