露天矿最终帮坡角及采深协同优化研究_郭赟林.pdf

露天矿最终帮坡角及采深协同优化研究 郭赟林 1 刘艳章 1， 2 黄诗冰 1， 2 胡斌 1， 2 李凯兵 1 李伟 1 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要最终帮坡角和采深是露天矿境界设计中2个相互影响的关键参数， 其取值与露天矿的安全经济性密 切相关。为探讨上述2个参数的合理取值， 以西藏某露天铜矿12典型勘探线剖面为研究对象， 按经验类比法初步 确定该剖面西、 东边帮的最终帮坡角取值范围为38～44， 选取不同的两帮坡角度值组合， 根据境界剥采比小于经 济合理剥采比的原则， 计算得到底部标高取值范围为 4 135～ 4 108 m。构建了该剖面的露天境界最终边帮有限 元数值模型， 采用强度折减法计算得到西、 东帮的稳定安全系数， 根据实际工程设计需要的边帮安全系数以及开采 的经济性， 得到该剖面合理的最终帮坡角与采深。研究表明 露天边帮稳定性随着最终帮坡角和采深的增加逐渐 降低， 且最终帮坡角的变化对本侧边帮稳定性的影响远大于对侧边帮， 两参数之间互相影响， 共同决定露天矿的安 全经济性； 计算得到该剖面合理的西、 东帮最终帮坡角分别为42、 43， 底部标高为 4 117 m， 总采深为920 m。所 采用的露天矿最终帮坡角及采深的协同优化思路可为露天矿山科学确定相关参数提供参考。 关键词露天开采边帮安全系数最终帮坡角开采深度经济合理剥采比数值模拟 中图分类号TD854文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-037-06 DOI10.19614/ki.jsks.201905007 Study on Synergistic Optimization of Final Slope Angle and Mining Depth in Open-pit Mine Guo Yunlin1Liu Yanzhang1， 2Huang Shibing1， 2Hu Bin1， 2Li Kaibing1Li Wei12 （1. College of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractThe final slope angle and mining depth are two key parameters that affect each other in the design of open-pit boundary， and their values are closely related to the safety and economy of open-pit mine.In order to discuss the reasonable values of the above two parameters， taking the 12typical exploration line section of an open-pit copper mine in Tibet as the study example， based on empirical analogy ， the final slope angles of the western and eastern slopes of the section are preliminarily determined as 38～44， and the combination of different slope angles are selected.According to principal of the boundary stripping ratio less than economic stripping ratio， the calculated bottom elevation is from 4 135 m to 4 108 m. The finite element numerical model of the final slope of the open-pit boundary of the section is established.The safety factors of the western and eastern slopes are calculated by strength reduction .According to the safety