許永權 王宏亮 鄒 平 馬 增

(1. 萬寶礦產有限公司，北京 西城 100053；2. 長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

露天開采境界的圈定是整個露天礦山開采設計的基礎，它決定了礦山的服務年限、生產規(guī)模、礦巖總量、礦山建設投資和開采成本等多個方面[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、技術經(jīng)濟指標和露天邊坡參數(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)濟效益。邊坡角提高1°，相應就能夠減少大量的剝離量，降低廢石的剝離、運輸和堆排費用，增加礦山的服務年限[3]。

以剛果(金)加丹加省利卡西市境內的某銅鈷礦露天采場為研究對象，通過開展露采邊坡現(xiàn)場踏勘、工程地質補充勘察、露天爆破振動測試、室內外巖石力學實驗及邊坡穩(wěn)定性計算分析等多項研究工作[4]，進而根據(jù)采場邊坡穩(wěn)定性研究成果對原設計的露天開采境界進行優(yōu)化調整，達到安全與經(jīng)濟的較好平衡。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦體特征

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

1.2 工程地質條件

礦區(qū)地層巖性復雜，巖溶作用中等，構造破碎帶發(fā)育，巖層風化帶厚度大，巖性破碎。含水層分布廣，厚度大。地下水水力性質屬潛水區(qū)，靜水壓力不大。底板巖性堅硬，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較差，局部地段易發(fā)生礦山工程地質問題。礦區(qū)工程地質條件屬中等類型。

1.3 水文地質條件

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，對礦床開采時充水影響不大。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。礦區(qū)水文地質條件屬于巖溶含水層充水，以溶洞、裂隙為主，頂、底板直接進水，水文地質條件為中等復雜類型的巖溶充水礦床。

1.4 設計概況

設計的開采方式為露天開采，設計礦石生產能力為3 000 t/d，服務年限約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標高以上為43°，1 400 m以下為45°，礦體下盤為44°；2)臺階高度為12 m(終了臺階高度為兩臺階并段，高24 m)；3)終了臺階坡面角為65°；4)安全平臺寬為4 m、6 m、8 m；5)清掃平臺寬為12 m、16 m；6)坑底標高為1 264 m；7)最高開采標高為1 512 m；8)封閉圈標高為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規(guī)范》(GB 51016-2014)的規(guī)定[5]：該采場最終邊坡最高248 m，邊坡安全等級為II級，并根據(jù)該露天邊坡的工程地質、水文地質以及開采的服務年限等特點，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+爆破振動力：K=1.15

自重+地下水+地震力：K=1.10

2.2 工程地質分區(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)勢結構面產狀及與邊坡的組合關系”三大要素，并在初步設計的露天境界終了平面圖基礎上，將露天境界分為四個工程地質區(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 工程地質分區(qū)及分析剖面布置圖

2.3 計算參數(shù)

1)地震：礦區(qū)所屬地區(qū)抗震設防烈度為6°，設計基本地震加速度為0.05 g。

2)爆破：通過對該采場露天邊坡現(xiàn)場實測的爆破震動的有關參數(shù)進行回歸，對邊坡穩(wěn)定性分析計算過程中的爆破震動影響系數(shù)Kc取值為：Kc=0.074。

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

2.4 計算方法

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

2.5 計算方案

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

2)對各穩(wěn)定性分區(qū)的最危險剖面按照46°～49°邊坡角分別進行進一步細化分析，計算邊坡角增減情況下的穩(wěn)定性分析。

3)通過對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)設計采深的合理邊坡角。

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

2.6 計算結果

10個分析剖面的邊坡角為45°和50°情況時安全系數(shù)計算結果見圖2和圖3，A3剖面在整體邊坡角為45°～49°時的安全系數(shù)計算結果見圖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)從分析結果可以看出各區(qū)中最危險的剖面為A3、B1、C2、D1，因此選擇這4個剖面進一步細化安全系數(shù)的計算；從最危險的剖面判斷4個穩(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，工況II(自重+地下水+爆破振動力)時各剖面(圓弧形)的安全系數(shù)最低(A3剖面為非圓弧形最低)。

