基于边坡稳定性研究的露天开采境界优化

许永权 王宏亮 邹 平 马 增

(1. 万宝矿产有限公司，北京 西城 100053；2. 长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

0 引言

露天开采境界的圈定是整个露天矿山开采设计的基础，它决定了矿山的服务年限、生产规模、矿岩总量、矿山建设投资和开采成本等多个方面[1]。影响露天境界圈定的主要因素包括矿体品位及分布特征、技术经济指标和露天边坡参数等。在其他因素相同的条件下，边坡参数就显得至关重要，合理的边坡参数一方面能够确保边坡的稳定，防止巨大的人员伤亡和经济损失，从源头上避免了重大安全事故的发生[2]；另一方面能够节约成本，提高矿山开采经济效益。边坡角提高1°，相应就能够减少大量的剥离量，降低废石的剥离、运输和堆排费用，增加矿山的服务年限[3]。

以刚果(金)加丹加省利卡西市境内的某铜钴矿露天采场为研究对象，通过开展露采边坡现场踏勘、工程地质补充勘察、露天爆破振动测试、室内外岩石力学实验及边坡稳定性计算分析等多项研究工作[4]，进而根据采场边坡稳定性研究成果对原设计的露天开采境界进行优化调整，达到安全与经济的较好平衡。

1 矿区概况

1.1 矿体特征

矿区由9大矿体(细分为12个矿体)组成，此次研究的矿体位于矿区中南部，为一独立的菱形地层碎块。矿体主要赋存于R2段地层内，主要分为S1、S2、S3三个矿体，矿体走向NE，长约210 m，倾向SE，平均倾角43°，矿体平均厚度34 m。

1.2 工程地质条件

矿区地层岩性复杂，岩溶作用中等，构造破碎带发育，岩层风化带厚度大，岩性破碎。含水层分布广，厚度大。地下水水力性质属潜水区，静水压力不大。底板岩性坚硬，岩体完整或较完整，岩层稳定性好，但是顶板的完整程度相对较差，局部地段易发生矿山工程地质问题。矿区工程地质条件属中等类型。

1.3 水文地质条件

矿区地表大部分被第四系松散堆积物所覆盖，第四系厚度薄，多为透水不含水层，对矿床开采时充水影响不大。矿床充水岩层为白云岩系的岩溶含水层，裂隙、溶洞发育，富水性强。矿区水文地质条件属于岩溶含水层充水，以溶洞、裂隙为主，顶、底板直接进水，水文地质条件为中等复杂类型的岩溶充水矿床。

1.4 设计概况

设计的开采方式为露天开采，设计矿石生产能力为3 000 t/d，服务年限约4.5年。露天开采的主要参数为：1)终了边坡角为上盘1 400 m标高以上为43°，1 400 m以下为45°，矿体下盘为44°；2)台阶高度为12 m(终了台阶高度为两台阶并段，高24 m)；3)终了台阶坡面角为65°；4)安全平台宽为4 m、6 m、8 m；5)清扫平台宽为12 m、16 m；6)坑底标高为1 264 m；7)最高开采标高为1 512 m；8)封闭圈标高为1 432 m。

2 边坡稳定性分析

2.1 许用安全系数选取

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)的规定[5]：该采场最终边坡最高248 m，边坡安全等级为II级，并根据该露天边坡的工程地质、水文地质以及开采的服务年限等特点，确定3种工况下的许用安全系数[K]分别为：

自重+地下水：K=1.20

自重+地下水+爆破振动力：K=1.15

自重+地下水+地震力：K=1.10

2.2 工程地质分区与分析剖面

为了得到边坡不同位置的合理边坡角，依据“边坡所处位置、边坡高度、岩体优势结构面产状及与边坡的组合关系”三大要素，并在初步设计的露天境界终了平面图基础上，将露天境界分为四个工程地质区：A、B、C、D区，其中A区边坡垂直高度最高：248 m，D区边坡垂直高度最低：204 m。每一分区选择2～3典型剖面，分别为：A1-A3、B1-B2、C1-C2、D1-D3分析剖面。各分区位置和分析剖面位置，见图1。

图1 工程地质分区及分析剖面布置图

2.3 计算参数

1)地震：矿区所属地区抗震设防烈度为6°，设计基本地震加速度为0.05 g。

2)爆破：通过对该采场露天边坡现场实测的爆破震动的有关参数进行回归，对边坡稳定性分析计算过程中的爆破震动影响系数Kc取值为：Kc=0.074。

3)地下水：该露天采场地下水位标高在1 350～1 390 m之间，采用有限元的方法来计算地下水渗流对边坡的稳定性影响，确定的边坡地下水位线自动加到极限平衡分析中。

2.4 计算方法

由于简化Bishop方法在圆弧滑动状态下和Morgen-Prince法在非圆弧滑动状态下所求的边坡安全系数值可反映边坡稳定性的实际状态，具有计算速度快且结果可靠等优点，故以这两种方法的计算结果作为为本次稳定性研究的依据。

2.5 计算方案

1)首先分析10个剖面的边坡角为45°和50°情况时，边坡的稳定性情况，判断各稳定性分区边坡的最危险剖面。

2)对各稳定性分区的最危险剖面按照46°～49°边坡角分别进行进一步细化分析，计算边坡角增减情况下的稳定性分析。

3)通过对比各种边坡角情况下的稳定性，从而得出该露天边坡各分区设计采深的合理边坡角。

4)分析将设计境界延深12 m和24 m时边坡的稳定性情况，从边坡稳定性方面给出延深的建议。

2.6 计算结果

10个分析剖面的边坡角为45°和50°情况时安全系数计算结果见图2和图3，A3剖面在整体边坡角为45°～49°时的安全系数计算结果见图4。

图2 各剖面45°边坡角安全系数图

图3 各剖面50°边坡角安全系数图

图4 A3剖面不同边坡角下安全系数图

1)从分析结果可以看出各区中最危险的剖面为A3、B1、C2、D1，因此选择这4个剖面进一步细化安全系数的计算；从最危险的剖面判断4个稳定性分区的稳定程度依次为B>C>A>D。