factors of the slope and the economy of mining， the reasonable final slope angle and mining depth of the section are obtained.The study results show that the stability of open-pit slope decreases gradually with the increase of final slope angle and mining depth， and the influ- ence of final slope angle on the stability of slope is much greater than that of the opposite side slope， the two parameters influ- ence each other and determine the safety and economic effect of open-pit mine together； the calculated reasonable final slope angles of the western and eastern slopes of the section are 42 and 43 respectively，with the bottom elevation is 4 117 m and the total mining depth is 920 m.The above study ideal of synergistic optimization of final Slope angle and mining depth in open-pit mine can provide some reliable reference for the scientific determination of relevant parameters in open-pit mines. KeywordsOpen-pit mining， Safety factor of slope， Final slope angle， Mining depth， Economic stripping ratio， Numerical simulation 收稿日期2019-03-28 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51074115， 51574183， 41702291） 。 作者简介郭赟林 （1992） ， 男， 硕士研究生。通讯作者刘艳章 （1969） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 37 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 随着矿山开采逐步推进， 露天矿边帮高度与帮 坡角会逐步增加， 导致边帮安全稳定性逐步降低 ［1-2］， 大型露天矿山边帮稳定性已成为制约矿山安全生产 与发展的关键问题， 同时最终帮坡角与采深直接影 响露天境界剥采比的大小， 进而影响整个露天矿山 的经济效益。因此在矿山设计中， 有必要兼顾露天 矿山的安全性与经济性， 在考虑露天边帮稳定性与 开采经济性的条件下， 确定上述2个参数的合理取 值， 对于保障露天矿山安全生产和经济效益具有重 要的理论和实践意义。 目前， 关于露天境界参数取值的研究主要以矿 山经济成本为目标进行优选。Contreras等 ［3］在考虑 露天帮坡失稳成本的基础上， 对露天矿的最终帮坡 角进行了优化； Akbari等 ［4］基于极小化风险成本模 型， 构建了最终境界的决策模型； 张伟峰等 ［5］采用浮 动圆锥法对境界参数进行了优化， 结果表明， 在一定 范围内， 增加帮坡角可以提高开采经济效益； 胥孝川 等 ［6-7］提出分等级优化算法， 改善了锥体重合问题， 并 在此基础上进一步分析了帮坡角对最终境界的影响 规律， 发现帮坡角的增加会引起底部尺寸增大或采 深降低； Shishvan等 ［8］采用样条插值法研究了境界帮 坡角的设置问题， 实现了在任意方位上设置不同的 帮坡角； 黄俊歆等 ［9］基于矿体3D模型， 提出了露天矿 几何约束的改进模型， 可模拟露天境界任意位置上 帮坡角的变化； 杨彪等 ［10］在静态价值模型的基础上， 采用LG算法初步确定境界， 通过编排进度计划， 将 时间属性加入计算模型， 分别统计各方案的净现值 来确定最终境界； 张延凯等 ［11］基于改进的最小搜索 模式算法， 通过生成LG算法初始有向图的方法， 提 高了境界优化算法的准确性和帮坡角的取值精度。 