某銅硫礦露天采剝優(yōu)化與邊坡穩(wěn)定性研究

習(xí)泳 ，鄒平，楊盛凱

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.長(zhǎng)沙瀚洋環(huán)保技術(shù)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410005)

某銅礦床為鐵銅硫多金屬礦床。礦區(qū)于 2016年7月完成了初步設(shè)計(jì)，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)了采剝不協(xié)調(diào)的情況，且隨著生產(chǎn)探礦的進(jìn)行，礦山對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了更新。為指導(dǎo)生產(chǎn)，需在原初步設(shè)計(jì)的最終露天境界范圍內(nèi)，對(duì)采礦生產(chǎn)根據(jù)新的地質(zhì)模型進(jìn)行優(yōu)化更新，并以此為依據(jù)進(jìn)行采剝計(jì)劃優(yōu)化。

采剝優(yōu)化工作能在近期內(nèi)降低生產(chǎn)剝采比，減少當(dāng)期剝離量，降低剝離費(fèi)用。根據(jù)采場(chǎng)前期的采剝工作，二級(jí)礦量已有一定儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)分期開(kāi)采具備一定的有利條件。礦山首采區(qū)開(kāi)采礦石較為集中在礦石剝離量較少的地段，從而降低了近些年的剝離量。

為了解決某銅礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采剝不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，開(kāi)展了露天采場(chǎng)采剝優(yōu)化與邊坡穩(wěn)定性研究。通過(guò)本次采剝優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)有效硫的合理利用，均衡了出礦品位，保證每年采出銅礦石品位維持在0.45%～0.47%，品位相對(duì)較高，浮動(dòng)較小，確保了企業(yè)的前期經(jīng)濟(jì)效益。

1 采剝優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 原露天開(kāi)采設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)的開(kāi)采境界內(nèi)礦巖總量為 12 633×104m3，礦石量5759.1×104t，其中銅礦石量4383.0×104t，平均地質(zhì)品位：Cu=0.55%，有效S=16.75%；硫礦石量1207.7×104t，平均地質(zhì)品位：Cu=0.12%，有效S=15.54%；巖土量10 882×104m3；平均剝采比4.9 t/t。

1.2 優(yōu)化方法

采用優(yōu)化程序進(jìn)行了露天開(kāi)采境界的優(yōu)化圈定。礦業(yè)軟件的露天境界優(yōu)化工作程序見(jiàn)圖1。

圖1 露天境界優(yōu)化工作程序

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）開(kāi)采第 1年采剝范圍。剝離：北部西幫829 m以上臺(tái)階靠最終幫，829 m臺(tái)階和817 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；中部及南部西幫793 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫793 m臺(tái)階和781 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；東部剝離集中在709 m臺(tái)階、697 m臺(tái)階、685 m臺(tái)階和673 m臺(tái)階，其中北部東幫661 m以上臺(tái)階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和中南部685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階、661 m臺(tái)階和649 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（2）開(kāi)采第 2年采剝范圍。剝離：北部西幫793 m以上臺(tái)階靠最終幫，793 m臺(tái)階、781 m臺(tái)階和769 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；中部及南部西幫745 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫745 m臺(tái)階、733 m臺(tái)階和721 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；東部剝離集中在685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階和661 m臺(tái)階。

采礦：北部、中部和中南部673 m臺(tái)階、661 m臺(tái)階、649 m臺(tái)階和637 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（3）開(kāi)采第 3年采剝范圍。剝離：北部西幫757 m以上臺(tái)階靠最終幫，757 m臺(tái)階、745 m臺(tái)階、733 m臺(tái)階、721 m臺(tái)階和709 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；中部及南部西幫745 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫745 m臺(tái)階和733 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；東部剝離集中在697 m臺(tái)階、685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階和661 m臺(tái)階，其中北部東幫649 m以上臺(tái)階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和中南部709 m臺(tái)階、697 m臺(tái)階、685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階、661 m臺(tái)階、649 m臺(tái)階和637 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（4）開(kāi)采第 4年采剝范圍。剝離：北部西幫697 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部及南部西幫709 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫709 m臺(tái)階和697 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；東部剝離集中在685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階和661 m臺(tái)階，其中北部東幫637 m以上臺(tái)階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和南部709 m臺(tái)階、697 m臺(tái)階、685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階、661 m臺(tái)階、649 m臺(tái)階和637 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（5）開(kāi)采第 5年采剝范圍。剝離：北部西幫685 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部及南部西幫673 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫673 m臺(tái)階和661 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；東部剝離集中在685 m臺(tái)階、673 m臺(tái)階和661 m臺(tái)階，其中北部東幫613 m以上臺(tái)階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和南部673 m臺(tái)階、661 m臺(tái)階、649 m臺(tái)階、637 m臺(tái)階和625 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（6）開(kāi)采第6年～第7年采剝范圍。剝離：北部西幫649 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部及南部西幫649 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫649 m臺(tái)階和637 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；北部東幫601 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部和南部東幫649 m以上臺(tái)階靠最終幫，649 m臺(tái)階、637 m臺(tái)階和625 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階。

