[科普中国]-最终边坡角

简介

露天矿最终边坡角是重要的边坡结构参数, 提高最终边坡角, 将减少剥离量, 经济效益十分可观,据德兴铜矿设计资料表明, 该矿总边坡角每增加1°, 可减少剥离量940万m3 , 节约剥离费用4 700万元。另一方面, 最终边坡角设计的过大, 边坡破坏概率和开采难度增大, 可能因边坡失稳造成严重的安全事故。因此, 设计出最优的最终边坡角, 对边坡的稳定性、矿山的生产安全和经济效益具有重大意义。为了获得最佳经济效益, 在安全的前提下尽可能选用较大的最终边坡角1。

矿区边坡现状银山矿是江西铜业公司所属的一座中型矿山,位于德兴市境内, 主要产出铜、铅、锌、银、金等金属。矿山为露坑联合开采, 目前正在实施九区铜金矿5 000 t/d采选技术改造工程建设, 露天采场工程将产生倒立台体状人工边坡, 边坡的最大高度达434 m, 最终边坡角为45°, 台阶高度为12 m, 最小工作平台宽度为40 m, 工作台阶坡面角为70°, 台阶坡面角为65°, 安全平台宽度为5.6 m。

根据现开采边坡稳定性及岩体结构特性, 其最终边坡角局部有提高的可能, 为提高矿山经济效益,本文通过FLAC3D对其最终边坡角进行优化计算, 运用Minesight软件建立计算模型, 并在模型建立与导入计算方面进行了有益的探索2。

矿区地质概况矿区位于江南台隆与钱塘坳陷衔接部位, 乐平—德兴中生代火山盆地的东北缘, 赣东北深断裂带的西北侧。区域内广泛出露前震旦系双桥山群浅变质岩系, 其上零星覆盖从震旦系到中生界沉积岩、陆相火山岩。双桥山群浅变质岩受构造应力作用形成矿区主体褶皱构造, 轴向北东倾伏的银山背斜。

地层主要出露有前震旦系双桥山群(AnZnSh24), 侏罗系上统鹅湖岭组(J3 e)的部分地层, 以及第四系地层。主要岩性包括千枚岩、英安斑岩、石英斑岩以及第四纪的残堆积物。

银山露天边坡主要包括微风化千枚岩、中等风化千枚岩、强风化千枚岩、英安斑岩与石英斑岩5种工程地质岩组。

模型的建立露天采矿边坡在72 m水平之上, 各方向边坡呈不连续分布, 可划分为4个规模不等、相对独立的边坡, 分别为西边坡、西北边坡、东北边坡和南边坡。

随着开采深度的加大, 70 m水平之下构成统一的凹形边坡。5 000 t/d开采规模最低设计开采水平为-192 m。目前开采水平大致在60 m, 各个边坡在岩体力学环境上仍有其相对独立性, 其组成和形态亦有所不同。5 000 t/d采场最终境界的几何边界用Minesight建立边坡三维模型,。

Minesight与CAD有很好的兼容性, 建模过程简单。取典型东西剖面Ⅰ -Ⅰ 进行东北边坡与西边坡的数值模拟计算划分剖面网格,共划分3 550个节点、10 998个单元, 对模型侧面施加水平位移约束, 底部施加竖直位移约束。分别模拟计算45°, 46°, 47°不同最终边坡角边坡的稳定性,进而对最终边坡角进行优化。

计算分析采用有限差分软件FLAC3D以45°, 46°和47°三种最终边坡角模拟分析边坡稳定性, 并采用强度折减法计算不同最终边坡角的安全系数。为了更好地模拟不同边坡角时边坡稳定性, 进行边坡剪应变增量的变化和速度矢量的变化综合分析。

1 45°最终边坡角分析

45°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡较西边坡剪应变大;速度矢量整体上来看, 并没有表现出“剪出”的态势;东北边坡剪应变增量贯通坡体, 强度折减算得边坡安全系数为1.181 6。

2 46°最终边坡角分析

46°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡剪应变增量及出现剪应变的范围比西边坡大, 东北边坡剪应变增量贯通坡体, 存在潜在的滑移面, 从速度矢量看出现明显的滑动趋势, 有产生圆弧滑坡的可能。强度折减算得边坡安全系数为1.176 5。

3 47°最终边坡角分析

47°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡剪应变增量贯通坡体, 速度矢量增大滑动趋势明显;西边坡总体稳定性较好, 但剪应变基本贯通坡体。强度折减算得边坡安全系数为1.169 9。

4 结果分析

从计算结果分析, 不同最终边坡角时边坡围岩稳定性具有以下特点。

(1)东北边坡与西边坡剪应变增量贯通坡体,东北边坡较西边坡增量大;随最终边坡角的增大, 塑性区范围逐步向坡顶发展扩大;3个角度下东北边坡塑性区都从坡顶贯通至坡趾, 西边坡在47°下塑性区才从坡顶贯通至坡趾;两边坡均存在潜在的滑移面, 东北边坡稳定不如西边坡。

(2)边坡上部位移矢量垂直向下, 表现为“沉降”, 中部位移矢量近乎与坡面平行, 表现为“剪切”, 下部位移矢量在渐进坡趾处表现为“剪出”;东北边坡位移较西边坡大, 随角度增加东北边坡增加的比西边坡更快, 边坡的潜在破坏以浅表层圆弧形剪切破坏为主。

(3)用强度折减法算得45°, 46°, 47°安全系数依次为1.181 6, 1.176 5, 1.169 9, 由于模拟计算采用微风化千枚岩的物理力学参数, 弱化了岩体力学性质, 因此安全系数均偏小。

总结运用FLAC3D数值模拟软件, 通过改变最终边坡角的数值计算, 对边坡结构参数进行优化, 得到了不同最终边坡角时边坡剪应变增量和速度矢量的变化规律, 分析了不同最终边坡角下边坡围岩稳定性。结果表明:最终境界相对较高的东北边坡45°的最终边坡角比较合理;最终境界相对较低的西边坡可适当提高, 46°时边坡稳定较好。因此, 建议提高西边坡最终边坡角至46°3。