巴基斯坦山達(dá)克銅金礦露天邊坡穩(wěn)定性與參數(shù)優(yōu)化研究

儲(chǔ)士超，王飛飛，王 旭

(1.中冶集團(tuán)資源開發(fā)有限公司，巴基斯坦 俾路支省省會(huì)奎塔；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410012)

露天礦開采礦體，邊坡角對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和安全有很大的影響[1-3]。為了得到露天采場(chǎng)邊坡最優(yōu)參數(shù)，有很多學(xué)者開展了露天邊坡參數(shù)優(yōu)化研究。張端等[4]依托司家營(yíng)鐵礦為研究背景，開展了采場(chǎng)道路、貫通受限制區(qū)域優(yōu)化研究。母?jìng)鱾サ萚5]結(jié)合宏大鐵礦生產(chǎn)實(shí)際情況，深入分析研究和對(duì)比礦山各種開拓運(yùn)輸方式特點(diǎn)，依次解決了宏大鐵礦開拓運(yùn)輸方案優(yōu)化的4個(gè)核心問題。蔡美峰等[6]針對(duì)大頂鐵礦露天采場(chǎng)邊坡巖體強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，采用符合現(xiàn)代巖石力學(xué)原理的數(shù)值模擬和極限平衡相結(jié)合的方法，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，并推薦了總體邊坡角比原設(shè)計(jì)平均提高3°以上。范文臣[7]基于DIMINE-AutoCAD-SLIDE分析流程，綜合考慮地下水、爆破和巖土自重的影響采用極限平衡法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，運(yùn)用自動(dòng)搜索方法搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)。最后對(duì)露采邊坡進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)化。通過以上學(xué)者的研究?jī)?nèi)容可知，邊坡參數(shù)優(yōu)化對(duì)礦山安全高效開采十分重要。本文依托巴基斯坦俾路支省(Baluchistan)查蓋地區(qū)的山達(dá)克(Saindak)銅金礦，開展邊坡穩(wěn)定性與參數(shù)優(yōu)化研究。

1 礦山概況

山達(dá)克(Saindak)銅金礦區(qū)位于巴基斯坦俾路支省(Baluchistan)查蓋地區(qū)。礦區(qū)西部、南部與伊朗相鄰，距邊界最近約18 km；北部與阿富汗相鄰，距邊界最近約40 km。

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)屬于典型的鈣堿性系列斑巖型銅礦床，按照巖體及礦化集中區(qū)劃分為南、東、北三個(gè)礦體，其中南礦體與東礦體相鄰，北礦體位于二者的北側(cè)約1.5 km處。區(qū)內(nèi)含礦巖體在地表呈港灣狀與圍巖接觸，出露3個(gè)較大的巖株(枝)，總體呈近南北向分布，構(gòu)成不規(guī)則的“葫蘆”形。北礦體巖體呈巖枝產(chǎn)出，南礦體和東礦體巖體呈巖株產(chǎn)出。礦區(qū)出露地層主要為第四系(Q)、第三系漸新統(tǒng)Amalaf組(E3a)和第三系始新統(tǒng)Saindak組(E2s)，除第四系(Q)外均有云英閃長(zhǎng)斑巖巖體(巖株)及安山斑巖、閃長(zhǎng)斑巖巖脈和巖墻侵入。其中Saindak組(E2s)是礦區(qū)含礦斑巖體的主要侵入地層。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)位于區(qū)域性的Amalaf向斜與Saindak斷裂、Amalaf斷裂交匯部位，斷裂構(gòu)造較發(fā)育且復(fù)雜，次級(jí)褶皺不發(fā)育。此外，通過地表實(shí)地考察，在礦區(qū)外圍發(fā)現(xiàn)數(shù)條斷裂。斷裂通過地段巖石破碎，可見構(gòu)造角礫巖，角礫成分以凝灰?guī)r、粉砂巖為主，次棱角狀，硅質(zhì)、鐵泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較緊密，破碎帶寬0.8～1.0 m，斷裂性質(zhì)不清。

1.3 水文地質(zhì)

結(jié)合南礦體及北礦體相關(guān)勘探資料進(jìn)行類比，山達(dá)克銅金礦區(qū)東礦體屬以大氣降雨補(bǔ)給、構(gòu)造裂隙弱含(透)水層直接充水為主的礦床，地處干旱炎熱、少雨的亞熱帶沙漠地帶，礦體位于丘陵河床地帶，主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，無(wú)常年地表水體，第四系厚度較小，地下水補(bǔ)給條件差。礦區(qū)水文地質(zhì)勘探的復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單類型。

1.4 邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)