2)随着边坡角的增大，边坡安全系数呈逐渐降低趋势，工况II(自重+地下水+爆破振动力)时各剖面(圆弧形)的安全系数最低(A3剖面为非圆弧形最低)。

3)爆破对边坡安全系数降低约9.2%～11.4%左右。

4)地震对边坡安全系数降低约6%～8%左右。

5)D区边坡受地下水影响较大，在开采过程中必须加强排水措施。

6)该露采边坡角推荐如下：

A区整体边坡角47°～48°，台阶高度12 m或24 m时，坡面角均为65°～70°；延深12 m，减小爆破药量且采用预裂爆破情况下，可维持47°～48°；延深24 m，降低为45°～46°。

B区整体边坡角49°～50°。台阶高度12 m或24 m时，坡面角均为65°～70°；延深12 m，减小爆破药量且采用预裂爆破情况下，可维持49°～50°；延深24 m，降低为47°～48°。

C区整体边坡角47°～48°。台阶高度12 m时，坡面角为65°～70°；台阶高度24 m时，坡面角为60°～65°；延深12 m和24 m，减小爆破药量且采用预裂爆破情况下，可维持47°～48°。

D区整体边坡角46°～47°。台阶高度12 m或24 m时，坡面角均为65°～70°；延深12 m和24 m，减小爆破药量且采用预裂爆破情况下，可维持46°～47°。

3 境界优化

3.1 地质模型更新

依据生产探矿结果对该铜钴矿矿体地质模型进行了更新，模型图见图5，资源量统计见表1。该地质模型中，该矿体资源量分为331、332和333级别，其中332以上级别占全部资源量的83.2%。截止当前，地质模型中该矿体资源量为523.29万吨(边界品位TCu为0以上)，平均地质品位Cu为1.22%，Co为0.524%。

图5 地质模型图

表1 地质模型资源量统计

3.2 境界圈定

根据拟定的技术经济参数指标和边坡稳定性研究成果中的边坡参数，采用MINTEC公司的MineSight 3D矿业软件优化露天境界，软件使用LG法计算境界，以境界内所含矿石的“净现值最大”作为判断最优境界的标准。该矿体优化后的终了境界三维视图，见图6，圈定境界的参数为：1)台阶高度12 m(终了台阶高度为两台阶并段，高24 m)；2)终了台阶坡面角为65°；3)平台宽度为4 m、6 m、8 m、10 m、14 m；4)运输道路宽度为双线14 m，单线10 m；5)道路纵坡一般为8%，最大纵坡9%～10%；6)道路缓坡段长60 m，下部台阶为30 m～40 m；7)道路布线方式为螺旋坑线；道路最小转弯半径20 m。8)该露天境界矿石出入沟口标高1 420 m，废石出入沟口标高1 454 m，坑底标高为1 240 m，最高开采标高为1 479 m，封闭圈标高为1 420 m。

露天开采终了境界内可采矿石量402.14万吨，均为硫化矿石，平均地质品位Cu=1.37%，Co=0.589%，剥离废石量2 021.40万吨，平均剥采比为5.03 t/t。

图6 南Ⅱ采场终了境界平面图

3.3 优化前后境界对比

最优境界与原设计境界对比见图7，本次优化境界较原设计境界幅面范围更大，尤其出入沟口右侧的位置，因原设计所用地质模型此块区域未有圈矿，而新模型考虑了此块区域的的矿石量，所以此次最优境界在此位置有明显外扩，如图7中所示。

新境界将原设计的露天坑底向下延伸了两个台阶(24 m)，由1 264 m下降到1 240 m，优化后的境界与原设计境界相比多采出矿量约多采出矿量约181.14万吨，延长矿山服务年限近2年，多采出的矿石平均品位为Cu平均品位0.92%、Co平均品位0.346%；同时，因提高了整体边坡角(由原设计边坡角43°～45°提高到46°～50°)，减少了废石剥离量370万吨。项目的实施有效的提高了资源回收利用率，产生了良好的经济效益。

图7 最优境界与原设计境界对比图

4 结语

1)采用极限平衡分析方法对某铜钴矿露天采场边坡稳定性进行了分析，得到了在设计采深下A区整体边坡角47°～48°，B区整体边坡角49°～50°，C区整体边坡角47°～48°，D区整体边坡角46°～47°。同时对向下开采延深12 m和24 m进行了分析，得到了A区和B区延深12 m时，在降低爆破振动的情况仍能维持原来角度，但延深24 m时边坡角度需降低1°～2°；C区和D区延深12 m和24 m，在降低爆破振动的情况都能维持原来角度。

2)以边坡稳定性研究结论和新解译矿体模型为基础，对该露天采场境界进行了多次优化调整，最终确定将原设计的露天坑底向下延伸了两个台阶(24 m)，优化后的境界与原设计境界相比多采出矿量约181.14万吨，延长矿山服务年限近2年，减少废石剥离量370万吨。

3)提出了基于边坡稳定性分析的“矿体三维模型构建-边坡稳定性研究-资源量估算-境界优化-采矿设计”的露天开采境界优化方法，在确保边坡稳定的基础之上，尽可能多开采矿石，提高矿山的经济效益。该研究成果研究可推广到其他类似露天矿山。