某铜硫矿露天采剥优化与边坡稳定性研究

习泳 ，邹平，杨盛凯

(1.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；3.长沙瀚洋环保技术有限公司， 湖南 长沙 410005)

某铜矿床为铁铜硫多金属矿床。矿区于 2016年7月完成了初步设计，但实际生产过程出现了采剥不协调的情况，且随着生产探矿的进行，矿山对地质模型进行了更新。为指导生产，需在原初步设计的最终露天境界范围内，对采矿生产根据新的地质模型进行优化更新，并以此为依据进行采剥计划优化。

采剥优化工作能在近期内降低生产剥采比，减少当期剥离量，降低剥离费用。根据采场前期的采剥工作，二级矿量已有一定储备，实现分期开采具备一定的有利条件。矿山首采区开采矿石较为集中在矿石剥离量较少的地段，从而降低了近些年的剥离量。

为了解决某铜矿实际生产过程中采剥不协调的问题，开展了露天采场采剥优化与边坡稳定性研究。通过本次采剥优化设计，以及对有效硫的合理利用，均衡了出矿品位，保证每年采出铜矿石品位维持在0.45%～0.47%，品位相对较高，浮动较小，确保了企业的前期经济效益。

1 采剥优化设计

1.1 原露天开采设计

原设计的开采境界内矿岩总量为 12 633×104m3，矿石量5759.1×104t，其中铜矿石量4383.0×104t，平均地质品位：Cu=0.55%，有效S=16.75%；硫矿石量1207.7×104t，平均地质品位：Cu=0.12%，有效S=15.54%；岩土量10 882×104m3；平均剥采比4.9 t/t。

1.2 优化方法

采用优化程序进行了露天开采境界的优化圈定。矿业软件的露天境界优化工作程序见图1。

图1 露天境界优化工作程序

1.3 优化设计

（1）开采第 1年采剥范围。剥离：北部西帮829 m以上台阶靠最终帮，829 m台阶和817 m台阶为第2年剥离准备台阶；中部及南部西帮793 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮793 m台阶和781 m台阶为第2年剥离准备台阶；东部剥离集中在709 m台阶、697 m台阶、685 m台阶和673 m台阶，其中北部东帮661 m以上台阶靠至最终帮。

采矿：北部、中部和中南部685 m台阶、673 m台阶、661 m台阶和649 m台阶为出矿台阶。

（2）开采第 2年采剥范围。剥离：北部西帮793 m以上台阶靠最终帮，793 m台阶、781 m台阶和769 m台阶为第2年剥离准备台阶；中部及南部西帮745 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮745 m台阶、733 m台阶和721 m台阶为第2年剥离准备台阶；东部剥离集中在685 m台阶、673 m台阶和661 m台阶。

采矿：北部、中部和中南部673 m台阶、661 m台阶、649 m台阶和637 m台阶为出矿台阶。

（3）开采第 3年采剥范围。剥离：北部西帮757 m以上台阶靠最终帮，757 m台阶、745 m台阶、733 m台阶、721 m台阶和709 m台阶为第2年剥离准备台阶；中部及南部西帮745 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮745 m台阶和733 m台阶为第2年剥离准备台阶；东部剥离集中在697 m台阶、685 m台阶、673 m台阶和661 m台阶，其中北部东帮649 m以上台阶靠至最终帮。

采矿：北部、中部和中南部709 m台阶、697 m台阶、685 m台阶、673 m台阶、661 m台阶、649 m台阶和637 m台阶为出矿台阶。

（4）开采第 4年采剥范围。剥离：北部西帮697 m以上台阶靠最终帮；中部及南部西帮709 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮709 m台阶和697 m台阶为第2年剥离准备台阶；东部剥离集中在685 m台阶、673 m台阶和661 m台阶，其中北部东帮637 m以上台阶靠至最终帮。

采矿：北部、中部和南部709 m台阶、697 m台阶、685 m台阶、673 m台阶、661 m台阶、649 m台阶和637 m台阶为出矿台阶。

（5）开采第 5年采剥范围。剥离：北部西帮685 m以上台阶靠最终帮；中部及南部西帮673 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮673 m台阶和661 m台阶为第2年剥离准备台阶；东部剥离集中在685 m台阶、673 m台阶和661 m台阶，其中北部东帮613 m以上台阶靠至最终帮。

