[科普中國]-最終邊坡角

簡介

露天礦最終邊坡角是重要的邊坡結構參數, 提高最終邊坡角, 將減少剝離量, 經濟效益十分可觀,據德興銅礦設計資料表明, 該礦總邊坡角每增加1°, 可減少剝離量940萬m3 , 節(jié)約剝離費用4 700萬元。另一方面, 最終邊坡角設計的過大, 邊坡破壞概率和開采難度增大, 可能因邊坡失穩(wěn)造成嚴重的安全事故。因此, 設計出最優(yōu)的最終邊坡角, 對邊坡的穩(wěn)定性、礦山的生產安全和經濟效益具有重大意義。為了獲得最佳經濟效益, 在安全的前提下盡可能選用較大的最終邊坡角1。

礦區(qū)邊坡現狀銀山礦是江西銅業(yè)公司所屬的一座中型礦山,位于德興市境內, 主要產出銅、鉛、鋅、銀、金等金屬。礦山為露坑聯合開采, 目前正在實施九區(qū)銅金礦5 000 t/d采選技術改造工程建設, 露天采場工程將產生倒立臺體狀人工邊坡, 邊坡的最大高度達434 m, 最終邊坡角為45°, 臺階高度為12 m, 最小工作平臺寬度為40 m, 工作臺階坡面角為70°, 臺階坡面角為65°, 安全平臺寬度為5.6 m。

根據現開采邊坡穩(wěn)定性及巖體結構特性, 其最終邊坡角局部有提高的可能, 為提高礦山經濟效益,本文通過FLAC3D對其最終邊坡角進行優(yōu)化計算, 運用Minesight軟件建立計算模型, 并在模型建立與導入計算方面進行了有益的探索2。

礦區(qū)地質概況礦區(qū)位于江南臺隆與錢塘坳陷銜接部位, 樂平—德興中生代火山盆地的東北緣, 贛東北深斷裂帶的西北側。區(qū)域內廣泛出露前震旦系雙橋山群淺變質巖系, 其上零星覆蓋從震旦系到中生界沉積巖、陸相火山巖。雙橋山群淺變質巖受構造應力作用形成礦區(qū)主體褶皺構造, 軸向北東傾伏的銀山背斜。

地層主要出露有前震旦系雙橋山群(AnZnSh24), 侏羅系上統鵝湖嶺組(J3 e)的部分地層, 以及第四系地層。主要巖性包括千枚巖、英安斑巖、石英斑巖以及第四紀的殘堆積物。

銀山露天邊坡主要包括微風化千枚巖、中等風化千枚巖、強風化千枚巖、英安斑巖與石英斑巖5種工程地質巖組。

模型的建立露天采礦邊坡在72 m水平之上, 各方向邊坡呈不連續(xù)分布, 可劃分為4個規(guī)模不等、相對獨立的邊坡, 分別為西邊坡、西北邊坡、東北邊坡和南邊坡。

隨著開采深度的加大, 70 m水平之下構成統一的凹形邊坡。5 000 t/d開采規(guī)模最低設計開采水平為-192 m。目前開采水平大致在60 m, 各個邊坡在巖體力學環(huán)境上仍有其相對獨立性, 其組成和形態(tài)亦有所不同。5 000 t/d采場最終境界的幾何邊界用Minesight建立邊坡三維模型,。

Minesight與CAD有很好的兼容性, 建模過程簡單。取典型東西剖面Ⅰ -Ⅰ 進行東北邊坡與西邊坡的數值模擬計算劃分剖面網格,共劃分3 550個節(jié)點、10 998個單元, 對模型側面施加水平位移約束, 底部施加豎直位移約束。分別模擬計算45°, 46°, 47°不同最終邊坡角邊坡的穩(wěn)定性,進而對最終邊坡角進行優(yōu)化。

計算分析采用有限差分軟件FLAC3D以45°, 46°和47°三種最終邊坡角模擬分析邊坡穩(wěn)定性, 并采用強度折減法計算不同最終邊坡角的安全系數。為了更好地模擬不同邊坡角時邊坡穩(wěn)定性, 進行邊坡剪應變增量的變化和速度矢量的變化綜合分析。

1 45°最終邊坡角分析

45°最終邊坡角數值計算剪應變增量、速度矢量。結果表明:東北邊坡較西邊坡剪應變大;速度矢量整體上來看, 并沒有表現出“剪出”的態(tài)勢;東北邊坡剪應變增量貫通坡體, 強度折減算得邊坡安全系數為1.181 6。

2 46°最終邊坡角分析

46°最終邊坡角數值計算剪應變增量、速度矢量。結果表明:東北邊坡剪應變增量及出現剪應變的范圍比西邊坡大, 東北邊坡剪應變增量貫通坡體, 存在潛在的滑移面, 從速度矢量看出現明顯的滑動趨勢, 有產生圓弧滑坡的可能。強度折減算得邊坡安全系數為1.176 5。

3 47°最終邊坡角分析

47°最終邊坡角數值計算剪應變增量、速度矢量。結果表明:東北邊坡剪應變增量貫通坡體, 速度矢量增大滑動趨勢明顯;西邊坡總體穩(wěn)定性較好, 但剪應變基本貫通坡體。強度折減算得邊坡安全系數為1.169 9。

4 結果分析

從計算結果分析, 不同最終邊坡角時邊坡圍巖穩(wěn)定性具有以下特點。

(1)東北邊坡與西邊坡剪應變增量貫通坡體,東北邊坡較西邊坡增量大;隨最終邊坡角的增大, 塑性區(qū)范圍逐步向坡頂發(fā)展擴大;3個角度下東北邊坡塑性區(qū)都從坡頂貫通至坡趾, 西邊坡在47°下塑性區(qū)才從坡頂貫通至坡趾;兩邊坡均存在潛在的滑移面, 東北邊坡穩(wěn)定不如西邊坡。

(2)邊坡上部位移矢量垂直向下, 表現為“沉降”, 中部位移矢量近乎與坡面平行, 表現為“剪切”, 下部位移矢量在漸進坡趾處表現為“剪出”;東北邊坡位移較西邊坡大, 隨角度增加東北邊坡增加的比西邊坡更快, 邊坡的潛在破壞以淺表層圓弧形剪切破壞為主。

(3)用強度折減法算得45°, 46°, 47°安全系數依次為1.181 6, 1.176 5, 1.169 9, 由于模擬計算采用微風化千枚巖的物理力學參數, 弱化了巖體力學性質, 因此安全系數均偏小。

總結運用FLAC3D數值模擬軟件, 通過改變最終邊坡角的數值計算, 對邊坡結構參數進行優(yōu)化, 得到了不同最終邊坡角時邊坡剪應變增量和速度矢量的變化規(guī)律, 分析了不同最終邊坡角下邊坡圍巖穩(wěn)定性。結果表明:最終境界相對較高的東北邊坡45°的最終邊坡角比較合理;最終境界相對較低的西邊坡可適當提高, 46°時邊坡穩(wěn)定較好。因此, 建議提高西邊坡最終邊坡角至46°3。