3)爆破對邊坡安全系數(shù)降低約9.2%～11.4%左右。

4)地震對邊坡安全系數(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°，臺階高度12 m或24 m時，坡面角均為65°～70°；延深12 m，減小爆破藥量且采用預裂爆破情況下，可維持47°～48°；延深24 m，降低為45°～46°。

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

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

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

3 境界優(yōu)化

3.1 地質模型更新

依據(jù)生產探礦結果對該銅鈷礦礦體地質模型進行了更新，模型圖見圖5，資源量統(tǒng)計見表1。該地質模型中，該礦體資源量分為331、332和333級別，其中332以上級別占全部資源量的83.2%。截止當前，地質模型中該礦體資源量為523.29萬噸(邊界品位TCu為0以上)，平均地質品位Cu為1.22%，Co為0.524%。

圖5 地質模型圖

表1 地質模型資源量統(tǒng)計

3.2 境界圈定

根據(jù)擬定的技術經(jīng)濟參數(shù)指標和邊坡穩(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法計算境界，以境界內所含礦石的“凈現(xiàn)值最大”作為判斷最優(yōu)境界的標準。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)臺階高度12 m(終了臺階高度為兩臺階并段，高24 m)；2)終了臺階坡面角為65°；3)平臺寬度為4 m、6 m、8 m、10 m、14 m；4)運輸?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60 m，下部臺階為30 m～40 m；7)道路布線方式為螺旋坑線；道路最小轉彎半徑20 m。8)該露天境界礦石出入溝口標高1 420 m，廢石出入溝口標高1 454 m，坑底標高為1 240 m，最高開采標高為1 479 m，封閉圈標高為1 420 m。

露天開采終了境界內可采礦石量402.14萬噸，均為硫化礦石，平均地質品位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采場終了境界平面圖

3.3 優(yōu)化前后境界對比

最優(yōu)境界與原設計境界對比見圖7，本次優(yōu)化境界較原設計境界幅面范圍更大，尤其出入溝口右側的位置，因原設計所用地質模型此塊區(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，如圖7中所示。

新境界將原設計的露天坑底向下延伸了兩個臺階(24 m)，由1 264 m下降到1 240 m，優(yōu)化后的境界與原設計境界相比多采出礦量約多采出礦量約181.14萬噸，延長礦山服務年限近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，因提高了整體邊坡角(由原設計邊坡角43°～45°提高到46°～50°)，減少了廢石剝離量370萬噸。項目的實施有效的提高了資源回收利用率，產生了良好的經(jīng)濟效益。

圖7 最優(yōu)境界與原設計境界對比圖

4 結語

1)采用極限平衡分析方法對某銅鈷礦露天采場邊坡穩(wěn)定性進行了分析，得到了在設計采深下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°。同時對向下開采延深12 m和24 m進行了分析，得到了A區(qū)和B區(qū)延深12 m時，在降低爆破振動的情況仍能維持原來角度，但延深24 m時邊坡角度需降低1°～2°；C區(qū)和D區(qū)延深12 m和24 m，在降低爆破振動的情況都能維持原來角度。

2)以邊坡穩(wěn)定性研究結論和新解譯礦體模型為基礎，對該露天采場境界進行了多次優(yōu)化調整，最終確定將原設計的露天坑底向下延伸了兩個臺階(24 m)，優(yōu)化后的境界與原設計境界相比多采出礦量約181.14萬噸，延長礦山服務年限近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“礦體三維模型構建-邊坡穩(wěn)定性研究-資源量估算-境界優(yōu)化-采礦設計”的露天開采境界優(yōu)化方法，在確保邊坡穩(wěn)定的基礎之上，盡可能多開采礦石，提高礦山的經(jīng)濟效益。該研究成果研究可推廣到其他類似露天礦山。