刚果(金)某铜矿边坡稳定性及监测预警技术研究

孙言飞

(紫金矿业集团股份有限公司)

随着国家“一带一路”战略的逐步实施，我国矿业开发和基础建设在非洲迅猛发展。在非洲刚果(金)的矿产资源开采中，以露天开采为主要开采方式。由于非洲历史原因，表层易采资源量残留极少，矿产资源的开采快速转向深部。对露天开采而言，“深部”即为边坡逐渐演化为高边坡[1]。高边坡揭露面积大，受各种诱因影响，更容易发生滑坡、崩塌等灾害。如何保证矿山安全生产过程中边坡的稳定，不仅成为各企业重要的安全任务，也成为各企业重要的科技项目。通过系列的工程技术方法，以期实现从“被动治理”到“主动防控”的跨越。

以刚果(金)某铜矿边坡为例，系统介绍了该边坡的工程地质特征、岩体力学特征、边坡破坏模式、边坡结构参数优化以及安全监测预警方法。

1 矿山概况

1.1 交通位置

该铜矿位于刚果(金)卢阿拉巴省的科卢韦齐市西南郊区，矿区中心地理坐标：东经25°27′15″，南纬10°43′30″。

1.2 开采现状

该矿开采方式为露采+汽车运输。目前，年采剥能力1 400万m3。形成采坑长1.4 km，宽度616 m，采坑顶界最高标高1 430 m，开拓水平的最低标高1 322 m，形成的采坑垂直最大高度108 m，台阶高度12 m，见图1。

图1 采场开采现状

现状东帮剥离形成+1 322～+1 430 m台阶，单台阶高12 m，边坡高108 m，边坡角17°。

现状北帮剥离形成+1 322～+1 430 m台阶，单台阶高12 m，边坡高108 m，边坡角19°～23°。

现状西帮剥离形成+1 334～+1 406 m台阶，边坡高72 m，边坡角16°。

现状南帮剥离形成+1 322～+1 430 m台阶，边坡高108 m，边坡角18°～24°。

2 影响边坡稳定性因素分析

影响边坡稳定性的因素一般有岩体工程地质特征、水、动力因素(爆破振动、地震)等。

2.1 岩体工程地质特征

矿区位于科卢韦齐推覆体中，边坡岩性较复杂，产状变化大，岩石风化作用、岩溶作用强烈，构造破碎带发育，岩石破碎，强度变化大。

2.2 水对边坡稳定性的影响

(1)降雨。矿区属于热带草原气候，雨季下雨较为频繁，对由第四系、砂岩、泥岩组成的上部边坡稳定性影响大。

(2)地下水。矿区水文地质条件复杂，边坡体内强、弱含水层交替出现，含水层多、分布广，地下水具有较大的静水压力。

2.3 动力因素

(1)爆破振动。目前开采集中在露天采场近地表部分，边坡岩体主要为风化的砂岩、泥岩、白云岩，剥离主要采用机械开挖的方式；矿体赋存在硅化白云岩中，硬度高，揭露区域采用爆破方式开采。生产爆破未采取减震措施，有强烈震感，对边坡稳定有影响。

(2)地震。矿区所在地无地震记录。地震对该矿边坡稳定性的影响，参考美国地震局对刚果金地震加速度划分。

2.4 构 造

F1、F3断层穿越整个采场，切割边坡，对边坡稳定性不利。

3 边坡稳定性研究

边坡稳定性研究是一项系统性的工作，涉及到边坡地质条件调查、边坡岩体力学参数特征研究、边坡破坏模式判断、边坡稳定性研究方法选取等。

3.1 边坡地质分区及破坏模式

边坡设计高度216 m，最终边坡角31°～44°，属于中高边坡。根据边坡岩体工程地质特征、边坡形态、破坏模式等，边坡稳定性研究工程地质分为8个区，如图2所示。

图2 边坡稳定性研究地质分区

各分区特征描述及边坡破坏模式见表1。

表1 边坡工程地质分区及破坏模式

3.2 边坡岩体力学参数选取

广义Hoek-Brown经验强度准则[2]为：

(1)

式中，σ1、σ3分别为岩体破坏时的最大、最小主应力，MPa；σc为岩块单轴抗压强度，MPa，可以由单轴压力试验和点载荷试验确定；mb、S、a均为岩体的Hoek-Brown常量。

根据式(1)，利用Rocscience软件RocDate模块对边坡岩体力学参数进行计算，结果如表2。

表2 稳定性计算岩体力学参数

3.3 边坡稳定性计算分析

(1)动力因素。爆破振动加速度的处理方法采用拟静力法，将高频的爆破振动加速度转换为频率与地震频率相当的、与边坡稳定性密切相关的1 Hz 频率的等效加速度[3]，可按下式计算：

(2)

式中，b为等效加速度的频率影响系数，可取为1.05～1.20，频率高时取大值；f为振动频率，Hz；af为现场实测加速度值，地震见图3，取0.047 6g。

(2)水因素。定性计算水位由渗流场导入。

根据以上原则，该铜矿边坡稳定性安全系数如图3。

图3 各分区剖面边坡最小安全系数

由图4、图5，D区、H区边坡安全系数不满足要求。由表1，导致D区、H区边坡稳定性不满足要求的主要原因位F1、F3断层。由于F1、F3断层分布在边坡内部位置较深，锚固措施不合理，采取优化边坡结构参数(图4、图5)提高稳定性，优化后其安全系数分别为1.153、1.151。

图4 D区边坡结构参数优化调整

图5 H区边坡结构参数优化调整

4 边坡监测预警

滑坡的正确预报应该基于合理选定适宜的预测模型和完善的预测结果。滑坡预测预报模型很多，具体见表3。

表3 滑坡预报的模型和方法

4.1 基于时间序列的位移突变模型建立

由于边坡滑动破坏是一个时空效应的渐进破坏过程，所以位移值随时间变化规律可用连续函数S=f(t)来描述。选取关键部位不同时间的位移值，拟合成岩体位移—时间曲线的泰勒级数形式，截取至4次项，化成尖点突变的标准势函数形式，可得到位移突变模型。

4.2 初始预警值的确定

初始预警值可以根据边坡极限状态下位移分布图确定。本研究以结构参数优化调整后的D区、H区边坡为例，其极限状态下位移分布见图6、图7。

图6 D区边坡极限状态下位移分布 (单位：m)

图7 H区边坡极限状态下位移分布 (单位:m)

由图6可见，17 mm为D区边坡预警初值；由图7可见，15 mm为H区边坡预警初值。

4.3 基于统计模型与位移反分析模型联合预警

由数值模拟给出边坡各个分区的初始预警值，在正常生产过程中，通过位移监测数据进行分析，予以区域安全度划分；依据突变模型，建立基于时间序列的位移突变统计模型，判断边坡的破坏情况，与边坡破坏实际相结合，不断修正预警值；同时，建立位移反分析模型反演岩土体力学参数，重新计算边坡稳定性，从而对边坡进行突变与安全系数的联合预警，即实现临滑、中短期、长期预报预警。

5 结 论

(1)构造对该矿边坡的稳定性影响大，其所在D区、H区边坡安全系数不满足规范要求。

(2)D区、H区边坡结构参数优化调整主要以消除构造对边坡稳定性影响为主，优化调整后，安全系数满足规范要求。

(3)应用统计模型与位移反分析模型联合预警可实现边坡临滑、中短期、长期预报预警。