劉清福 孫言飛 林元鑫 高 忠

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司,福建 上杭 364200)

0 引言

露天礦邊坡角的設(shè)計(jì)，對(duì)露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生很大的影響[1]。根據(jù)調(diào)查顯示，大型金屬露天礦每增加1°，可以節(jié)約剝離成本1億以上，但會(huì)帶來(lái)相應(yīng)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，邊坡角最優(yōu)設(shè)計(jì)應(yīng)在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的最大化[2,3]。對(duì)于多震地區(qū)來(lái)說(shuō)，研究地震荷載作用下的最終邊坡角對(duì)露天礦開采具有重要意義[4]。

目前已有大量的學(xué)者對(duì)地震作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)地震邊坡的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)探討，歸納總結(jié)了地震作用下邊坡穩(wěn)定性的影響因素[5]；利用有限元軟件對(duì)地震動(dòng)力作用下影響壩體邊坡最危險(xiǎn)滑裂面位置及穩(wěn)定性的動(dòng)力影響因素進(jìn)行了詳細(xì)探討[6]；基于擬靜力法研究不同參數(shù)對(duì)地震作用系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)坡高和坡角是影響地震作用下邊坡穩(wěn)定性的2個(gè)主要因素[7]；采用最小平均系數(shù)法研究地震荷載作用對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，對(duì)工程案例計(jì)算提供了有意義的參考[8]。

礦山烏拉根鉛鋅礦位于克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃轂跚】h黑孜葦鄉(xiāng)，目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t/a。該礦區(qū)為急傾斜層狀巖體，巖石抗壓強(qiáng)度較低，工程地質(zhì)條件為中等～復(fù)雜。該礦上所屬區(qū)域?yàn)榈卣鸲喟l(fā)地，為提高邊坡穩(wěn)定性，保證礦山可持續(xù)發(fā)展，在充分考慮地震偶發(fā)性的工況前提下對(duì)邊坡角優(yōu)化展開進(jìn)一步的研究。

1 工程地質(zhì)概況及分區(qū)

烏拉根鋅礦礦區(qū)屬烏拉根向斜的東部，該向斜整體呈東端閉合(轉(zhuǎn)折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。優(yōu)化設(shè)計(jì)境界位于向斜南翼、地層總體走向62°，傾向北，傾角48°～68°。將采場(chǎng)邊坡劃分為Ⅰ～Ⅳ四個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)又根據(jù)巖性及風(fēng)化程度不同劃分為不同的亞區(qū)，如表1所示。

表1 工程地質(zhì)分區(qū)

2 礦區(qū)地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

烏拉根鋅礦位于烏恰縣，屬于全國(guó)地震烈度最高區(qū)域，年平均地震次數(shù)達(dá)到44次，絕大多數(shù)地震里氏震級(jí)為3～6級(jí)，震源深度0～60 km。采用MC. Guire在1976年提出的經(jīng)驗(yàn)公式求得地震最大加速度，發(fā)現(xiàn)地震最大加速度主要集中在0～0.03 g。最高地震記錄為發(fā)生于2008年10月5日，為7.1級(jí)，地震最大加速度為0.08 g，見(jiàn)表2。烏拉根鉛鋅礦正常服務(wù)年限21年，若當(dāng)?shù)卣饎?dòng)加速度>0.045 g，則服務(wù)年限內(nèi)地震發(fā)生的概率為59.03%，若當(dāng)?shù)卣饎?dòng)加速度>0.055 g，則服務(wù)年限內(nèi)地震發(fā)生的概率為37.02%，由此可見(jiàn)存在較大的地震風(fēng)險(xiǎn)。

表2 1970～2017年天山子網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表

(1)

式中：M—地震級(jí)別；R—距震源的距離，km。

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 計(jì)算工礦及安全系數(shù)選取

邊坡安全系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的生要指標(biāo)，它與邊坡穩(wěn)定性研究的各項(xiàng)工作內(nèi)容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各項(xiàng)定量參數(shù)的取用和定性分析評(píng)價(jià)、礦山服務(wù)年限、邊坡區(qū)段的重要性等因素有關(guān)。在邊坡極限平衡穩(wěn)定性分析中，安全系數(shù)K=1時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。理論上，只要K稍大于1，邊坡就是穩(wěn)定的；反之邊坡就失穩(wěn)。但由于影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)外因素很多，在具體穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)，常進(jìn)行強(qiáng)度儲(chǔ)備，將安全系數(shù)取K>1。對(duì)礦山邊坡來(lái)說(shuō)，一般情況下取K=1.2～1.3。

