易先良

（甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司甕福磷礦）

目前，隨著露天開(kāi)采深度的逐步增加，許多礦山已形成高陡邊坡，采場(chǎng)邊坡失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生，超采問(wèn)題逐漸凸顯，需要以穩(wěn)定性為前提，對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)［1-2］。隨著露天開(kāi)采揭露的地層越來(lái)越多，更多的地質(zhì)信息被獲取，從而很有必要對(duì)礦山邊坡巖體工程重新進(jìn)行穩(wěn)定性分級(jí)與優(yōu)化［3-4］，以達(dá)到更好的安全和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，可以為邊坡不穩(wěn)定地段防治的精細(xì)決策提供依據(jù)［5-7］。

本研究針對(duì)穿巖洞礦露天采場(chǎng)邊坡存在的問(wèn)題，在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用數(shù)值模擬對(duì)優(yōu)化后的邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為礦山后期精細(xì)化開(kāi)采和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 工程概況

甕福磷礦穿巖洞礦為露天開(kāi)采礦山，礦區(qū)南北長(zhǎng)2.4 km，東西寬1.4 km，面積約為3.36 km2。穿巖洞礦位于白巖礦段南部，礦體為背斜產(chǎn)出，呈南北走向、東西傾向。礦體為層狀（A 層和B 層），平均厚度為16.855 m，礦床埋藏深，剝采量大。目前，穿巖洞露天礦采場(chǎng)最高生產(chǎn)標(biāo)高為1 392 m，最低標(biāo)高為996 m，開(kāi)采露天坑南北長(zhǎng)約1 650 m，東西寬約1 010 m，臺(tái)階高度為12 m，個(gè)別平臺(tái)進(jìn)行了并段。本次研究的區(qū)域?yàn)椴蓤?chǎng)的東南幫和南幫邊坡，現(xiàn)生產(chǎn)標(biāo)高在1 080～1 392 m，垂直高差為312 m。

甕福磷礦穿巖洞礦經(jīng)過(guò)近10 a的開(kāi)采，因?qū)嶋H開(kāi)采順序發(fā)生變化，導(dǎo)致邊坡參數(shù)計(jì)算初始條件有所改變。同時(shí)，原設(shè)計(jì)中穿巖洞礦各區(qū)邊坡只按分區(qū)進(jìn)行了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，部分邊坡安全系數(shù)偏大，存在優(yōu)化空間。且按照原設(shè)計(jì)方案繼續(xù)開(kāi)采，南幫將存在一定超采問(wèn)題。因此，需要對(duì)東南幫與南幫終了邊坡重新進(jìn)行優(yōu)化。

2 采場(chǎng)邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性計(jì)算

南幫和東南幫終了邊坡原設(shè)計(jì)最終邊坡角均為42°。在待優(yōu)化區(qū)域選取10 條剖面對(duì)終了邊坡進(jìn)行優(yōu)化，具體剖面位置見(jiàn)圖1。考慮礦山開(kāi)采工藝及設(shè)備保持不變，優(yōu)化平臺(tái)寬度和臺(tái)階高度維持原設(shè)計(jì)不變，分別為10 和24 m，以安全、不超采和經(jīng)濟(jì)性為基準(zhǔn)，尋找最優(yōu)臺(tái)階坡面角和最終邊坡角。

參照相應(yīng)規(guī)范，穿巖洞礦邊坡工程安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，其安全系數(shù)限值為1.15～1.25。爆破是露天礦生產(chǎn)的常態(tài)，而地震是一種偶發(fā)瞬時(shí)荷載，規(guī)范中指出，考慮地震時(shí)其安全系數(shù)限值可適當(dāng)降低。為此，在自重工況下邊坡評(píng)價(jià)為“穩(wěn)定”時(shí)取區(qū)間上限值1.25，自重+爆破工況下取值1.23，在自重+地震工況下則取區(qū)間下限值1.15。據(jù)此，本次計(jì)算安全系數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

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2.1 東南幫邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

東南幫不存在超界問(wèn)題，同時(shí)原設(shè)計(jì)邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)較大（臺(tái)階坡面角55°，最終幫坡角42°），具有優(yōu)化空間，目標(biāo)是通過(guò)增大臺(tái)階坡面角來(lái)提高整體邊坡角。

利用GeoStudio 軟件計(jì)算剖面的邊坡安全系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，研究區(qū)段內(nèi)的邊坡巖體主要為陡山沱組白云巖，邊坡白云巖RMR 值介于50～60，礦體介于53～55，所使用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。采用Bishop Simplified（簡(jiǎn)化畢肖普法）與Morgenstern-price（摩根斯坦-普拉斯法）2 種極限平衡法，在自重條件下，計(jì)算出各剖面的安全穩(wěn)定性系數(shù)。圖2 為東南幫新增4#剖面計(jì)算結(jié)果。

