山達克銅礦擴幫開采數值模擬分析與邊坡監測

杜建春

(中冶集團銅鋅有限公司, 北京 100028)

0 引言

礦產資源是國民經濟建設與社會發展的重要物質基礎,伴隨著工業革命起始,世界經濟極大的發展,對能源物質需求量急劇上升,極大的刺激了資源、能源開發,及水利、交通、城鎮化建設等邊坡工程體系的日益頻繁和廣泛應用[1]。在露天開采方面,隨著資源不斷開發與利用,大量深凹露天礦山不斷涌現,出現了很多高陡的巖質邊坡,據統計礦山露天邊坡設計在300 m以上的一級邊坡占比為34.5%,深凹露天成為世界露天礦山的一種發展趨勢,目前世界上最高礦山美國猶他州-賓漢姆銅礦目前礦坑達到了1 100 m[2]。追其原因,一方面,隨采礦技術與露天裝備性能水平的提高,礦山追求經濟效益最大化和礦產資源量盡可能回收,露天礦山邊坡工程設計常采用極限設計。據統計,對于大型礦山高陡邊坡提高整體邊坡角1°,可減少剝離量費用兩千萬人民幣至億元人民幣。尤其近些年來,礦石價格的飛漲,一些礦山對于露天邊坡境界重新設計,進行露天邊坡擴幫設計或者對掛幫礦回采,對資源量回收,增加礦山經濟收入和延長礦山服務年延。另一方面,露天礦邊坡工程復雜多樣性具有不同于水利水電、公路邊坡具有自身的特點,除礦山巖性本身復雜之外,整個礦山露天從基建剝離、開挖到閉坑之前,露天邊坡幾乎都是臨時邊坡處于動態變化之中[3]。隨著開采的推進與巖石的揭露,對巖性變化及礦石儲量品位變化的認識不斷深化,所以礦山會根據新的的勘探成果對境界適當的調整,提高邊坡角來符合礦山的實際[4]。

對于大型高陡露天礦山,提高邊坡角和增加開采深度,可以減少剝采比增加礦山服務年限,是礦山減少開采成本增加礦山經濟效益的重要手段之一,并且使得礦產資源盡可能回收減少資源的浪費。但是隨著邊坡角的提高和開采深度的增加,露天邊坡的穩定性與安全性越來越差[5]。如青海德爾尼銅礦高陡邊坡在凍融的影響下2014年至今前后發生3次千萬級的滑坡,影響礦山生產,迫使礦山投入大量物力、人力進行滑坡體清理與境界的重新設計。因此,礦山高陡邊坡在深部開采過程中提高邊坡角與邊坡安全的矛盾日益突出。

本文采用FLAC3D軟件數值模擬分析,通過對山達克銅礦擴幫前后邊坡進行應力、應變分析。模擬邊坡擴幫前后的危險區域,為三維激光掃描儀重點監測位置提供監測依據。通過分析監測數據,對潛在滑坡提供預測預報,保證礦山的安全開采。

1 礦山概況

山達克銅金礦位于巴基斯坦西南部的俾路支省查蓋地區,距巴基斯坦邊境小鎮塔夫坦(Kuh-i-Taftan)約35 km,距巴基斯坦西部城市達爾坂丁(Dalbandin)約325 km,二十世紀九十年代初由中冶集團承包建設,1995年建成投產,設計采選生產規模為處理礦石12 800 t/d(425萬t/a),冶煉能力為20 000 t/a粗銅。由于二十世紀九十年代中后期銅金屬價格低迷,巴基斯坦山達克銅金礦自建成投產至今已二十多年,其間雖經歷了較長時間的停產(1996—2002年)。同時,巴基斯坦國內缺乏銅礦采、選、冶的生產管理經驗,該礦投產后只生產了較短時間便停止生產,整個企業處于停產關閉狀態。為了盤活該礦資產,改善巴基斯坦日益惡化的就業狀況,支持巴基斯坦的經濟建設,2002年中冶集團銅鋅有限公司與巴基斯坦政府簽訂了該礦的租賃經營合同[6]。

1.1 地質概況

礦區主要出露地層從新至老有中、新生代的淺海、濱海、大陸沉積巖和火山碎屑巖地層,主要有晚白堊紀的海底火山巖形成的Sinjrani和古新世的Jazzak建造,主要由頁巖組成,以及始新世的灰巖、泥巖和火山集塊巖;漸新世的頁巖、粉砂巖、砂巖,中新世的云英閃長斑巖、安山斑巖。

根據地層、巖漿巖與圍巖蝕變的關系,南露天采場邊坡的巖石,主要有以下七種類型:鉀化云英閃長斑巖POT、絹云母化云英閃長斑巖ST、青盤巖化云英閃長斑巖PT、鉀化粉砂巖POS、絹云母化粉砂巖SS、青盤巖化粉砂巖PS青盤巖化閃長巖、安山巖脈PAD。

