基于邊坡穩(wěn)定性研究的露天開采境界優(yōu)化

許永權(quán) 王宏亮 鄒 平 馬 增

(1. 萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 西城 100053；2. 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

露天開采境界的圈定是整個(gè)露天礦山開采設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它決定了礦山的服務(wù)年限、生產(chǎn)規(guī)模、礦巖總量、礦山建設(shè)投資和開采成本等多個(gè)方面[1]。影響露天境界圈定的主要因素包括礦體品位及分布特征、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和露天邊坡參數(shù)等。在其他因素相同的條件下，邊坡參數(shù)就顯得至關(guān)重要，合理的邊坡參數(shù)一方面能夠確保邊坡的穩(wěn)定，防止巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，從源頭上避免了重大安全事故的發(fā)生[2]；另一方面能夠節(jié)約成本，提高礦山開采經(jīng)濟(jì)效益。邊坡角提高1°，相應(yīng)就能夠減少大量的剝離量，降低廢石的剝離、運(yùn)輸和堆排費(fèi)用，增加礦山的服務(wù)年限[3]。

以剛果(金)加丹加省利卡西市境內(nèi)的某銅鈷礦露天采場(chǎng)為研究對(duì)象，通過開展露采邊坡現(xiàn)場(chǎng)踏勘、工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察、露天爆破振動(dòng)測(cè)試、室內(nèi)外巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析等多項(xiàng)研究工作[4]，進(jìn)而根據(jù)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究成果對(duì)原設(shè)計(jì)的露天開采境界進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的較好平衡。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦體特征

礦區(qū)由9大礦體(細(xì)分為12個(gè)礦體)組成，此次研究的礦體位于礦區(qū)中南部，為一獨(dú)立的菱形地層碎塊。礦體主要賦存于R2段地層內(nèi)，主要分為S1、S2、S3三個(gè)礦體，礦體走向NE，長(zhǎng)約210 m，傾向SE，平均傾角43°，礦體平均厚度34 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)地層巖性復(fù)雜，巖溶作用中等，構(gòu)造破碎帶發(fā)育，巖層風(fēng)化帶厚度大，巖性破碎。含水層分布廣，厚度大。地下水水力性質(zhì)屬潛水區(qū)，靜水壓力不大。底板巖性堅(jiān)硬，巖體完整或較完整，巖層穩(wěn)定性好，但是頂板的完整程度相對(duì)較差，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等類型。

1.3 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地表大部分被第四系松散堆積物所覆蓋，第四系厚度薄，多為透水不含水層，對(duì)礦床開采時(shí)充水影響不大。礦床充水巖層為白云巖系的巖溶含水層，裂隙、溶洞發(fā)育，富水性強(qiáng)。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于巖溶含水層充水，以溶洞、裂隙為主，頂、底板直接進(jìn)水，水文地質(zhì)條件為中等復(fù)雜類型的巖溶充水礦床。

1.4 設(shè)計(jì)概況

設(shè)計(jì)的開采方式為露天開采，設(shè)計(jì)礦石生產(chǎn)能力為3 000 t/d，服務(wù)年限約4.5年。露天開采的主要參數(shù)為：1)終了邊坡角為上盤1 400 m標(biāo)高以上為43°，1 400 m以下為45°，礦體下盤為44°；2)臺(tái)階高度為12 m(終了臺(tái)階高度為兩臺(tái)階并段，高24 m)；3)終了臺(tái)階坡面角為65°；4)安全平臺(tái)寬為4 m、6 m、8 m；5)清掃平臺(tái)寬為12 m、16 m；6)坑底標(biāo)高為1 264 m；7)最高開采標(biāo)高為1 512 m；8)封閉圈標(biāo)高為1 432 m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 許用安全系數(shù)選取

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016-2014)的規(guī)定[5]：該采場(chǎng)最終邊坡最高248 m，邊坡安全等級(jí)為II級(jí)，并根據(jù)該露天邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)以及開采的服務(wù)年限等特點(diǎn)，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=1.20

自重+地下水+爆破振動(dòng)力：K=1.15

自重+地下水+地震力：K=1.10

2.2 工程地質(zhì)分區(qū)與分析剖面

為了得到邊坡不同位置的合理邊坡角，依據(jù)“邊坡所處位置、邊坡高度、巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及與邊坡的組合關(guān)系”三大要素，并在初步設(shè)計(jì)的露天境界終了平面圖基礎(chǔ)上，將露天境界分為四個(gè)工程地質(zhì)區(qū)：A、B、C、D區(qū)，其中A區(qū)邊坡垂直高度最高：248 m，D區(qū)邊坡垂直高度最低：204 m。每一分區(qū)選擇2～3典型剖面，分別為：A1-A3、B1-B2、C1-C2、D1-D3分析剖面。各分區(qū)位置和分析剖面位置，見圖1。

