某銅硫礦露天采剝優化與邊坡穩定性研究

習泳 ，鄒平，楊盛凱

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.長沙瀚洋環保技術有限公司， 湖南 長沙 410005)

某銅礦床為鐵銅硫多金屬礦床。礦區于 2016年7月完成了初步設計，但實際生產過程出現了采剝不協調的情況，且隨著生產探礦的進行，礦山對地質模型進行了更新。為指導生產，需在原初步設計的最終露天境界范圍內，對采礦生產根據新的地質模型進行優化更新，并以此為依據進行采剝計劃優化。

采剝優化工作能在近期內降低生產剝采比，減少當期剝離量，降低剝離費用。根據采場前期的采剝工作，二級礦量已有一定儲備，實現分期開采具備一定的有利條件。礦山首采區開采礦石較為集中在礦石剝離量較少的地段，從而降低了近些年的剝離量。

為了解決某銅礦實際生產過程中采剝不協調的問題，開展了露天采場采剝優化與邊坡穩定性研究。通過本次采剝優化設計，以及對有效硫的合理利用，均衡了出礦品位，保證每年采出銅礦石品位維持在0.45%～0.47%，品位相對較高，浮動較小，確保了企業的前期經濟效益。

1 采剝優化設計

1.1 原露天開采設計

原設計的開采境界內礦巖總量為 12 633×104m3，礦石量5759.1×104t，其中銅礦石量4383.0×104t，平均地質品位：Cu=0.55%，有效S=16.75%；硫礦石量1207.7×104t，平均地質品位：Cu=0.12%，有效S=15.54%；巖土量10 882×104m3；平均剝采比4.9 t/t。

1.2 優化方法

采用優化程序進行了露天開采境界的優化圈定。礦業軟件的露天境界優化工作程序見圖1。

圖1 露天境界優化工作程序

1.3 優化設計

（1）開采第 1年采剝范圍。剝離：北部西幫829 m以上臺階靠最終幫，829 m臺階和817 m臺階為第2年剝離準備臺階；中部及南部西幫793 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫793 m臺階和781 m臺階為第2年剝離準備臺階；東部剝離集中在709 m臺階、697 m臺階、685 m臺階和673 m臺階，其中北部東幫661 m以上臺階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和中南部685 m臺階、673 m臺階、661 m臺階和649 m臺階為出礦臺階。

（2）開采第 2年采剝范圍。剝離：北部西幫793 m以上臺階靠最終幫，793 m臺階、781 m臺階和769 m臺階為第2年剝離準備臺階；中部及南部西幫745 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫745 m臺階、733 m臺階和721 m臺階為第2年剝離準備臺階；東部剝離集中在685 m臺階、673 m臺階和661 m臺階。

采礦：北部、中部和中南部673 m臺階、661 m臺階、649 m臺階和637 m臺階為出礦臺階。

（3）開采第 3年采剝范圍。剝離：北部西幫757 m以上臺階靠最終幫，757 m臺階、745 m臺階、733 m臺階、721 m臺階和709 m臺階為第2年剝離準備臺階；中部及南部西幫745 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫745 m臺階和733 m臺階為第2年剝離準備臺階；東部剝離集中在697 m臺階、685 m臺階、673 m臺階和661 m臺階，其中北部東幫649 m以上臺階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和中南部709 m臺階、697 m臺階、685 m臺階、673 m臺階、661 m臺階、649 m臺階和637 m臺階為出礦臺階。

（4）開采第 4年采剝范圍。剝離：北部西幫697 m以上臺階靠最終幫；中部及南部西幫709 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫709 m臺階和697 m臺階為第2年剝離準備臺階；東部剝離集中在685 m臺階、673 m臺階和661 m臺階，其中北部東幫637 m以上臺階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和南部709 m臺階、697 m臺階、685 m臺階、673 m臺階、661 m臺階、649 m臺階和637 m臺階為出礦臺階。

（5）開采第 5年采剝范圍。剝離：北部西幫685 m以上臺階靠最終幫；中部及南部西幫673 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫673 m臺階和661 m臺階為第2年剝離準備臺階；東部剝離集中在685 m臺階、673 m臺階和661 m臺階，其中北部東幫613 m以上臺階靠至最終幫。

