巴基斯坦山达克铜金矿露天边坡稳定性与参数优化研究

储士超，王飞飞，王 旭

(1.中冶集团资源开发有限公司，巴基斯坦 俾路支省省会奎塔；2.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012)

露天矿开采矿体，边坡角对经济效益和安全有很大的影响[1-3]。为了得到露天采场边坡最优参数，有很多学者开展了露天边坡参数优化研究。张端等[4]依托司家营铁矿为研究背景，开展了采场道路、贯通受限制区域优化研究。母传伟等[5]结合宏大铁矿生产实际情况，深入分析研究和对比矿山各种开拓运输方式特点，依次解决了宏大铁矿开拓运输方案优化的4个核心问题。蔡美峰等[6]针对大顶铁矿露天采场边坡岩体强度低、稳定性差的特点，采用符合现代岩石力学原理的数值模拟和极限平衡相结合的方法，进行边坡稳定性和设计优化研究，并推荐了总体边坡角比原设计平均提高3°以上。范文臣[7]基于DIMINE-AutoCAD-SLIDE分析流程，综合考虑地下水、爆破和岩土自重的影响采用极限平衡法对边坡进行稳定性分析，运用自动搜索方法搜索最危险滑动面和最小安全系数。最后对露采边坡进行了详细的参数优化。通过以上学者的研究内容可知，边坡参数优化对矿山安全高效开采十分重要。本文依托巴基斯坦俾路支省(Baluchistan)查盖地区的山达克(Saindak)铜金矿，开展边坡稳定性与参数优化研究。

1 矿山概况

山达克(Saindak)铜金矿区位于巴基斯坦俾路支省(Baluchistan)查盖地区。矿区西部、南部与伊朗相邻，距边界最近约18 km；北部与阿富汗相邻，距边界最近约40 km。

1.1 矿区地层

矿区属于典型的钙碱性系列斑岩型铜矿床，按照岩体及矿化集中区划分为南、东、北三个矿体，其中南矿体与东矿体相邻，北矿体位于二者的北侧约1.5 km处。区内含矿岩体在地表呈港湾状与围岩接触，出露3个较大的岩株(枝)，总体呈近南北向分布，构成不规则的“葫芦”形。北矿体岩体呈岩枝产出，南矿体和东矿体岩体呈岩株产出。矿区出露地层主要为第四系(Q)、第三系渐新统Amalaf组(E3a)和第三系始新统Saindak组(E2s)，除第四系(Q)外均有云英闪长斑岩岩体(岩株)及安山斑岩、闪长斑岩岩脉和岩墙侵入。其中Saindak组(E2s)是矿区含矿斑岩体的主要侵入地层。

1.2 矿区构造

矿区位于区域性的Amalaf向斜与Saindak断裂、Amalaf断裂交汇部位，断裂构造较发育且复杂，次级褶皱不发育。此外，通过地表实地考察，在矿区外围发现数条断裂。断裂通过地段岩石破碎，可见构造角砾岩，角砾成分以凝灰岩、粉砂岩为主，次棱角状，硅质、铁泥质胶结，胶结较紧密，破碎带宽0.8～1.0 m，断裂性质不清。

1.3 水文地质

结合南矿体及北矿体相关勘探资料进行类比，山达克铜金矿区东矿体属以大气降雨补给、构造裂隙弱含(透)水层直接充水为主的矿床，地处干旱炎热、少雨的亚热带沙漠地带，矿体位于丘陵河床地带，主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，无常年地表水体，第四系厚度较小，地下水补给条件差。矿区水文地质勘探的复杂程度为简单类型。

1.4 边坡设计参数

开采最高标高962 m、最低标高638 m，开采深度324 m，共27个台阶，封闭圈标高约940 m，露天开采最终境界上口尺寸约940 m×730 m、下口尺寸为约180 m×80 m。台阶高度12 m，开采到界后，台阶并段，最终高度24 m，最终台阶坡面角约70°，最终并段台阶坡顶底线水平距约10～12 m，并段后设宽度10～12 m安全清扫平台。露天境界最终边坡角为43°(926 m标高以上)、45°(926 m标高以下)，风化层侵入标高约926 m。