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參考穿巖洞礦已靠幫邊坡角情況，提出不同優(yōu)化方案進(jìn)行比選。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，通過(guò)整體增大臺(tái)階坡面角進(jìn)而提高最終邊坡角不適用于東南幫邊坡，因此本研究提出上緩下陡兩段式與上緩下陡中間過(guò)渡三段式2 種變角度優(yōu)化方案。因1 164 m 平臺(tái)有斷層出露，需要考慮斷層的影響，故上緩下陡分界線以1 164 m 平臺(tái)為界，即下部996～1 164 m 采用陡幫開(kāi)采，上部1 164 m 平臺(tái)至坡頂采用緩幫開(kāi)采。在考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況下，通過(guò)極限平衡法廣泛計(jì)算對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，所有剖面在下部陡幫開(kāi)采采用65°臺(tái)階坡面角的情況下已經(jīng)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)，方案中上緩下陡兩階段區(qū)域在下陡65°、上緩59°，上緩下陡中間過(guò)渡三階段區(qū)域在下陡65°、中間過(guò)渡56°/59°、上緩43°時(shí)，各剖面在相應(yīng)工況下的安全系數(shù)均滿足或超過(guò)“穩(wěn)定”的安全系數(shù)要求。部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

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按照優(yōu)化后的邊坡參數(shù)進(jìn)行開(kāi)采，每個(gè)剖面平均單位長(zhǎng)度減少的剝離量均在1萬(wàn)m3以上，經(jīng)濟(jì)效益良好，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

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2.2 南幫邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算，為保證不超采（終了開(kāi)采境界在礦權(quán)界線內(nèi)），主要調(diào)整新增8#剖面，其頂界控制點(diǎn)至少應(yīng)回縮75.58 m。為此，本研究的優(yōu)化目標(biāo)：①滿足南幫采場(chǎng)邊界不超界，縮回至礦權(quán)界限內(nèi)；②確保調(diào)整后的南幫、東南幫采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定；③提升經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)計(jì)算，在頂界控制點(diǎn)回縮75.58 m 但底界不變時(shí)，最終邊坡角為48.13°，此時(shí)其自重條件下的安全系數(shù)為1.21，小于1.25，不滿足“穩(wěn)定”條件，在爆破振動(dòng)與地震工況下同樣如此。故僅回收頂界而底界不變無(wú)法滿足安全穩(wěn)定條件，因此，需將其底部回縮。經(jīng)過(guò)廣泛計(jì)算，當(dāng)8#剖面底部邊界向坑內(nèi)回收20.83 m 時(shí)（圖3），安全系數(shù)滿足各工況安全穩(wěn)定要求。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)極限平衡法計(jì)算，若將南幫作為整體進(jìn)行優(yōu)化，臺(tái)階坡面角統(tǒng)一取59°時(shí)，即可保證整個(gè)南幫區(qū)域在不超界的情況下，滿足安全穩(wěn)定條件。但當(dāng)采用這種整體優(yōu)化方式時(shí)，雖在安全性上已符合要求，但并不是最經(jīng)濟(jì)的方案。在保證安全穩(wěn)定性的前提下，盡量減少礦山的剝離量，選擇了上緩下陡分段式變角度優(yōu)化方案?；诘V山地質(zhì)條件，南幫區(qū)域若要實(shí)現(xiàn)整體分段設(shè)計(jì)，應(yīng)以斷層出露的1 164 m 平臺(tái)為界，上段臺(tái)階坡面角應(yīng)≤59°，下段臺(tái)階坡面角應(yīng)≥62°，才能不超過(guò)各剖面的最大允許臺(tái)階邊坡角。但通過(guò)極限平衡法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下段臺(tái)階坡面角＞65°時(shí)，新增7#剖面的安全系數(shù)不滿足要求。為保證南幫邊坡的穩(wěn)定與不超采，南幫最優(yōu)方案建議采用上緩56°下陡65°的分段式開(kāi)采方案，此時(shí)不僅能滿足南幫不超采和安全穩(wěn)定，同時(shí)該方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于整體式優(yōu)化方案。如表5所示，與整體式優(yōu)化方案相比，分段式能減少更多剝離量，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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因此采用上分段（1 164 m平臺(tái)以上）臺(tái)階坡面角56°、下分段（996～1 164 m 平臺(tái)）臺(tái)階坡面角65°的分段式剝離回采方案時(shí)，可以同時(shí)滿足開(kāi)采不超界、安全且更經(jīng)濟(jì)的要求，優(yōu)化后南幫邊坡參數(shù)如表6 所示。上緩下陡分段式優(yōu)化方案相比原設(shè)計(jì)方案每單位長(zhǎng)度共減少剝離總量7 993 m3。

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3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

