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, 邊坡破壞機率和開採難度增大, 可能因邊坡失穩造成嚴重的安全事故。因此, 設計出最優的最終邊坡角, 對邊坡的穩定性、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, 在安全的前提下儘可能選用較大的最終邊坡角 。
礦區邊坡現狀
銀山礦是江西銅業公司所屬的一座中型礦山,位於德興市境內, 主要產出銅、鉛、鋅、銀、金等金屬。礦山為露坑聯合開採, 目前正在實施九區銅金礦5 000 t/d採選技術改造工程建設, 露天采場工程將產生倒立台體狀人工邊坡, 邊坡的最大高度達434 m, 最終邊坡角為45°, 台階高度為12 m, 最小工作平台寬度為40 m, 工作檯階坡面角為70°, 台階坡面角為65°, 安全平台寬度為5.6 m。
根據現開採邊坡穩定性及岩體結構特性, 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最佳化計算, 運用Minesight軟體建立計算模型, 並在模型建立與導入計算方面進行了有益的探索 。
礦區地質概況
礦區位於江南台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。區域內廣泛出露前震旦系雙橋山群淺變質岩系, 其上零星覆蓋從震旦繫到中生界沉積岩、陸相火山岩。雙橋山群淺變質岩受構造應力作用形成礦區主體褶皺構造, 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), 侏羅繫上統鵝湖嶺組(J3 e)的部分地層, 以及第四系地層。主要岩性包括千枚岩、英安斑岩、石英斑岩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岩、中等風化千枚岩、強風化千枚岩、英安斑岩與石英斑岩5種工程地質岩組。
模型的建立
露天採礦邊坡在72 m水平之上, 各方向邊坡呈不連續分布, 可劃分為4個規模不等、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。
隨著開採深度的加大, 70 m水平之下構成統一的凹形邊坡。5 000 t/d開採規模最低設計開採水平為-192 m。目前開採水平大致在60 m, 各個邊坡在岩體力學環境上仍有其相對獨立性, 其組成和形態亦有所不同。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格線,共劃分3 550個節點、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定性,進而對最終邊坡角進行最佳化。
計算分析
採用有限差分軟體FLAC3D以45°, 46°和47°三種最終邊坡角模擬分析邊坡穩定性, 並採用強度折減法計算不同最終邊坡角的安全係數。為了更好地模擬不同邊坡角時邊坡穩定性, 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, 並沒有表現出“剪出”的態勢;東北邊坡剪應變增量貫通坡體, 強度折減算得邊坡安全係數為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範圍比西邊坡大, 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係數為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;西邊坡總體穩定性較好, 但剪應變基本貫通坡體。強度折減算得邊坡安全係數為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岩穩定性具有以下特點。
(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, 塑性區範圍逐步向坡頂發展擴大;3個角度下東北邊坡塑性區都從坡頂貫通至坡趾, 西邊坡在47°下塑性區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“剪下”, 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下破壞為主。
(3)用強度折減法算得45°, 46°, 47°安全係數依次為1.181 6, 1.176 5, 1.169 9, 由於模擬計算採用微風化千枚岩的物理力學參數, 弱化了岩體力學性質, 因此安全係數均偏小。
總結
運用FLAC3D數值模擬軟體, 通過改變最終邊坡角的數值計算, 對邊坡結構參數進行最佳化, 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律, 分析了不同最終邊坡角下邊坡圍岩穩定性。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°時邊坡穩定較好。因此, 建議提高西邊坡最終邊坡角至46° 。