開采最高標(biāo)高962 m、最低標(biāo)高638 m，開采深度324 m，共27個(gè)臺(tái)階，封閉圈標(biāo)高約940 m，露天開采最終境界上口尺寸約940 m×730 m、下口尺寸為約180 m×80 m。臺(tái)階高度12 m，開采到界后，臺(tái)階并段，最終高度24 m，最終臺(tái)階坡面角約70°，最終并段臺(tái)階坡頂?shù)拙€水平距約10～12 m，并段后設(shè)寬度10～12 m安全清掃平臺(tái)。露天境界最終邊坡角為43°(926 m標(biāo)高以上)、45°(926 m標(biāo)高以下)，風(fēng)化層侵入標(biāo)高約926 m。

2 極限平衡分析

2.1 分析剖面

計(jì)算剖面布置見圖1所示，選取的8個(gè)工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖1 計(jì)算剖面布置圖Fig.1 Calculation section layout

圖2 計(jì)算剖面圖Fig.2 Calculation section

2.2 分析工況

對(duì)8個(gè)剖面進(jìn)行三種受力工況的分析：工況Ⅰ：自重+地下水(無(wú)地震)；工況Ⅱ：自重+地下水+爆破振動(dòng)力；工況Ⅲ：自重+地下水+地震(Ⅶ)。

確定3種工況下的許用安全系數(shù)[K]分別為：自重+地下水[K]=1.25；自重+地下水+爆破振動(dòng)力[K]=1.18；自重+地下水+Ⅶ度地震力[K]=1.10～1.15。剖面計(jì)算所得的安全系數(shù)K>[K]時(shí)屬穩(wěn)定；1

2.3 分析參數(shù)選取

極限平衡分析中采用的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)與《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)規(guī)定及山達(dá)克銅金礦相關(guān)資料，礦區(qū)所屬地區(qū)抗震設(shè)防烈度相當(dāng)于我國(guó)7度地震帶，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1 g。根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50771—2012)所示，地震烈度為6度及以上地區(qū)，應(yīng)研究分析地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。通過計(jì)算可得礦區(qū)水平設(shè)計(jì)地震加速度：K=0.075；根據(jù)《水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于垂直設(shè)計(jì)地震加速度參數(shù)可以采用水平設(shè)計(jì)地震加速度參數(shù)的1/3，K=0.025。

本次進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析時(shí)，采用距最終邊坡60 m時(shí)的爆破震動(dòng)影響系數(shù)Kc=0.059。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)下邊坡穩(wěn)定性

3.1.1 工況I

在自重+地下水條件下，分別對(duì)山達(dá)克銅金礦東礦體設(shè)計(jì)露天邊坡穩(wěn)定性狀況進(jìn)行分析研究，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 工況I邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.1.2 工況Ⅱ

在自重+地下水+爆破振動(dòng)力條件下，分別對(duì)山達(dá)克銅金礦東礦體設(shè)計(jì)露天邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性狀況的分析研究，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 工況Ⅱ邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.1.3 工況Ⅲ

在自重+地下水+地震力條件下，分別對(duì)山達(dá)克銅金礦東礦體設(shè)計(jì)露天邊坡穩(wěn)定性狀況進(jìn)行分析研究，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 工況Ⅲ邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)邊坡參數(shù)優(yōu)化

A剖面坡頂標(biāo)高+926 m，坡底標(biāo)高+638 m，邊坡高288 m，整體邊坡角44°，為無(wú)水的干涸無(wú)張裂隙邊坡。該邊坡設(shè)計(jì)剖面計(jì)算得到工況三條件下的安全系數(shù)為1.182，大于允許值1.15，因此該剖面可以進(jìn)行優(yōu)化研究，提高邊坡的整體邊坡角。通過計(jì)算不同邊坡角，得到了多種計(jì)算方法下的安全系數(shù)如表5所示。計(jì)算剖面較多，版面有限，本文僅展現(xiàn)剖面A的計(jì)算安全系數(shù)。

表5 A剖面不同邊坡角穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過采用Slide軟件計(jì)算得到了A～H剖面在三種工況下的安全系數(shù)。在工況Ⅰ條件下8個(gè)剖面的安全系數(shù)均大于安全標(biāo)準(zhǔn)1.20，所以在工況Ⅰ條件下各個(gè)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。同理，在工況Ⅱ與工況Ⅲ條件下，8個(gè)剖面的安全系數(shù)均大于允許值，其中工況Ⅲ條件下C剖面安全系數(shù)為1.151，安全系數(shù)正好滿足要求，進(jìn)一步優(yōu)化的空間較小，其他7個(gè)剖面均具有一定的安全儲(chǔ)備，均可適當(dāng)進(jìn)行邊坡角優(yōu)化。

通過對(duì)8個(gè)邊坡剖面進(jìn)行計(jì)算分析，得出了邊坡各剖面最優(yōu)邊坡角結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)工程地質(zhì)分區(qū)，推薦各分區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

1)A、B、C、E、F、G剖面整體邊坡角為46°，即Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)邊坡整體邊坡角46°；2)D、H剖面整體邊坡角為45°，即Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)邊坡整體邊坡角45°。