黎俊华

(江西铜业股份有限公司永平铜矿, 江西 上饶市 334001)

0 引言

永平铜矿是一座现代化大型露天-地下联合开采矿山,目前矿山整体规模达10 000 t/d,其中露天和地下各为5 000 t/d。回采形成了最大垂直高度达444 m的深凹露天矿坑,其中＋154 m水平以下、1～15线西部邻近高陡边坡周围赋存了大量的铜矿石资源。近年来,随着露天浅部资源的消耗殆尽,矿山整体生产能力受到严重制约,稳定增长甚至达产均难以得到保证。为保证稳定的矿石产量和最大限度回收矿产资源,亟需对邻近高陡边坡的矿产资源(Ⅳ号矿体为主)进行回采。然而,随着矿山开采深度的增加和工程地质条件的改变,高陡边坡局部已出现滑塌破坏等风险[1];另一方面,陡帮上仍需保留矿石运输道路及防洪设施等。在此条件下,对邻近高陡边坡的Ⅳ号矿体进行地下回采时,势必会对高陡边坡带来难以预测的安全风险。因此,研判Ⅳ号矿体回采对高陡边坡的安全稳定性影响,并据此制定相关解决对策是安全回采Ⅳ号矿体的重中之重[2]。

从矿山整体来看,西部边坡是否稳定取决于整体中最薄弱、稳定性最差的部分。对于一个含有采空区的边坡系统来说,其稳定性是由一个集中应力最大、稳定性最差的部位决定的。因此,对于露天-地下联合开采下的边坡稳定性问题,既要分析边坡的稳定性也要分析采空区的稳定性[3]。

鉴于此,本文针对矿山目前的生产现状与高陡边坡特点,采用简化Bishop法、Ordinary法、Morgenstern-Price法以及Janbu法确定边坡安全系数[4],分析永平铜矿Ⅳ矿体开采对边坡稳定性的影响规律。最后按照井下Ⅳ号矿体不同中段的不同采场回采后对边坡稳定性影响规律,确定Ⅳ号矿体不同采场的安全等级,为该矿山的安全生产提供实践依据。

1 模型建立与参数选择

1.1 工程概况

永平铜矿Ⅳ号矿体走向北北东,倾向东,倾角为60°～70°,形态为似层状及透镜状,地下开采标高范围为200 m至-200 m,首采中段设置在-50 m中段,目前回采中段为0 m中段,开拓中段为-200 m中段。矿体围岩上盘为绿泥石,下盘为混合岩(Su)矿体,岩石总体稳固性属中等。0 m中段矿体的长度约626 m,划分为12个盘区,每个盘区的长度为50 m,采场沿走向布置,其采矿方法为分段空场嗣后充填采矿法。

1.2 模型建立

参考Ⅳ矿体的赋存形态和矿体与边坡之间的位置关系,依次选取0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地质勘探线,这些勘探线相交于Ⅳ矿体1#～11#矿房和矿块,勘探线剖面高程跨度大且特征界限明显,具有代表性。0#～11#勘探线切出的Ⅳ矿体截面,简化后如图1所示。

图1 Ⅳ矿体与地质勘探线位置关系

根据勘探线剖面图分别建立边坡模型,选定边坡的下界为-100 m,上界视剖面而定的区域作为有限元数值模拟的计算剖面[5]。模型范围内主要岩层结构可以分为上盘、下盘和矿体。结合实际情况及剖面形状对边坡计算模型做适当的简化后建立边坡数值模型,如图2所示。

图2 3#勘探线数剖面数值模型

1.3 参数选择

由于露天矿采矿活动破坏了岩体的自然平衡状态,不平衡状态将引起岩体变形、以及岩石中应力场的调整和重新分布[6]。因此,在模拟前先做应力重分布模拟。在应力重分布模拟中,各岩层材料都选用弹塑性本构模型[7]。一般而言,由于大量结构弱面的存在,岩体力学参数远小于岩石力学参数。对于地质与采矿条件极为复杂的矿山,矿体、岩体力学参数的选取是非常困难的,一般采用工程折减的办法获得[8]。其中弹性模量、泊松比、内摩擦角等参数选自该矿山的地质报告,相关岩石力学参数见表1。

表1 材料模型参数

1.4 边界条件

应力重分布分析时,只考虑模型的重力作用,在设置边界条件时通常只需要约束研究对象的底边和左右两侧边。因此,边坡应力重分布模拟的边界条件是:边坡模型左右两侧固定X方向位移,边坡底部固定X-Y方向位移。

2 边坡稳定性模拟结果与分析

2.1 初始边坡安全系数

使用Geo-Studio中的SIGMA/W模块分析,分析类型选择“应力重分布”,设置收敛性及时间参数。输入模型材料相关参数(见表1),绘制材料到模型。绘制相应的边界条件,检查、优化模型,求解。在SLOPE/W中建立模型,绘制材料参数,得到滑移面及安全系数。根据以上步骤对不同勘探线剖面进行模拟,得到其边坡的初始安全系数,如图3所示。

图3 不同勘探线模型安全系数

由不同计算方法得到的边坡的安全系数见表2,从表2可以看出,整体上3#～11#勘探线剖面初始边坡安全系数呈现降低的趋势[9]。5#勘探线剖面相较于7#勘探线的坡度更大,其稳定性略差于7#勘探线剖面。同时,各个剖面初始边坡安全系数值均在1.3以上,稳定性较好。