1.2 水文狀況

山達克礦區氣候干旱炎熱,冬季持續時間短,凍融時間半個月左右,夏季最高氣溫42 ℃,平均年蒸發量5 944 mm,平均年降雨量24.41 mm。地下水補給條件極差。南露天采場附近除剪切帶和裂隙中含少量水外,沒有大的含水構造,從目前已有的少量水文地質資料看,將來露天采場邊坡基本上處于無水(地下水)條件。

1.3 擴幫設計

山達克銅金礦南礦體屬典型的斑巖型銅礦,礦體呈柱狀產出,傾角70°～80°。根據當年完成的巖石力學研究成果,原設計最終邊坡角為45°(758 m標高以上)和42°(758 m標高以下),露天開采境界底長約230 m、寬約100 m、底標高626 m。隨著礦山向深部開采,結合露天采場揭露巖體的實地考察,經過重新分析計算得到邊坡安全系數較高,可以通過加陡邊坡角實現擴幫開采,實現露天采場邊幫和底部的殘留礦體。擴幫設計開始標高758 m水平,將原設計的626 m臺階向下延伸4個臺階共48 m,礦幫后設計最低標高至578 m,采坑最大采深達到396 m。經過擴幫部分臺階進行并段,將原來西邊坡設計758 m標高以下邊坡角從42°提高到55°,致使邊坡加陡、安全風險增大[7]。

2 擴幫前后的三維數值模擬分析

山達克銅礦經過擴幫之后758～578 m標高之間邊坡角由原來的42°提高到55°,最終形成396 m的高陡邊坡,邊坡的加高加陡使礦山開采的風險加大,一旦邊坡失穩嚴重威脅到人員與設備的安全,并且會影響礦山連續生產。所以礦山邊坡的安全分析尤為重要,隨著計算性能的不斷提升,全地層建模的三維數值模擬分析已成為邊坡穩定性分析主流手段。數值模擬方法在巖土工程應用廣泛,主要包括有限元法和離散元法,本文采用有限元FLAC3D軟件對擴幫前后邊坡進行穩定性計算。主要目的是針對擴幫后邊坡及周圍巖體的位移、應力分布變化做一個定量分析,并對三維激光重點監測位置作為指導。圖1為FLAC的一般求解流程[8]。

圖1 FLAC一般求解流程圖

數值模擬所需巖體力學參數見表1所示。

表1 邊坡巖體力學參數

(1)擴幫之前數值模擬

圖2、圖3為擴幫前的最大主應力云圖及剖面圖,山達克銅礦礦區地表比較平整,采場外圍無高大自然山體,模型的應力大小受地形的影響,隨深度的增加而增大,越接近坡面主應力值越小,在淺部邊坡面上有小區域的應力集中。主應力的方向從地表至深部的垂直方向,在邊坡深部逐漸轉為邊坡面的順坡方向。圖4為模型的整體位移云圖,邊坡巖體的位移主要向采坑臨空面和自然下沉移動,山達克銅礦整體巖性條件比較好,以閃長斑巖青盤巖化粉砂巖為主,無第四系土層及松散巖體。且在境界設計中與采礦中采坑的形狀近似規整圓形凹露天,與常見高陡邊坡在開采中變形及位移主要發生在采場的深部。

圖2 模型最大主應力云圖

圖3 最大應力剖面圖

圖4 模型整體位移云圖

(2)擴幫之后數值模擬

山達克銅金礦擴幫設計是將原來設計的坑底標高+626 m向下延伸48 m至578 m標高,西邊坡758 m以下整體邊坡角由原來的42°提高到55°,形成高陡邊坡。圖5為擴幫后模型的剪應變增量云圖,經過擴幫后的模型顯示在西邊坡坑底位置的剪應力增量比較大,最大剪應力增量為0.12 MPa。圖6、圖7為模型的X方向的位移云圖及剖面位移云圖,位移情況無論在尺度和范圍上都比擴幫之前有所增加,在X方向上向臨空面移動最大位移30 cm。

圖6 模型X方向位移云圖

圖7 X方向位移云圖剖面圖

根據數值模擬結果,擴幫之后在西邊坡坑底區域剪應力和位移都急劇增加。所以在今后擴幫開采過程中應該把邊坡人工巡查及三維激光掃描儀的監測重點區域放在采坑的深部。

3 三維激光掃描儀監測

對于巖質邊坡來說,通常邊坡失穩破壞從內部巖體破裂逐漸發展至邊坡表面引起變形和位移,所以邊坡的變形或位移是邊坡穩定狀態的最直觀的反映,可以直接用來判斷邊坡的穩定狀態[9]。目前邊坡的表面位移監測類型采集方法主要有接觸式監測方法和非接觸式監測方法兩種。GPS、大地測量這種傳統的接觸式點監測手段,首先尋找合適的監測點進行布點,難以適合于復雜地形,對于高陡邊坡布點存在困難,并且點監測對于區域性連續獲取數據和大區域連接分析具有致命的缺陷[10]。隨著科技技術能力發展,在礦山測量方面邊坡雷達、三維激光掃描技術這種非接觸測量是測量技術即GPS技術之后的又一次技術革命[11]。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”,在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量,獲得點云數據。海量點云數據經過三維重構可以再現邊坡現狀,實現對邊坡實時變形監測。銅鋅公司根據實際需要引入的I-Site 8820XR-CT三維激光掃描儀,該三維激光掃描儀監測邊坡具有整體精度高,500 m的監測距離點云間距為20 cm左右,監測精度可達毫米級。非接觸式測量對于危險區域可實現全天候無人值守測量,并且測量數據可用于礦上現狀測量與外接軟件對接建立礦上實體三維模型。