采矿：北部、中部和南部673 m台阶、661 m台阶、649 m台阶、637 m台阶和625 m台阶为出矿台阶。

（6）开采第6年～第7年采剥范围。剥离：北部西帮649 m以上台阶靠最终帮；中部及南部西帮649 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮649 m台阶和637 m台阶为第2年剥离准备台阶；北部东帮601 m以上台阶靠最终帮；中部和南部东帮649 m以上台阶靠最终帮，649 m台阶、637 m台阶和625 m台阶为第2年剥离准备台阶。

采矿：北部、中部和南部649 m台阶、637 m台阶、625 m台阶和613 m台阶为出矿台阶。

（7）开采第8年～第10年采剥范围。剥离：北部西帮577 m以上台阶靠最终帮；中部及南部西帮633 m台阶以上靠至最终帮，南部西帮649 m台阶和637 m台阶为第2年剥离准备台阶；北部东帮589 m以上台阶靠最终帮；中部和南部东帮577 m以上台阶靠最终帮；南部601 m台阶、589 m台阶和577 m台阶为第2年剥离准备台阶。

采矿：北部、中部和南部601 m台阶、589 m台阶、577 m台阶和565 m台阶为出矿台阶。

优化设计后的露天采场矿岩量及生产剥采比逐年变化见图2，平均出矿品位逐年变化见图3。露天开采终了三维效果见图4。

图2 矿岩量及生产剥采比逐年变化

图3 平均出矿品位逐年变化

图4 开采终了图

2 边坡稳定性

2.1 计算参数的选取

稳定性验算岩体力学参数以边坡研究报告力学参数为依据。按相关规范[1-3]，矿区地震烈度为6度。地震动峰值加速度分区为0.05 g。选取的岩石力学参数见表1，经过工程方法处理后得到岩体力学参数代入计算模型中[4-6]。

根据规范，不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数见表2。矿南部边坡危害等级为I级，边坡高度大于500 m，安全等级为I级。按表2中安全等级I选取安全系数。

将采场边坡划分为 I～V五个工程地质分区，边坡工程地质分区见图5。

表1 不同岩性岩石力学参数表

表2 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数

表3 组合Ⅰ时各剖面线处设计边坡稳定性系数汇总

图5 边坡工程地质分区

2.2 边坡稳定性分析

根据规范[7]，边坡稳定性计算方法以极限平衡法为定量计算依据，计算的方法根据边坡破坏模式选取。

该矿边坡破坏形式主要以圆弧型和折线型破坏为主，圆弧形破坏采用3种计算方法。

根据规范对3种不同荷载组合进行边坡稳定性计算：荷载组合Ⅰ为自重+地下水；荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破振动力；荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力，其分析结果见表3～表5。

通过计算3种不同工况下露天终了境界的安全系数，得出各剖面的安全系数大于规范要求的1.15， 边坡均处于稳定状态。

表4 组合Ⅱ时各剖面线处设计边坡稳定性系数汇总

表5 组合Ⅲ时各剖面线处设计边坡稳定性系数汇总

3 结论

（1）在保证前 3年出矿量的前提下，从生产第4年开始作为过渡时期，加大剥离量，改善了目前采场欠剥离的现状。

（2）在新的地质模型基础上，通过分析采矿现状，进行了采剥计划调整：生产前3年的剥采比降到了5.00 t/t以下，采剥总量控制在700×104m3。比原初步设计的生产进度计划（剥采比为8.00 t/t）降低了前期的采剥总量，前3年中每年约减少采剥总量350×104m3。

（3）通过本次采剥优化设计，以及对有效硫的合理利用，均衡了出矿品位，保证每年采出铜矿石品位维持在0.45%～0.47%，品位相对较高，浮动较小，确保了企业前期经济效益。

（4）引入当量铜，考虑 Cu、S、WO3等有用元素，S采用有效硫作为优化设计。在最终开采境界内，设计可利用的矿石总量增加，给企业增加了产值。

（5）采用对 3种不同工况下的露天终了境界安全系数进行计算分析，各剖面的安全系数大于规范要求的1.15，边坡均处于稳定状态。