圖1 工程地質(zhì)分區(qū)及分析剖面布置圖

2.3 計(jì)算參數(shù)

1)地震：礦區(qū)所屬地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6°，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g。

2)爆破：通過對(duì)該采場(chǎng)露天邊坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的爆破震動(dòng)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行回歸，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算過程中的爆破震動(dòng)影響系數(shù)Kc取值為：Kc=0.074。

3)地下水：該露天采場(chǎng)地下水位標(biāo)高在1 350～1 390 m之間，采用有限元的方法來計(jì)算地下水滲流對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，確定的邊坡地下水位線自動(dòng)加到極限平衡分析中。

2.4 計(jì)算方法

由于簡(jiǎn)化Bishop方法在圓弧滑動(dòng)狀態(tài)下和Morgen-Prince法在非圓弧滑動(dòng)狀態(tài)下所求的邊坡安全系數(shù)值可反映邊坡穩(wěn)定性的實(shí)際狀態(tài)，具有計(jì)算速度快且結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，故以這兩種方法的計(jì)算結(jié)果作為為本次穩(wěn)定性研究的依據(jù)。

2.5 計(jì)算方案

1)首先分析10個(gè)剖面的邊坡角為45°和50°情況時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性情況，判斷各穩(wěn)定性分區(qū)邊坡的最危險(xiǎn)剖面。

2)對(duì)各穩(wěn)定性分區(qū)的最危險(xiǎn)剖面按照46°～49°邊坡角分別進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分析，計(jì)算邊坡角增減情況下的穩(wěn)定性分析。

3)通過對(duì)比各種邊坡角情況下的穩(wěn)定性，從而得出該露天邊坡各分區(qū)設(shè)計(jì)采深的合理邊坡角。

4)分析將設(shè)計(jì)境界延深12 m和24 m時(shí)邊坡的穩(wěn)定性情況，從邊坡穩(wěn)定性方面給出延深的建議。

2.6 計(jì)算結(jié)果

10個(gè)分析剖面的邊坡角為45°和50°情況時(shí)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2和圖3，A3剖面在整體邊坡角為45°～49°時(shí)的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖2 各剖面45°邊坡角安全系數(shù)圖

圖3 各剖面50°邊坡角安全系數(shù)圖

圖4 A3剖面不同邊坡角下安全系數(shù)圖

1)從分析結(jié)果可以看出各區(qū)中最危險(xiǎn)的剖面為A3、B1、C2、D1，因此選擇這4個(gè)剖面進(jìn)一步細(xì)化安全系數(shù)的計(jì)算；從最危險(xiǎn)的剖面判斷4個(gè)穩(wěn)定性分區(qū)的穩(wěn)定程度依次為B>C>A>D。

2)隨著邊坡角的增大，邊坡安全系數(shù)呈逐漸降低趨勢(shì)，工況II(自重+地下水+爆破振動(dòng)力)時(shí)各剖面(圓弧形)的安全系數(shù)最低(A3剖面為非圓弧形最低)。

3)爆破對(duì)邊坡安全系數(shù)降低約9.2%～11.4%左右。

4)地震對(duì)邊坡安全系數(shù)降低約6%～8%左右。

5)D區(qū)邊坡受地下水影響較大，在開采過程中必須加強(qiáng)排水措施。

6)該露采邊坡角推薦如下：

A區(qū)整體邊坡角47°～48°，臺(tái)階高度12 m或24 m時(shí)，坡面角均為65°～70°；延深12 m，減小爆破藥量且采用預(yù)裂爆破情況下，可維持47°～48°；延深24 m，降低為45°～46°。

B區(qū)整體邊坡角49°～50°。臺(tái)階高度12 m或24 m時(shí)，坡面角均為65°～70°；延深12 m，減小爆破藥量且采用預(yù)裂爆破情況下，可維持49°～50°；延深24 m，降低為47°～48°。

C區(qū)整體邊坡角47°～48°。臺(tái)階高度12 m時(shí)，坡面角為65°～70°；臺(tái)階高度24 m時(shí)，坡面角為60°～65°；延深12 m和24 m，減小爆破藥量且采用預(yù)裂爆破情況下，可維持47°～48°。

D區(qū)整體邊坡角46°～47°。臺(tái)階高度12 m或24 m時(shí)，坡面角均為65°～70°；延深12 m和24 m，減小爆破藥量且采用預(yù)裂爆破情況下，可維持46°～47°。

3 境界優(yōu)化

3.1 地質(zhì)模型更新

依據(jù)生產(chǎn)探礦結(jié)果對(duì)該銅鈷礦礦體地質(zhì)模型進(jìn)行了更新，模型圖見圖5，資源量統(tǒng)計(jì)見表1。該地質(zhì)模型中，該礦體資源量分為331、332和333級(jí)別，其中332以上級(jí)別占全部資源量的83.2%。截止當(dāng)前，地質(zhì)模型中該礦體資源量為523.29萬噸(邊界品位TCu為0以上)，平均地質(zhì)品位Cu為1.22%，Co為0.524%。

