科卡金礦高邊坡穩定性分析

吳先勇，王紫東，白天明，彭昊源，魏作安

(1.上海外經集團控股有限公司，上海市200032；2.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶市400030)

科卡金礦高邊坡穩定性分析

吳先勇1，王紫東2，白天明1，彭昊源2，魏作安2

(1.上海外經集團控股有限公司，上海市200032；2.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶市400030)

針對厄立特里亞的科卡露天金礦邊坡工程的穩定性進行分析,選取了代表性的三個剖面，采用極限平衡法和有限元強度折減法進行計算。結果表明：極限平衡法計算得到的三個剖面中最小的安全系數為1.46，而有限元強度折減法獲得最小安全系數為1.45。安全系數均滿足國家技術規范要求，初步設計的露天礦邊坡處于穩定狀態。

露天礦邊坡，穩定性分析，數值模擬，有限元強度折減法

露天礦邊坡是露天采礦場的構成要素之一[1]。邊坡工程在露天礦開采中占著舉足輕重的地位。有時最終邊坡角提高1°，則可使境界內剝離的巖量減少1×105kt或更多，節省投資數千萬元[2]。同時，露天礦邊坡也是露天礦山最大危險源之一。由于邊坡失穩垮塌造成的災害事故也是屢見不鮮[3-5]。所以，在露天礦設計初期階段，邊坡穩定性及其優化分析顯得非常重要。國家的相關技術規范也明確提出，對于露天礦邊坡應該進行專門的研究分析[6]。

科卡金礦位于非洲的厄立特里亞境內，為新建露天礦山，設計邊坡最高為280 m，屬于高邊坡范疇。為了確保礦山生產安全，需要對初步設計邊坡的穩定性進行研究分析，以期達到事前控制的目的。

1　科卡金礦概況

1.1礦區地質條件

科卡金礦位于非洲東北部厄立特里亞的安塞巴省Sub-ZolaSela境內，離首都阿斯瑪拉（西北）約165 km（圖1）。礦區海拔500~2 000 m，相對高差1 500 m（圖2），氣候干旱至半干旱。

圖1　礦區位置

圖2　科卡河谷至科卡金礦床（面向東）

礦區巖體主要有變沉積巖、變火山巖、變火山碎屑巖、變玄武巖和層間蝕變帶等。科卡金礦為一種綠片巖相脈狀金礦床，大多數金賦存在蝕變微花崗巖石英—硫化物脈內，少量金賦存在蝕變圍巖內。礦體呈近南北走向,傾向西,傾角為90°～75°,局部反傾。礦體走向長度600 m，埋藏范圍為標高920～680 m，垂高為240 m。厚度為2～30 m，最寬處有100 m，最窄處有2 m。礦區地質剖面如圖3。

圖3　礦區地質剖面（面向北）

1.2露天礦初步設計

圖4為初步設計的露天礦終了平面圖。該礦設計為露天開采方式，設計生產能力為660 kt/a，服務年限為6．2 a，采用單一公路運輸開拓方式，境界內折返式布線。開采境界范圍為1 030～750 m標高。以830 m標高為分界線，1 030～830 m為山坡露天礦（最高邊坡在東邊），邊坡高度為200 m；830～750 m為深凹露天礦，邊坡高度為80 m。最大總體邊坡高度為280 m。設計的最終邊坡角，東部45°，西部42°，端幫45°。詳細的邊坡設計參數如表1。

表1　詳細的設計參數

為了確保露天礦邊坡的安全，需要對設計邊坡的穩定性進行分析研判。

2　邊坡穩定性計算

2.1計算剖面與材料力學參數

根據露天礦初步設計資料，經過認真分析，選擇了3個代表性剖面（Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ和Ⅲ－Ⅲ剖面）進行計算，3個剖面的平面位置如圖4，3個剖面形狀如圖5。

圖4　科卡金礦露天礦初步設計終了平面

圖5　3個代表性剖面

由于沒有影響邊坡穩定性的斷層、節理裂隙等地質資料，因此，計算中邊坡巖體按到均質材料考慮。材料參數是邊坡穩定性計算的基礎。在收集現場已有地勘資料基礎上，結合室內實驗結果[7]，綜合分析選取各分層巖體的參數值，如表2。