表2 计算稳定系数

2.2 矿体开挖模型

开挖模型稳定性模拟和初始边坡稳定性模拟相同。根据3#、5#、7#、9#、11#、13#勘探线剖面与0 m水平的投影和0 m高程矿体的位置关系,得到每个矿块的剖面图。矿块的宽度由勘探线所截剖面确定,高度为50 m。从0 m中段开始,每个中段以嗣后充填法进行开挖。不同中段从下往上开挖。

由于每个中段0#～3#矿块距离边坡的距离较远,对边坡的整体稳定性影响并不大,所以对W4～W11矿块进行建模分析,W8～W9矿块不同中段安全系数模拟结果如图4、图5所示。

图4 W8矿块不同中段安全性系数

图5 W9矿块不同中段安全性系数

由不同计算方法得到的边坡安全系数汇总见表3。根据模拟的结果,得到Ⅳ号矿体上部边坡安全系数随矿体开采位置的变化,如图6所示。从图6中可以看出,同一中段,从W4～W11矿块,越靠近W11矿块,开采时边坡安全性系数基本逐渐减小。同一个矿块,以W5矿块为例,向上开挖时,0,50,100,150 m中段安全系数分别为1.372,1.225,1.169和1.117,即越向上开采,边坡的安全系数越低。同时曲线在W7矿块处出现一个小峰值,其原因是W5和W6矿块上部边坡的倾角较大,达到了41°,使其稳定性较差于开挖W7矿块的边坡稳定性。另外50 m中段开挖W11矿块边坡安全性系数有一定提高,原因是矿块出入地表处较W10矿块平缓,对边坡稳定性影响较小。

图6 稳定性系数变化

表3 计算边坡稳定安全系数

3 西部边坡稳定性分级

参考《金属非金属露天矿山高陡边坡安全技术监测规范》,根据《冶金矿山采矿设计规范》(GB 50830—2013),采场边坡高度等级按表4划分为4级。高度小于100 m的为低边坡,100～209 m(含100 m)为中高边坡,200 m以上(含200 m)的为高边坡,其中大于500 m的为超高边坡,对应的高度等级指数分别为4,3,2,1。根据边坡高度判断该矿山边坡属于高边坡。

表4 边坡高度等级

采场边坡总边坡角等级按表5划分为3级。坡度小于30°的为缓坡,坡度在30°～42°之间(含30°)的为斜坡,坡度大于42°(含42°)的为陡坡,对应的坡度等级指数分别为3,2,1。该矿山露天边坡坡度大于42°,属于陡坡。

表5 总体坡度角等级

根据安全系数F对露天矿山采场边坡稳定性进行风险分级,按照表6将正常工况和非正常工况条件下边坡滑坡风险等级分为4级。非正常工况为考虑暴雨或爆破震动、或地震等荷载情况下的安全系数。

表6 采场边坡滑坡风险等级

根据边坡稳定性模拟的结果,对开挖矿块进行安全等级划分,如图7所示。从图7中可以看出,将边坡安全等级分成3级,安全Ⅰ级,安全Ⅱ级和危险。0 m中段W1～W9、50 m中段W1～W8、100 m中段和150 m中段W1～W4的滑坡风险等级均为3级和4级,将其视为安全Ⅰ级,可使用现有采矿工艺开采;0 m中段W10～W11、100 m中段W5～W8、150 m中段W5滑坡风险等级为2级,归类为安全Ⅱ级,使用现有采矿工艺开采时需根据边坡现场情况进行调整,如减小爆破药量、增加爆破段数,采用预裂爆破、缓冲爆破、切槽爆破等减振控爆技术对矿体进行开挖,并进行合理的支护[10];50 m中段W9～W11、150 m中段W6～W8滑坡风险等级为1级,边坡安全等级为危险,采用现有开采工艺可能导致西部边坡出现大块岩石垮落以及边坡滑移,损坏、堵塞边坡布设的运矿公路和水沟,且影响露天和井下的安全生产,带来安全隐患,应对现有的采矿方法进行改进,以适应矿体的开采[11]。

图7 Ⅳ矿体矿块安全分级

4 结论

采用Geo-Studio软件中的SLOPE/W模块,以0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地质勘探线剖面为基础,建立Ⅳ矿体1#～11#矿块和边坡模型,运用极限平 衡 法 中 的Odinary法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern法4种方法进行边坡安全系数计算,探究永平铜矿Ⅳ矿体开采对边坡稳定性的影响规律,得到如下结论。

(1)从整体上来看,3#～11#勘探线剖面边坡初始安全系数呈现降低的趋势。5#勘探线剖面相较于7#勘探线的坡度更大,使其稳定性略差于7#勘探线剖面,因此安全系数也较低。但是3#～11#勘探线剖面边坡初始安全系数值均在1.3以上,稳定性较好。

(2)同一中段,从W4～W11矿块,越靠近W11矿块,开采时边坡安全性系数基本逐渐减小。同一个矿块,越向上开采,边坡的安全系数越低。W5和W6矿块,由于上部边坡的坡度较大,属于高陡边坡,因此在开采W5和W6矿块时,边坡的安全系数较低。

(3)根据模拟得到的边坡安全系数,可将不同中段的矿块分为3个安全等级,安全Ⅰ级,可使用现有采矿工艺开采;安全Ⅱ级,使用现有采矿工艺开采时,需根据边坡现场情况进行调整;危险,采用现有开采工艺可能导致西部边坡出现大块岩石垮落以及边坡滑移,带来安全隐患,应对现有的采矿方法进行改进,以适应矿体的开采。

(4)根据模拟得到的边坡安全系数,属于安全Ⅱ级的矿块有7个,危险矿块有6个,其他均为安全Ⅰ级矿块。