剛果(金)某銅礦邊坡穩定性及監測預警技術研究

孫言飛

(紫金礦業集團股份有限公司)

隨著國家“一帶一路”戰略的逐步實施，我國礦業開發和基礎建設在非洲迅猛發展。在非洲剛果(金)的礦產資源開采中，以露天開采為主要開采方式。由于非洲歷史原因，表層易采資源量殘留極少，礦產資源的開采快速轉向深部。對露天開采而言，“深部”即為邊坡逐漸演化為高邊坡[1]。高邊坡揭露面積大，受各種誘因影響，更容易發生滑坡、崩塌等災害。如何保證礦山安全生產過程中邊坡的穩定，不僅成為各企業重要的安全任務，也成為各企業重要的科技項目。通過系列的工程技術方法，以期實現從“被動治理”到“主動防控”的跨越。

以剛果(金)某銅礦邊坡為例，系統介紹了該邊坡的工程地質特征、巖體力學特征、邊坡破壞模式、邊坡結構參數優化以及安全監測預警方法。

1 礦山概況

1.1 交通位置

該銅礦位于剛果(金)盧阿拉巴省的科盧韋齊市西南郊區，礦區中心地理坐標：東經25°27′15″，南緯10°43′30″。

1.2 開采現狀

該礦開采方式為露采+汽車運輸。目前，年采剝能力1 400萬m3。形成采坑長1.4 km，寬度616 m，采坑頂界最高標高1 430 m，開拓水平的最低標高1 322 m，形成的采坑垂直最大高度108 m，臺階高度12 m，見圖1。

圖1 采場開采現狀

現狀東幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，單臺階高12 m，邊坡高108 m，邊坡角17°。

現狀北幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，單臺階高12 m，邊坡高108 m，邊坡角19°～23°。

現狀西幫剝離形成+1 334～+1 406 m臺階，邊坡高72 m，邊坡角16°。

現狀南幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，邊坡高108 m，邊坡角18°～24°。

2 影響邊坡穩定性因素分析

影響邊坡穩定性的因素一般有巖體工程地質特征、水、動力因素(爆破振動、地震)等。

2.1 巖體工程地質特征

礦區位于科盧韋齊推覆體中，邊坡巖性較復雜，產狀變化大，巖石風化作用、巖溶作用強烈，構造破碎帶發育，巖石破碎，強度變化大。

2.2 水對邊坡穩定性的影響

(1)降雨。礦區屬于熱帶草原氣候，雨季下雨較為頻繁，對由第四系、砂巖、泥巖組成的上部邊坡穩定性影響大。

(2)地下水。礦區水文地質條件復雜，邊坡體內強、弱含水層交替出現，含水層多、分布廣，地下水具有較大的靜水壓力。

2.3 動力因素

(1)爆破振動。目前開采集中在露天采場近地表部分，邊坡巖體主要為風化的砂巖、泥巖、白云巖，剝離主要采用機械開挖的方式；礦體賦存在硅化白云巖中，硬度高，揭露區域采用爆破方式開采。生產爆破未采取減震措施，有強烈震感，對邊坡穩定有影響。

(2)地震。礦區所在地無地震記錄。地震對該礦邊坡穩定性的影響，參考美國地震局對剛果金地震加速度劃分。

2.4 構 造

F1、F3斷層穿越整個采場，切割邊坡，對邊坡穩定性不利。

3 邊坡穩定性研究

邊坡穩定性研究是一項系統性的工作，涉及到邊坡地質條件調查、邊坡巖體力學參數特征研究、邊坡破壞模式判斷、邊坡穩定性研究方法選取等。

3.1 邊坡地質分區及破壞模式

邊坡設計高度216 m，最終邊坡角31°～44°，屬于中高邊坡。根據邊坡巖體工程地質特征、邊坡形態、破壞模式等，邊坡穩定性研究工程地質分為8個區，如圖2所示。

圖2 邊坡穩定性研究地質分區

各分區特征描述及邊坡破壞模式見表1。

表1 邊坡工程地質分區及破壞模式

3.2 邊坡巖體力學參數選取

廣義Hoek-Brown經驗強度準則[2]為：

(1)