2 极限平衡分析

2.1 分析剖面

计算剖面布置见图1所示，选取的8个工程地质剖面如图2所示。

图1 计算剖面布置图Fig.1 Calculation section layout

图2 计算剖面图Fig.2 Calculation section

2.2 分析工况

对8个剖面进行三种受力工况的分析：工况Ⅰ：自重+地下水(无地震)；工况Ⅱ：自重+地下水+爆破振动力；工况Ⅲ：自重+地下水+地震(Ⅶ)。

确定3种工况下的许用安全系数[K]分别为：自重+地下水[K]=1.25；自重+地下水+爆破振动力[K]=1.18；自重+地下水+Ⅶ度地震力[K]=1.10～1.15。剖面计算所得的安全系数K>[K]时属稳定；1

2.3 分析参数选取

极限平衡分析中采用的力学参数见表1。

表1 岩体介质的力学参数

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)与《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)规定及山达克铜金矿相关资料，矿区所属地区抗震设防烈度相当于我国7度地震带，设计基本地震加速度为0.1 g。根据《有色金属采矿设计规范》(GB50771—2012)所示，地震烈度为6度及以上地区，应研究分析地震对边坡稳定性的影响。通过计算可得矿区水平设计地震加速度：K=0.075；根据《水工建筑抗震设计规范》，对于垂直设计地震加速度参数可以采用水平设计地震加速度参数的1/3，K=0.025。

本次进行边坡稳定性计算分析时，采用距最终边坡60 m时的爆破震动影响系数Kc=0.059。

3 计算结果分析

3.1 设计参数下边坡稳定性

3.1.1 工况I

在自重+地下水条件下，分别对山达克铜金矿东矿体设计露天边坡稳定性状况进行分析研究，计算结果如表2所示。

表2 工况I边坡稳定性计算结果

3.1.2 工况Ⅱ

在自重+地下水+爆破振动力条件下，分别对山达克铜金矿东矿体设计露天边坡进行稳定性状况的分析研究，计算结果如表3所示。

表3 工况Ⅱ边坡稳定性计算结果

3.1.3 工况Ⅲ

在自重+地下水+地震力条件下，分别对山达克铜金矿东矿体设计露天边坡稳定性状况进行分析研究，计算结果如表4所示。

表4 工况Ⅲ边坡稳定性计算结果

3.2 设计边坡参数优化

A剖面坡顶标高+926 m，坡底标高+638 m，边坡高288 m，整体边坡角44°，为无水的干涸无张裂隙边坡。该边坡设计剖面计算得到工况三条件下的安全系数为1.182，大于允许值1.15，因此该剖面可以进行优化研究，提高边坡的整体边坡角。通过计算不同边坡角，得到了多种计算方法下的安全系数如表5所示。计算剖面较多，版面有限，本文仅展现剖面A的计算安全系数。

表5 A剖面不同边坡角稳定性计算结果

4 结论

通过采用Slide软件计算得到了A～H剖面在三种工况下的安全系数。在工况Ⅰ条件下8个剖面的安全系数均大于安全标准1.20，所以在工况Ⅰ条件下各个边坡均处于稳定状态。同理，在工况Ⅱ与工况Ⅲ条件下，8个剖面的安全系数均大于允许值，其中工况Ⅲ条件下C剖面安全系数为1.151，安全系数正好满足要求，进一步优化的空间较小，其他7个剖面均具有一定的安全储备，均可适当进行边坡角优化。

通过对8个边坡剖面进行计算分析，得出了边坡各剖面最优边坡角结构参数，并根据工程地质分区，推荐各分区边坡结构参数如下：

1)A、B、C、E、F、G剖面整体边坡角为46°，即Ⅰ区、Ⅲ区边坡整体边坡角46°；2)D、H剖面整体边坡角为45°，即Ⅱ区、Ⅳ区边坡整体边坡角45°。