圖5 地質(zhì)模型圖

表1 地質(zhì)模型資源量統(tǒng)計(jì)

3.2 境界圈定

根據(jù)擬定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)指標(biāo)和邊坡穩(wěn)定性研究成果中的邊坡參數(shù)，采用MINTEC公司的MineSight 3D礦業(yè)軟件優(yōu)化露天境界，軟件使用LG法計(jì)算境界，以境界內(nèi)所含礦石的“凈現(xiàn)值最大”作為判斷最優(yōu)境界的標(biāo)準(zhǔn)。該礦體優(yōu)化后的終了境界三維視圖，見圖6，圈定境界的參數(shù)為：1)臺(tái)階高度12 m(終了臺(tái)階高度為兩臺(tái)階并段，高24 m)；2)終了臺(tái)階坡面角為65°；3)平臺(tái)寬度為4 m、6 m、8 m、10 m、14 m；4)運(yùn)輸?shù)缆穼挾葹殡p線14 m，單線10 m；5)道路縱坡一般為8%，最大縱坡9%～10%；6)道路緩坡段長(zhǎng)60 m，下部臺(tái)階為30 m～40 m；7)道路布線方式為螺旋坑線；道路最小轉(zhuǎn)彎半徑20 m。8)該露天境界礦石出入溝口標(biāo)高1 420 m，廢石出入溝口標(biāo)高1 454 m，坑底標(biāo)高為1 240 m，最高開采標(biāo)高為1 479 m，封閉圈標(biāo)高為1 420 m。

露天開采終了境界內(nèi)可采礦石量402.14萬噸，均為硫化礦石，平均地質(zhì)品位Cu=1.37%，Co=0.589%，剝離廢石量2 021.40萬噸，平均剝采比為5.03 t/t。

圖6 南Ⅱ采場(chǎng)終了境界平面圖

3.3 優(yōu)化前后境界對(duì)比

最優(yōu)境界與原設(shè)計(jì)境界對(duì)比見圖7，本次優(yōu)化境界較原設(shè)計(jì)境界幅面范圍更大，尤其出入溝口右側(cè)的位置，因原設(shè)計(jì)所用地質(zhì)模型此塊區(qū)域未有圈礦，而新模型考慮了此塊區(qū)域的的礦石量，所以此次最優(yōu)境界在此位置有明顯外擴(kuò)，如圖7中所示。

新境界將原設(shè)計(jì)的露天坑底向下延伸了兩個(gè)臺(tái)階(24 m)，由1 264 m下降到1 240 m，優(yōu)化后的境界與原設(shè)計(jì)境界相比多采出礦量約多采出礦量約181.14萬噸，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限近2年，多采出的礦石平均品位為Cu平均品位0.92%、Co平均品位0.346%；同時(shí)，因提高了整體邊坡角(由原設(shè)計(jì)邊坡角43°～45°提高到46°～50°)，減少了廢石剝離量370萬噸。項(xiàng)目的實(shí)施有效的提高了資源回收利用率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 最優(yōu)境界與原設(shè)計(jì)境界對(duì)比圖

4 結(jié)語

1)采用極限平衡分析方法對(duì)某銅鈷礦露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了在設(shè)計(jì)采深下A區(qū)整體邊坡角47°～48°，B區(qū)整體邊坡角49°～50°，C區(qū)整體邊坡角47°～48°，D區(qū)整體邊坡角46°～47°。同時(shí)對(duì)向下開采延深12 m和24 m進(jìn)行了分析，得到了A區(qū)和B區(qū)延深12 m時(shí)，在降低爆破振動(dòng)的情況仍能維持原來角度，但延深24 m時(shí)邊坡角度需降低1°～2°；C區(qū)和D區(qū)延深12 m和24 m，在降低爆破振動(dòng)的情況都能維持原來角度。

2)以邊坡穩(wěn)定性研究結(jié)論和新解譯礦體模型為基礎(chǔ)，對(duì)該露天采場(chǎng)境界進(jìn)行了多次優(yōu)化調(diào)整，最終確定將原設(shè)計(jì)的露天坑底向下延伸了兩個(gè)臺(tái)階(24 m)，優(yōu)化后的境界與原設(shè)計(jì)境界相比多采出礦量約181.14萬噸，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限近2年，減少廢石剝離量370萬噸。

3)提出了基于邊坡穩(wěn)定性分析的“礦體三維模型構(gòu)建-邊坡穩(wěn)定性研究-資源量估算-境界優(yōu)化-采礦設(shè)計(jì)”的露天開采境界優(yōu)化方法，在確保邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，盡可能多開采礦石，提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。該研究成果研究可推廣到其他類似露天礦山。