式中，σ1、σ3分別為巖體破壞時的最大、最小主應力，MPa；σc為巖塊單軸抗壓強度，MPa，可以由單軸壓力試驗和點載荷試驗確定；mb、S、a均為巖體的Hoek-Brown常量。

根據式(1)，利用Rocscience軟件RocDate模塊對邊坡巖體力學參數進行計算，結果如表2。

表2 穩定性計算巖體力學參數

3.3 邊坡穩定性計算分析

(1)動力因素。爆破振動加速度的處理方法采用擬靜力法，將高頻的爆破振動加速度轉換為頻率與地震頻率相當的、與邊坡穩定性密切相關的1 Hz 頻率的等效加速度[3]，可按下式計算：

(2)

式中，b為等效加速度的頻率影響系數，可取為1.05～1.20，頻率高時取大值；f為振動頻率，Hz；af為現場實測加速度值，地震見圖3，取0.047 6g。

(2)水因素。定性計算水位由滲流場導入。

根據以上原則，該銅礦邊坡穩定性安全系數如圖3。

圖3 各分區剖面邊坡最小安全系數

由圖4、圖5，D區、H區邊坡安全系數不滿足要求。由表1，導致D區、H區邊坡穩定性不滿足要求的主要原因位F1、F3斷層。由于F1、F3斷層分布在邊坡內部位置較深，錨固措施不合理，采取優化邊坡結構參數(圖4、圖5)提高穩定性，優化后其安全系數分別為1.153、1.151。

圖4 D區邊坡結構參數優化調整

圖5 H區邊坡結構參數優化調整

4 邊坡監測預警

滑坡的正確預報應該基于合理選定適宜的預測模型和完善的預測結果?；骂A測預報模型很多，具體見表3。

表3 滑坡預報的模型和方法

4.1 基于時間序列的位移突變模型建立

由于邊坡滑動破壞是一個時空效應的漸進破壞過程，所以位移值隨時間變化規律可用連續函數S=f(t)來描述。選取關鍵部位不同時間的位移值，擬合成巖體位移—時間曲線的泰勒級數形式，截取至4次項，化成尖點突變的標準勢函數形式，可得到位移突變模型。

4.2 初始預警值的確定

初始預警值可以根據邊坡極限狀態下位移分布圖確定。本研究以結構參數優化調整后的D區、H區邊坡為例，其極限狀態下位移分布見圖6、圖7。

圖6 D區邊坡極限狀態下位移分布 (單位：m)

圖7 H區邊坡極限狀態下位移分布 (單位:m)

由圖6可見，17 mm為D區邊坡預警初值；由圖7可見，15 mm為H區邊坡預警初值。

4.3 基于統計模型與位移反分析模型聯合預警

由數值模擬給出邊坡各個分區的初始預警值，在正常生產過程中，通過位移監測數據進行分析，予以區域安全度劃分；依據突變模型，建立基于時間序列的位移突變統計模型，判斷邊坡的破壞情況，與邊坡破壞實際相結合，不斷修正預警值；同時，建立位移反分析模型反演巖土體力學參數，重新計算邊坡穩定性，從而對邊坡進行突變與安全系數的聯合預警，即實現臨滑、中短期、長期預報預警。

5 結 論

(1)構造對該礦邊坡的穩定性影響大，其所在D區、H區邊坡安全系數不滿足規范要求。

(2)D區、H區邊坡結構參數優化調整主要以消除構造對邊坡穩定性影響為主，優化調整后，安全系數滿足規范要求。

(3)應用統計模型與位移反分析模型聯合預警可實現邊坡臨滑、中短期、長期預報預警。