基于前述優(yōu)化方案，建立優(yōu)化后的三維數(shù)值模擬模型，研究整體邊坡的穩(wěn)定性情況，確保調(diào)整后的南幫、東南幫采場(chǎng)邊坡安全。

3.1 模型的建立

本研究中采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析所需的三維數(shù)值模型采用Midas GTS 創(chuàng)建生成，通過(guò)3DMine 數(shù)字礦山軟件構(gòu)建的三角網(wǎng)模型與Midas GTS 數(shù)值分析軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模并進(jìn)行網(wǎng)格剖分，最后導(dǎo)入有限差分計(jì)算軟件FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算。圖4為最終形成的穿巖洞采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析FLAC3D三維數(shù)值模型，模型X方向尺寸為1 613 m、Y方向尺寸為1 652 m，由140 余萬(wàn)個(gè)四面體、六面體單元混合形成。建模完成并進(jìn)行地應(yīng)力平衡后，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終境界進(jìn)行模擬，分析穿巖洞礦露天開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力、位移的分布規(guī)律。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型與參數(shù)

研究區(qū)段內(nèi)的邊坡巖體主要為陡山沱組白云巖，數(shù)值模擬所采用的巖體力學(xué)參數(shù)采用表1中的數(shù)據(jù)。重力加速度設(shè)置為9.8 N/kg。模型除了地表自由面以外，其余各面均采用位移約束作為邊界條件。模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 位移場(chǎng)

從位移變化計(jì)算結(jié)果（圖5）來(lái)看，按推薦最優(yōu)方案設(shè)計(jì)回采時(shí)，其危險(xiǎn)區(qū)域集中于東南幫邊坡較高位置，南幫區(qū)域未出現(xiàn)明顯的位移變形。因此，所推薦的最優(yōu)方案對(duì)于南幫開(kāi)采滿足要求；對(duì)于東南幫，由于邊坡總體坡高較高，1 188 m 平臺(tái)以上依然屬于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其變形相對(duì)明顯，剝離回采應(yīng)盡可能減少工 程擾動(dòng)，并做好該區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息反饋。

3.3.2 應(yīng)力場(chǎng)

圖6 為按推薦最優(yōu)方案開(kāi)采至終了境界時(shí)，采場(chǎng)邊坡應(yīng)力分布云圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化開(kāi)挖區(qū)域最大主應(yīng)力主要集中于露天坑坑底位置，邊幫體上未出現(xiàn)最大剪應(yīng)力集中，也沒(méi)有出現(xiàn)最大剪應(yīng)力區(qū)貫通現(xiàn)象，根據(jù)最大剪應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，優(yōu)化后的采場(chǎng)邊坡不會(huì)發(fā)生規(guī)模性失穩(wěn)。

3.3.3 剪變場(chǎng)

由圖7 可知，最大剪應(yīng)變發(fā)生在采場(chǎng)東南幫邊坡新增2#～4#剖面底部，該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，新增2#與原21+150#剖面上的最大剪應(yīng)變?cè)隽烤淮?，分別為6.97×10-2與6.40×10-2。同時(shí)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，研究區(qū)域的安全系數(shù)為1.316，滿足安全穩(wěn)定要求，所推薦優(yōu)化方案基本能維持穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）東南幫終了邊坡采用上緩下陡兩段式與上緩下陡中間過(guò)渡三段式2種分段優(yōu)化方案，方案中臺(tái)階剖面角在下陡65°、上緩59°的兩階段，在下陡65°、中間過(guò)渡56°/59°、上緩43°的三階段時(shí)，各剖面在相應(yīng)工況下的安全系數(shù)均滿足要求，同時(shí)每剖面平均單位長(zhǎng)度減少的剝離量均將在1萬(wàn)m3以上，經(jīng)濟(jì)效益良好。

（2）南幫終了邊坡采用上緩下陡兩段式分段優(yōu)化方案，同時(shí)為解決終了邊坡超界問(wèn)題，新增8#剖面頂界控制點(diǎn)回縮75.58 m，底部邊界向坑內(nèi)回收20.83 m。方案中兩階段區(qū)域臺(tái)階剖面角在上緩分段56°、下陡分段65°的分段式剝離回采方案時(shí)，可同時(shí)滿足開(kāi)采不超界并安全穩(wěn)定的要求，并且優(yōu)化方案每剖面平均單位長(zhǎng)度減少剝離量數(shù)千方。

（3）根據(jù)穿巖洞采場(chǎng)邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，南幫、東南幫最終邊坡角若從42°提高至最優(yōu)推薦方案最終邊坡角，安全系數(shù)為1.316，滿足安全穩(wěn)定要求，推薦的最優(yōu)方案能保證整個(gè)區(qū)域的穩(wěn)定。從位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等結(jié)果分析可知，在東南幫新增2#～4#剖面邊坡位置發(fā)生較大變形位移風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，此區(qū)域回采剝離時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理力度。