采礦：北部、中部和南部673 m臺階、661 m臺階、649 m臺階、637 m臺階和625 m臺階為出礦臺階。

（6）開采第6年～第7年采剝范圍。剝離：北部西幫649 m以上臺階靠最終幫；中部及南部西幫649 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫649 m臺階和637 m臺階為第2年剝離準備臺階；北部東幫601 m以上臺階靠最終幫；中部和南部東幫649 m以上臺階靠最終幫，649 m臺階、637 m臺階和625 m臺階為第2年剝離準備臺階。

采礦：北部、中部和南部649 m臺階、637 m臺階、625 m臺階和613 m臺階為出礦臺階。

（7）開采第8年～第10年采剝范圍。剝離：北部西幫577 m以上臺階靠最終幫；中部及南部西幫633 m臺階以上靠至最終幫，南部西幫649 m臺階和637 m臺階為第2年剝離準備臺階；北部東幫589 m以上臺階靠最終幫；中部和南部東幫577 m以上臺階靠最終幫；南部601 m臺階、589 m臺階和577 m臺階為第2年剝離準備臺階。

采礦：北部、中部和南部601 m臺階、589 m臺階、577 m臺階和565 m臺階為出礦臺階。

優化設計后的露天采場礦巖量及生產剝采比逐年變化見圖2，平均出礦品位逐年變化見圖3。露天開采終了三維效果見圖4。

圖2 礦巖量及生產剝采比逐年變化

圖3 平均出礦品位逐年變化

圖4 開采終了圖

2 邊坡穩定性

2.1 計算參數的選取

穩定性驗算巖體力學參數以邊坡研究報告力學參數為依據。按相關規范[1-3]，礦區地震烈度為6度。地震動峰值加速度分區為0.05 g。選取的巖石力學參數見表1，經過工程方法處理后得到巖體力學參數代入計算模型中[4-6]。

根據規范，不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數見表2。礦南部邊坡危害等級為I級，邊坡高度大于500 m，安全等級為I級。按表2中安全等級I選取安全系數。

將采場邊坡劃分為 I～V五個工程地質分區，邊坡工程地質分區見圖5。

表1 不同巖性巖石力學參數表

表2 不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數

表3 組合Ⅰ時各剖面線處設計邊坡穩定性系數匯總

圖5 邊坡工程地質分區

2.2 邊坡穩定性分析

根據規范[7]，邊坡穩定性計算方法以極限平衡法為定量計算依據，計算的方法根據邊坡破壞模式選取。

該礦邊坡破壞形式主要以圓弧型和折線型破壞為主，圓弧形破壞采用3種計算方法。

根據規范對3種不同荷載組合進行邊坡穩定性計算：荷載組合Ⅰ為自重+地下水；荷載組合Ⅱ為自重+地下水+爆破振動力；荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力，其分析結果見表3～表5。

通過計算3種不同工況下露天終了境界的安全系數，得出各剖面的安全系數大于規范要求的1.15， 邊坡均處于穩定狀態。

表4 組合Ⅱ時各剖面線處設計邊坡穩定性系數匯總

表5 組合Ⅲ時各剖面線處設計邊坡穩定性系數匯總

3 結論

（1）在保證前 3年出礦量的前提下，從生產第4年開始作為過渡時期，加大剝離量，改善了目前采場欠剝離的現狀。

（2）在新的地質模型基礎上，通過分析采礦現狀，進行了采剝計劃調整：生產前3年的剝采比降到了5.00 t/t以下，采剝總量控制在700×104m3。比原初步設計的生產進度計劃（剝采比為8.00 t/t）降低了前期的采剝總量，前3年中每年約減少采剝總量350×104m3。

（3）通過本次采剝優化設計，以及對有效硫的合理利用，均衡了出礦品位，保證每年采出銅礦石品位維持在0.45%～0.47%，品位相對較高，浮動較小，確保了企業前期經濟效益。

（4）引入當量銅，考慮 Cu、S、WO3等有用元素，S采用有效硫作為優化設計。在最終開采境界內，設計可利用的礦石總量增加，給企業增加了產值。

（5）采用對 3種不同工況下的露天終了境界安全系數進行計算分析，各剖面的安全系數大于規范要求的1.15，邊坡均處于穩定狀態。