可见， 上述研究主要针对露天矿的经济成本展开分 析， 而对露天境界参数优化带来的边帮安全稳定性 问题考虑较少。近年来， 也有部分学者以露天边帮 稳定性为目标， 对露天境界的关键参数进行了优化 研究。李俊平等 ［12］通过计算边坡的应力分布状态， 认为最终帮坡角的取值与边坡类型、 岩性、 采深等有 关； Feng等 ［13］采用临界滑动场理论对某露天矿帮坡 角进行优化， 在确保边帮稳定的条件下， 使得最终帮 坡角增加了3； 刘佶林等 ［14］利用极限平衡法对不同 最终帮坡角方案对应的露天境界进行了稳定性分 析， 讨论了境界优化收益与边帮风险之间的关系； Singh等 ［15］开展了现场勘察试验并获得了岩石的基本 物理力学参数， 通过数值模拟方法对某露天矿边帮 稳定性进行了研究， 确定了合理的最终帮坡角。上 述研究主要集中于最终帮坡角取值对露天矿边帮稳 定性的影响， 忽略了露天矿山设计中最终帮坡角和 采深两者之间的联系 ［16-20］。在经济合理剥采比确定 的条件下， 最终帮坡角的变化会间接引起采深的改 变， 进而影响边帮稳定性。由于传统设计中露天矿 最终帮坡角通过经验类比法确定， 导致最终帮坡角 和采深确定具有较大的随机性， 且多以总采深来衡 量两帮的帮坡角取值， 未具体分析顶底帮对应不同 坡高导致的稳定性差异。因此， 在考虑边帮稳定性 与经济合理性的基础上， 有必要对露天境界参数优 化方法进行进一步研究。 本研究以西藏某铜矿12勘探线剖面为例， 通过 经验类比法初步确定两帮坡角的取值范围， 并选取 不同的两帮坡角度值组合， 根据境界剥采比不大于 经济合理剥采比的原则， 确定出对应的底部标高， 采 用有限元强度折减法分别计算出西、 东帮的稳定安 全系数， 在确保露天矿安全经济开采的前提下， 获得 该剖面的合理最终帮坡角与采深。 1工程概况 西藏某铜矿矿体埋藏浅、 储量大， 适合进行大规 模露天开采， 矿床平均品位为0.62， 设计矿石年产 量为1 800万t， 经济合理剥采比为8.0 m3/m3。矿体空 间形态总体呈筒状， NNWSSE 走向， 最大厚度约 362 m， 最小厚度约6.54 m， 平均厚度约232.94 m。矿 体平面长轴约 1.6 km， 短轴约 0.9 km， 面积约 0.85 km2， 勘探深度超过3 900 m标高。该矿两边帮由大 理岩、 石英砂岩、 灰岩、 花岗斑岩等组成， 为中厚层状 结构， 厚度为100～200 m。 根据露天境界设计需要， 选取具有代表性的12 勘探线剖面研究最终帮坡角和采深对边帮稳定性的 影响。根据矿体赋存条件和埋藏深度， 绘制了开采 终了露天境界示意图， 如图1所示。根据相关地质勘 察资料， 获得该矿各类围岩的物理力学参数， 如表1 所示。 2计算方案设计 2. 1两帮坡角取值范围 露天开采的境界剥采比受到最终帮坡角与采深 38 ChaoXing 郭赟林等 露天矿最终帮坡角及采深协同优化研究2019年第5期 共同影响， 而采深由最终帮坡角、 底部标高以及地形 线共同决定， 在矿区地形条件一定时， 可通过最终帮 坡角和底部标高确定出采深。当采深保持恒定时， 随着最终帮坡角的减小， 所需的剥岩量急剧增加， 会 导致境界剥采比大幅增大。因此， 在保证露天边帮 安全的前提下， 为尽可能多地开采矿体并少剥离围 岩 （境界剥采比尽可能小） ， 需使最终帮坡角尽可能 增大， 以达到 “多采矿、 少剥岩” 的目的。 西藏某铜矿12勘探线剖面西、 东帮围岩为灰岩、 石英砂岩、 花岗斑岩等， 岩石坚固性系数f6～8， 属于 较稳固岩石， 类比其他露天金属矿山 ［21］， 确定的台阶 坡面角取值范围为60～65， 初步确定西、 东帮的最 终帮坡角取值范围为38～44。 2. 2最终帮坡角和采深确定 在初步确定的西、 东帮最终帮坡角范围 （38～ 44） 的基础上， 以1为步长， 将西、 东帮最终帮坡角等 间隔划分为7个角度值， 用i， j分别代表西、 东帮坡角 依次对应的7个不同取值， 计算方案矩阵为Cij（i，j 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7） ， 共有49种计算方案。 在确定经济合理剥采比和两帮坡角的基础上， 以境界剥采比不大于经济合理剥采比为原则确定最 终帮坡角取值。