表2　邊坡巖石力學參數

2.2邊坡穩定性分析軟件（Geo-Studio）簡介

這次邊坡穩定性分析是采用Geo-Studio軟件。該軟件是一套高效、專業、并兼具強大的輔助功能的整體分析商用軟件。該軟件由8個強大的分析模塊構成，即SLOPE/W、QUAKE/W、SIGMA/W、TEMP/W、SEEP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W和 Seep3D等,分別對應邊坡穩定性分析、地震響應分析、巖土應力變形分析、地熱分析、地下水滲流分析、地下水污染物傳輸分析、空氣流動分析、綜合滲流蒸發區和土壤表層分析及三維滲流分析[8]。其中SLOPE/W軟件是Geo-Studio軟件的主體,包含了多種極限平衡方法用于邊坡穩定性計算。到目前為止，該仿真軟件已為許多科研人員廣泛應用于巖土工程和巖土環境模擬計算。

2.3邊坡穩定性計算結果

1）極限平衡法計算結果。通過SLOPE/W的計算,可以得到不同剖面潛在滑移面的位置（圖6）和最小安全系數,結果如表3。最小安全系數為1.46,為Ⅱ-Ⅱ剖面處。

表3　不同剖面最小安全系數值

圖6　Ⅰ-Ⅰ剖面(上盤)潛在滑移面位置

2）有限元強度折減法計算結果。有限元強度折減法計算網格劃分和邊界條件設置如圖7。在SIGMA/W數值模擬計算中，邊坡巖體材料的本構模型為理想彈塑性本構模型。邊坡失穩判據通常有3種[9]。本文選擇塑性區貫通作為破壞標志，塑性區以黃色表示，強度折減計算結果如表4。

圖7　Ⅲ-Ⅲ剖面網格劃分與邊界條件設置

表4　強度折減計算結果

從計算Ⅱ-Ⅱ剖面圖中可以看出,SRF=1.45時,邊坡巖體的塑性區已經貫通,因此,有限元強度折減法得到的安全系數為1.45。

3　結論

以該礦初步設計中的露天礦邊坡為研究對象,選取代表性的3個剖面,采用理論分析（極限平衡法）和數值模擬（Geo-Studio軟件）,針對該露天礦邊坡的穩定性進行了計算分析。結果表明：瑞典圓弧法和簡化畢肖普法計算得到的3個剖面中最小的安全系數為1.46,而有限元強度折減法獲得最小安全系數為1.45。安全系數均滿足國家技術規范要求,初步設計的露天礦邊坡處于穩定狀態。利用理論分析和數值模擬方法對露天礦邊坡的穩定性進行分析研究，其研究成果可為礦山的施工圖設計以及日常的安全生產管理提供參考。

[1]李寶祥.金屬礦床露天開采[M].北京：冶金工業出版社，1979．

[2]孫玉科,楊志法,丁恩保.中國露天礦邊坡穩定性研究[M].北京：中國科學技術出版社，1999.

[3]盧世宗.我國礦山邊坡研究的基本情況和展望[C]//第四屆全國工程地質大會文集.青島：中國海洋科學出版社，1992，6-10.

[4]楊天鴻，張鋒春，于慶磊，等.露天礦高陡邊坡穩定性研究現狀及發展趨勢[J].巖土力學，2011，32（5）：1437-1451，1472.

[5]張東明,尹光志,許江,等.多臺階山坡露天礦邊幫穩定性分析[M].北京：科學出版社，2012.

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[7]吳先勇,王紫東,隋東昌,等.科卡金礦邊坡巖石力學實驗[J].有色金屬工程，2015，5（4）：74-77.

[8]中仿科技.GEOSTUDIO實例教程 （2007）[R].CnTech Co.,Ltd，2007.

[9]Dawson E M,Roth W H,Drecher A.Slope stability analysis by strength reduction[J].Geotechnique,1999,49(6):835-840.

Stability Analysis for Open-pit Slope in Koka Gold Mine

WU Xianyong1,WANG Zidong2,BAI Tianming1,PENG Haoyuan2,WEI Zuoan2
(1.China Shanghai(Group)Corporation for Foreign Economic&Technological Cooperation Group,Shanghai 200032,China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

In this paper,the slope stability analysis of open pit gold mine in Eritrea was carried out.Three representative crosssections were selected.The limit equilibrium method and finite element strength reduction were used to calculate the factor of safety of the slope.The results showed that the minimum factor of safety of three sections by limit equilibrium method is 1.46,while that by the finite element strength reduction is 1.45.The factor of safety of the slope meets the national technical specifications,and the open pit slope designed preliminarily is in a stable state.

Open-pit mine slope;stability analysis;numerical simulation;finite element strength reduction method

TD824.7

B

1004-4345(2015)04-0001-03

2015-07-10

國家自然科學基金資助項目(編號11372363)。

吳先勇(1977—)，男，高級工程師，主要從事建筑工程、礦山工程建設與管理工作。