烏拉根鋅礦設(shè)計(jì)最終邊坡最大高度超過(guò)500 m，根據(jù)GB51016-2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》劃分標(biāo)準(zhǔn)，烏拉根鋅礦露天邊坡屬超高邊坡，邊坡危害等級(jí)為Ⅱ級(jí)，邊坡安全等級(jí)劃分為Ⅰ級(jí)。同時(shí)對(duì)比國(guó)內(nèi)外礦山安全系數(shù)，綜合選取烏拉根鋅礦邊坡工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)為自重+地下水工況下不小于1.20，自重+地下水+爆破振動(dòng)力不小于1.18，自重+地下水+地震力下不小于1.15。在計(jì)算地震作用對(duì)邊坡的影響時(shí)，采用的地震最大加速度為0.08 g。不同計(jì)算工礦如表3所示。

表3 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)

3.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)烏拉根礦區(qū)目前的開采情況及整個(gè)礦體的賦存情況及其圍巖分布狀態(tài)，將其劃分為灰?guī)r、泥巖、砂巖、長(zhǎng)石砂巖以及石膏5個(gè)巖組。前期對(duì)這5個(gè)巖組開展了大量巖石力學(xué)方面的研究，并進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[9,10]以及工程類比的方法確定了計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)，如表4所示。利用Slide軟件計(jì)算當(dāng)前邊坡不同工況條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。其中剖面A、B屬于Ⅰ-1區(qū)，剖面C、D、E屬于Ⅰ-2區(qū)，剖面F屬于Ⅱ區(qū)，剖面G、H屬于Ⅲ-1區(qū)，剖面I屬于Ⅲ-2區(qū)，剖面J屬于Ⅲ-3區(qū)，剖面K屬于Ⅳ區(qū)。

表4 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

表5 不同計(jì)算工況下的安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明：在工況1和2條件下，除J剖面不滿足1.2的安全系數(shù)要求外，其余各剖面均滿足要求且存在較高的安全儲(chǔ)備，邊坡穩(wěn)定性狀況良好。在工況三條件下，受礦區(qū)高地震烈度影響，各計(jì)算剖面邊坡安全系數(shù)較工況一、工況二均大幅下降。其中A、B、E、I、K剖面安全系數(shù)大于允許值1.15，且具有一定的安全儲(chǔ)備，存在進(jìn)一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面邊坡安全系數(shù)正好滿足要求，可維持原有邊坡角設(shè)計(jì)不變；C、H、J剖面安全系數(shù)不滿足要求，存在較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，需適當(dāng)降低邊坡角以提高邊坡穩(wěn)定性。

3.3 最終優(yōu)化結(jié)果

為進(jìn)一步確定各段最終邊坡角最優(yōu)參數(shù)，并分析其合理性，對(duì)不同整體邊坡角邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，由于礦區(qū)位于地震多發(fā)地，地震動(dòng)峰值加速度較大，工況三條件下安全系數(shù)遠(yuǎn)低于其余兩種工況，因此在對(duì)邊坡參數(shù)優(yōu)化過(guò)程時(shí)，僅對(duì)工況三進(jìn)行分析。優(yōu)化得到的邊坡角度如表6所示。

表6 各剖面優(yōu)化角度

通過(guò)對(duì)4個(gè)地質(zhì)分區(qū)共11個(gè)邊坡剖面進(jìn)行計(jì)算分析，并綜合分析礦山服務(wù)年限及礦區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)，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)表7所示。

表7 各區(qū)域邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，Ⅰ-1區(qū)域增加1.3°，Ⅲ-2區(qū)域增加2.4°，Ⅳ區(qū)域增加1.6°，I-2、Ⅱ區(qū)域角度不變，Ⅲ-1降低1.5°，Ⅲ-3區(qū)域降低2.7°。各分區(qū)幫坡角同時(shí)優(yōu)化后，礦石量增加285萬(wàn)t，巖石量減少334萬(wàn)t。

4 結(jié)語(yǔ)

在充分考慮地震偶發(fā)性的前提下，通過(guò)收集相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，并優(yōu)化邊坡角及邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要研究結(jié)論如下：

1)對(duì)烏洽地區(qū)近幾十年地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，確定了烏拉根鉛鋅礦在不同年限下發(fā)生地震的概率，并通過(guò)分析確定了本次計(jì)算所選取的地震加速度值，為0.8 g。

2)在當(dāng)前邊坡條件下，各區(qū)域在工況1和2條件下，邊坡穩(wěn)定性良好，具有較高的安全儲(chǔ)備；在工況3條件下：A、B、E、I、K剖面存在進(jìn)一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面維持原有邊坡角設(shè)計(jì)不變；C、H、J剖面存在較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，需適當(dāng)降低邊坡角以提高邊坡穩(wěn)定性。

3)在考慮地震工況條件下，確定各個(gè)區(qū)域的最終邊坡角最優(yōu)參數(shù)。各區(qū)域幫坡角同時(shí)優(yōu)化后，礦石量增加285萬(wàn)t，巖石量減少334萬(wàn)t。