采礦：北部、中部和南部649 m臺(tái)階、637 m臺(tái)階、625 m臺(tái)階和613 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

（7）開(kāi)采第8年～第10年采剝范圍。剝離：北部西幫577 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部及南部西幫633 m臺(tái)階以上靠至最終幫，南部西幫649 m臺(tái)階和637 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階；北部東幫589 m以上臺(tái)階靠最終幫；中部和南部東幫577 m以上臺(tái)階靠最終幫；南部601 m臺(tái)階、589 m臺(tái)階和577 m臺(tái)階為第2年剝離準(zhǔn)備臺(tái)階。

采礦：北部、中部和南部601 m臺(tái)階、589 m臺(tái)階、577 m臺(tái)階和565 m臺(tái)階為出礦臺(tái)階。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的露天采場(chǎng)礦巖量及生產(chǎn)剝采比逐年變化見(jiàn)圖2，平均出礦品位逐年變化見(jiàn)圖3。露天開(kāi)采終了三維效果見(jiàn)圖4。

圖2 礦巖量及生產(chǎn)剝采比逐年變化

圖3 平均出礦品位逐年變化

圖4 開(kāi)采終了圖

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

穩(wěn)定性驗(yàn)算巖體力學(xué)參數(shù)以邊坡研究報(bào)告力學(xué)參數(shù)為依據(jù)。按相關(guān)規(guī)范[1-3]，礦區(qū)地震烈度為6度。地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)為0.05 g。選取的巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)工程方法處理后得到巖體力學(xué)參數(shù)代入計(jì)算模型中[4-6]。

根據(jù)規(guī)范，不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)見(jiàn)表2。礦南部邊坡危害等級(jí)為I級(jí)，邊坡高度大于500 m，安全等級(jí)為I級(jí)。按表2中安全等級(jí)I選取安全系數(shù)。

將采場(chǎng)邊坡劃分為 I～V五個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)，邊坡工程地質(zhì)分區(qū)見(jiàn)圖5。

表1 不同巖性巖石力學(xué)參數(shù)表

表2 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)

表3 組合Ⅰ時(shí)各剖面線(xiàn)處設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)匯總

圖5 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)規(guī)范[7]，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法以極限平衡法為定量計(jì)算依據(jù)，計(jì)算的方法根據(jù)邊坡破壞模式選取。

該礦邊坡破壞形式主要以圓弧型和折線(xiàn)型破壞為主，圓弧形破壞采用3種計(jì)算方法。

根據(jù)規(guī)范對(duì)3種不同荷載組合進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算：荷載組合Ⅰ為自重+地下水；荷載組合Ⅱ?yàn)樽灾?地下水+爆破振動(dòng)力；荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力，其分析結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

通過(guò)計(jì)算3種不同工況下露天終了境界的安全系數(shù)，得出各剖面的安全系數(shù)大于規(guī)范要求的1.15， 邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 組合Ⅱ時(shí)各剖面線(xiàn)處設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)匯總

表5 組合Ⅲ時(shí)各剖面線(xiàn)處設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)匯總

3 結(jié)論

（1）在保證前 3年出礦量的前提下，從生產(chǎn)第4年開(kāi)始作為過(guò)渡時(shí)期，加大剝離量，改善了目前采場(chǎng)欠剝離的現(xiàn)狀。

（2）在新的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)分析采礦現(xiàn)狀，進(jìn)行了采剝計(jì)劃調(diào)整：生產(chǎn)前3年的剝采比降到了5.00 t/t以下，采剝總量控制在700×104m3。比原初步設(shè)計(jì)的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃（剝采比為8.00 t/t）降低了前期的采剝總量，前3年中每年約減少采剝總量350×104m3。

（3）通過(guò)本次采剝優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)有效硫的合理利用，均衡了出礦品位，保證每年采出銅礦石品位維持在0.45%～0.47%，品位相對(duì)較高，浮動(dòng)較小，確保了企業(yè)前期經(jīng)濟(jì)效益。

（4）引入當(dāng)量銅，考慮 Cu、S、WO3等有用元素，S采用有效硫作為優(yōu)化設(shè)計(jì)。在最終開(kāi)采境界內(nèi)，設(shè)計(jì)可利用的礦石總量增加，給企業(yè)增加了產(chǎn)值。

（5）采用對(duì) 3種不同工況下的露天終了境界安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，各剖面的安全系數(shù)大于規(guī)范要求的1.15，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。