科卡金礦高邊坡穩(wěn)定性分析

吳先勇，王紫東，白天明，彭昊源，魏作安

(1.上海外經(jīng)集團控股有限公司，上海市200032；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶市400030)

科卡金礦高邊坡穩(wěn)定性分析

吳先勇1，王紫東2，白天明1，彭昊源2，魏作安2

(1.上海外經(jīng)集團控股有限公司，上海市200032；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶市400030)

針對厄立特里亞的科卡露天金礦邊坡工程的穩(wěn)定性進行分析,選取了代表性的三個剖面，采用極限平衡法和有限元強度折減法進行計算。結(jié)果表明：極限平衡法計算得到的三個剖面中最小的安全系數(shù)為1.46，而有限元強度折減法獲得最小安全系數(shù)為1.45。安全系數(shù)均滿足國家技術(shù)規(guī)范要求，初步設(shè)計的露天礦邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

露天礦邊坡，穩(wěn)定性分析，數(shù)值模擬，有限元強度折減法

露天礦邊坡是露天采礦場的構(gòu)成要素之一[1]。邊坡工程在露天礦開采中占著舉足輕重的地位。有時最終邊坡角提高1°，則可使境界內(nèi)剝離的巖量減少1×105kt或更多，節(jié)省投資數(shù)千萬元[2]。同時，露天礦邊坡也是露天礦山最大危險源之一。由于邊坡失穩(wěn)垮塌造成的災(zāi)害事故也是屢見不鮮[3-5]。所以，在露天礦設(shè)計初期階段，邊坡穩(wěn)定性及其優(yōu)化分析顯得非常重要。國家的相關(guān)技術(shù)規(guī)范也明確提出，對于露天礦邊坡應(yīng)該進行專門的研究分析[6]。

科卡金礦位于非洲的厄立特里亞境內(nèi)，為新建露天礦山，設(shè)計邊坡最高為280 m，屬于高邊坡范疇。為了確保礦山生產(chǎn)安全，需要對初步設(shè)計邊坡的穩(wěn)定性進行研究分析，以期達到事前控制的目的。

1　科卡金礦概況

1.1礦區(qū)地質(zhì)條件

科卡金礦位于非洲東北部厄立特里亞的安塞巴省Sub-ZolaSela境內(nèi)，離首都阿斯瑪拉（西北）約165 km（圖1）。礦區(qū)海拔500~2 000 m，相對高差1 500 m（圖2），氣候干旱至半干旱。

圖1　礦區(qū)位置

圖2　科卡河谷至科卡金礦床（面向東）

礦區(qū)巖體主要有變沉積巖、變火山巖、變火山碎屑巖、變玄武巖和層間蝕變帶等?？瓶ń鸬V為一種綠片巖相脈狀金礦床，大多數(shù)金賦存在蝕變微花崗巖石英—硫化物脈內(nèi)，少量金賦存在蝕變圍巖內(nèi)。礦體呈近南北走向,傾向西,傾角為90°～75°,局部反傾。礦體走向長度600 m，埋藏范圍為標(biāo)高920～680 m，垂高為240 m。厚度為2～30 m，最寬處有100 m，最窄處有2 m。礦區(qū)地質(zhì)剖面如圖3。

圖3　礦區(qū)地質(zhì)剖面（面向北）

1.2露天礦初步設(shè)計

圖4為初步設(shè)計的露天礦終了平面圖。該礦設(shè)計為露天開采方式，設(shè)計生產(chǎn)能力為660 kt/a，服務(wù)年限為6．2 a，采用單一公路運輸開拓方式，境界內(nèi)折返式布線。開采境界范圍為1 030～750 m標(biāo)高。以830 m標(biāo)高為分界線，1 030～830 m為山坡露天礦（最高邊坡在東邊），邊坡高度為200 m；830～750 m為深凹露天礦，邊坡高度為80 m。最大總體邊坡高度為280 m。設(shè)計的最終邊坡角，東部45°，西部42°，端幫45°。詳細(xì)的邊坡設(shè)計參數(shù)如表1。

表1　詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)

為了確保露天礦邊坡的安全，需要對設(shè)計邊坡的穩(wěn)定性進行分析研判。

2　邊坡穩(wěn)定性計算

2.1計算剖面與材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)露天礦初步設(shè)計資料，經(jīng)過認(rèn)真分析，選擇了3個代表性剖面（Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ和Ⅲ－Ⅲ剖面）進行計算，3個剖面的平面位置如圖4，3個剖面形狀如圖5。