3.1 監測方案與監測預警

根據三維數值模擬的結果,山達克銅礦在擴幫前后位移和潛在邊坡失穩區域在西邊坡的深部,所以重點關注區域應該在邊坡的深部區域。結合三維激光掃描儀的測量傾角與采場的開采布置。將三維激光掃描儀布置在東邊坡+806 m平臺,圖8為三維激光掃描儀布置位置及可監測范圍圖。

圖8 三維激光掃描儀布置位置圖

巖質邊坡滑坡預測預報的核心是預報方法與預報判據。預報方法確立之后,如果沒有正確的預報判據,就無法進行準確的預報。主要從累積位移量和位移速率變化率兩方面分析評價邊坡穩定狀態。累積位移量按表2劃分為5個等級。

表2 邊坡監測累積位移等級表

位移速度變化率是監測預警的重要判別標志,是當位移與時間關系曲線上某點的切線與橫坐標(時間軸)的夾角α(簡稱切線角)成90°時,即tanα→∞時,則認為邊坡發生破壞。該點所對應的時間為破壞時間,如圖9所示。

圖9 變形-時間曲線

根據國內外滑坡監測成果,與四級預警機制相匹配,確定了西邊坡滑坡監測預警的判據如表3所示。

表3 邊坡監測預警判據表

3.2 重點監測區域

邊坡進行變形監測時需劃分重點監測區域,以便掌握各不同區域邊坡風險等級與危害程度,以利現場施工組織與邊坡管理。隨著擴幫的進行位移云圖的變化,在三維激光掃描后臺軟件設置的重點監測區域也在不斷變化,重點監測區域和各區塊位置示意見圖10所示。

圖10 重點監測區域和各區塊位置示意圖

3.3 監測結果

三維激光掃描系統可獲得監測區域的整體位移分布信息,即位移云圖(深色代表位移較大的潛在危險區域,淺色代表位移較小的安全區域)。如圖11～圖14所示,圖中西邊坡662～626 m平臺的藍色區域為前期生產作業區域。該功能可使監測人員能夠直觀了解監測區域內存在的潛在危險區域,從而有針對性地制訂采礦方案,并為制定滑坡應急預案提供依據。因篇幅有限,本論文僅顯示部分年份月份位移云圖。

圖11 2018年3月份監測云圖(監測初期)

圖12 2019年5月份監測云圖(位移突變)

圖13 2020年7月份監測云圖

圖14 2021年9月份監測云圖

圖15 2019年重點監測區域位移曲線圖

三維激光掃描儀監測邊坡是通過間斷性發射激光,以高精度距離變化來判斷真實位移變化情況來預測和判斷邊坡是否失穩。以監測初期的位移云為場景,后期位移變化是以初期場景相比較,所以監測初期位移量不大。

在邊坡變形監測中,邊坡位移量和位移曲線形態是滑坡預測的重要判斷標準。因此,累積位移曲線為判斷滑坡進入臨滑階段最直接、有效的依據。圖12顯示2019年重點監測區域位移曲線圖,在5月份時,位移曲線發生突變,位移曲線與時間軸夾角介于45°～80°之間,位移曲線進入初加速階段。在現場踏勘過程中發現+686 m平臺出現裂縫,位移云圖見圖3.5,監測預警級別達到警示級。在上升為警示級后,每周定期巡視+686 m平臺裂縫區域,要求通過下方設備和人員快進快出。至此以后重點監測區域位移持續勻加速上升,累計位移不斷增加,臨近擴幫工程結束時最大位移量為330 mm。所以監測等級上升最大為二級,監測預警級為警戒級。為礦山邊坡現階段風險等級最高區域,需密切關注后續變形發展情況及發展趨勢。

4 結論

(1)本文通過對山達克南礦體經過前后的邊坡的應力、位移分布情況進行了數值模擬研究,研究顯示擴幫后的西邊坡坑底區域剪應力和位移均急劇增加,確定該區域為三維激光掃描儀的重點監測區域。

(2)礦山通過布設的三維激光掃描儀系統監測對邊坡表面的位移變化做了監測,通過分析監測數據,并與預警判別標準對應,保證了礦山擴幫之后的安全生產。

(3)由位移云圖可知,隨著監測時間的推移和擴幫的持續推進,南礦體西邊坡整體形變持續增加,大規模變形破壞主要集中于采場西北部+806 m～+626 m平臺(其中+710 m～+662 m平臺變形最大)。與數值模擬的結果近似吻合,位移量主要集中在采場的深部,用高精度測量技術也驗證了數值模擬的合理性。