圖4　科卡金礦露天礦初步設(shè)計終了平面

圖5　3個代表性剖面

由于沒有影響邊坡穩(wěn)定性的斷層、節(jié)理裂隙等地質(zhì)資料，因此，計算中邊坡巖體按到均質(zhì)材料考慮。材料參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性計算的基礎(chǔ)。在收集現(xiàn)場已有地勘資料基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)實驗結(jié)果[7]，綜合分析選取各分層巖體的參數(shù)值，如表2。

表2　邊坡巖石力學(xué)參數(shù)

2.2邊坡穩(wěn)定性分析軟件（Geo-Studio）簡介

這次邊坡穩(wěn)定性分析是采用Geo-Studio軟件。該軟件是一套高效、專業(yè)、并兼具強大的輔助功能的整體分析商用軟件。該軟件由8個強大的分析模塊構(gòu)成，即SLOPE/W、QUAKE/W、SIGMA/W、TEMP/W、SEEP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W和 Seep3D等,分別對應(yīng)邊坡穩(wěn)定性分析、地震響應(yīng)分析、巖土應(yīng)力變形分析、地?zé)岱治?、地下水滲流分析、地下水污染物傳輸分析、空氣流動分析、綜合滲流蒸發(fā)區(qū)和土壤表層分析及三維滲流分析[8]。其中SLOPE/W軟件是Geo-Studio軟件的主體,包含了多種極限平衡方法用于邊坡穩(wěn)定性計算。到目前為止，該仿真軟件已為許多科研人員廣泛應(yīng)用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計算。

2.3邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

1）極限平衡法計算結(jié)果。通過SLOPE/W的計算,可以得到不同剖面潛在滑移面的位置（圖6）和最小安全系數(shù),結(jié)果如表3。最小安全系數(shù)為1.46,為Ⅱ-Ⅱ剖面處。

表3　不同剖面最小安全系數(shù)值

圖6?、?Ⅰ剖面(上盤)潛在滑移面位置

2）有限元強度折減法計算結(jié)果。有限元強度折減法計算網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置如圖7。在SIGMA/W數(shù)值模擬計算中，邊坡巖體材料的本構(gòu)模型為理想彈塑性本構(gòu)模型。邊坡失穩(wěn)判據(jù)通常有3種[9]。本文選擇塑性區(qū)貫通作為破壞標(biāo)志，塑性區(qū)以黃色表示，強度折減計算結(jié)果如表4。

圖7　Ⅲ-Ⅲ剖面網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

表4　強度折減計算結(jié)果

從計算Ⅱ-Ⅱ剖面圖中可以看出,SRF=1.45時,邊坡巖體的塑性區(qū)已經(jīng)貫通,因此,有限元強度折減法得到的安全系數(shù)為1.45。

3　結(jié)論

以該礦初步設(shè)計中的露天礦邊坡為研究對象,選取代表性的3個剖面,采用理論分析（極限平衡法）和數(shù)值模擬（Geo-Studio軟件）,針對該露天礦邊坡的穩(wěn)定性進行了計算分析。結(jié)果表明：瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算得到的3個剖面中最小的安全系數(shù)為1.46,而有限元強度折減法獲得最小安全系數(shù)為1.45。安全系數(shù)均滿足國家技術(shù)規(guī)范要求,初步設(shè)計的露天礦邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。利用理論分析和數(shù)值模擬方法對露天礦邊坡的穩(wěn)定性進行分析研究，其研究成果可為礦山的施工圖設(shè)計以及日常的安全生產(chǎn)管理提供參考。

[1]李寶祥.金屬礦床露天開采[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979．

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[3]盧世宗.我國礦山邊坡研究的基本情況和展望[C]//第四屆全國工程地質(zhì)大會文集.青島：中國海洋科學(xué)出版社，1992，6-10.

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Stability Analysis for Open-pit Slope in Koka Gold Mine

WU Xianyong1,WANG Zidong2,BAI Tianming1,PENG Haoyuan2,WEI Zuoan2
(1.China Shanghai(Group)Corporation for Foreign Economic&Technological Cooperation Group,Shanghai 200032,China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

In this paper,the slope stability analysis of open pit gold mine in Eritrea was carried out.Three representative crosssections were selected.The limit equilibrium method and finite element strength reduction were used to calculate the factor of safety of the slope.The results showed that the minimum factor of safety of three sections by limit equilibrium method is 1.46,while that by the finite element strength reduction is 1.45.The factor of safety of the slope meets the national technical specifications,and the open pit slope designed preliminarily is in a stable state.

Open-pit mine slope;stability analysis;numerical simulation;finite element strength reduction method

TD824.7

B

1004-4345(2015)04-0001-03

2015-07-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號11372363)。

吳先勇(1977—)，男，高級工程師，主要從事建筑工程、礦山工程建設(shè)與管理工作。