首先分别计算每种方案下各采深的 境界剥采比； 再绘制出采深境界剥采比回归曲线； 最后以经济合理剥采比作为临界值， 得出12勘探线 不同方案下的经济合理采深， 计算结果取整数值。 3边帮稳定性分析 根据西藏某铜矿工程地质条件， 分别建立不同 计算方案下12勘探线开采终了横剖面的数值模型， 运用有限元强度折减法对不同计算方案下露天矿边 帮稳定性进行计算分析。 3. 1数值模型建立及边界条件 根据不同计算方案的最终帮坡角和采深， 采用 ANSYS软件构建了12勘探线剖面二维模型。按照 表1赋予岩石材料相应的材料属性值， 在模型底部和 左右两侧添加水平和竖向荷载以限制其移动， 并对 其进行等效应力约束、 边界荷载加载和网格划分等 处理， 如图2所示。 3. 2露天境界西、 东帮安全系数计算 采用有限元强度折减法对构建的模型进行数值 计算， 此时的折减系数即为边帮的强度储备安全系 数。由于对模型进行整体强度折减计算时， 只要存 在不收敛区域， 计算就会终止， 无法同时在露天矿 西、 东帮得到塑性贯通区， 只能得到形成贯通区一侧 的边帮安全系数。为分别得到西、 东帮的安全系数， 取相应边帮建立数值模型， 采用局部强度折减法计 算边帮稳定安全系数。以计算方案C11为例， 对西、 东 帮分别进行局部强度折减， 结果如图3所示。 由图3可知 露天矿西、 东帮均出现了明显的塑 性贯通区， 形成了潜在滑移面， 并且在地层分界线和 坡角处应力集中现象比较突出， 与该矿山边帮实际 情况相吻合。 通过对所有方案进行有限元计算， 得出各计算 方案的西、 东帮安全系数， 如图4、 图5所示。 由图4可知 在东帮坡角一定的情况下， 随着西帮 坡角逐渐增加， 西帮安全系数迅速减小； 在西帮坡角 保持恒定时， 东帮坡角逐渐增大， 采深也随之增加， 进 而导致西帮安全系数逐渐减小， 但下降幅度明显低于 39 ChaoXing 西帮坡角对西帮稳定安全系数的影响。Ci1（i1， 2， 3， 4， 5， 6， 7） 计算方案中， 东帮坡角为38保持不变， 随着西帮坡角由38逐步增加到44， 西帮稳定安全 系数由1.56减小到1.13， 相比减小27.6；C1j（j1， 2， 3， 4， 5， 6， 7） 计算方案中， 西帮坡角为38保持不变， 随着东帮坡角由38逐步增加到44， 西帮稳定安全 系数由1.56减小至1.49， 相比减小4.5。说明西帮 稳定性受两帮坡角共同影响， 但西帮坡角的变化对 西帮稳定性起主导作用， 东帮坡角的变化通过影响 采深而间接影响西帮的安全稳定性， 影响程度相对 较小。东帮也可由图5得出相似的结论。 西藏某露天铜矿12勘探线剖面两露天边帮高差 大于500 m， 属于超高露天边帮， 根据 非煤露天矿边 坡工程技术规范 （GB 510162014） ， 确定该矿的边 帮工程安全等级为I级， 且处于高海拔寒区冻土地 带， 考虑开采过程中机械与爆破振动、 冻融循环作用 对边帮稳定性的影响， 为确保矿山边帮的安全性， 边 帮工程设计安全系数取1.25。 根据表2中不同计算方案的底部标高与边帮安 全系数， 在确保矿山安全经济的前提下， 以 “多采矿、 金属矿山2019年第5期总第515期 40 ChaoXing 少剥岩” 为原则， 确定12勘探线剖面的合理最终帮坡 角与采深。首先以工程设计的安全系数为临界值， 筛选出西、 东帮同时满足工程设计需要的边帮安全 系数； 再从可选组合中选取最终帮坡角和采深的最 大值； 最后得到合理的西、 东帮坡角分别为42、 43， 底部标高为4 117 m， 总采深为920 m， 此时西、 东帮 的边帮高度分别为920 m和615 m。 4结论 （1） 依据经验类比法得到西藏某露天铜矿12勘 探线剖面最终帮坡角的取值范围为38～44， 两边帮 的安全系数为1.12～1.68， 说明传统经验类比法有较 好的参考价值， 但实际露天矿山设计中有必要根据 具体情况进行分析计算， 方可满足实际开采的安全 要求。 （2） 随着最终帮坡角和采深的增加， 露天边帮稳 定性逐渐降低， 且最终帮坡角的变化对本侧边帮稳 定性的影响程度远大于对侧边帮， 两参数共同影响 露天矿的安全经济性。 （3） 该露天铜矿12勘探线剖面优化后的西、 东帮 最终帮坡角分别为42、 43， 底部标高为4 117 m， 总 采深为920 m。 参 考 文 献 杨天鸿， 张锋春， 于庆磊， 等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及 发展趋势 ［J］ .岩土力学， 2011， 32 （5） 1437-1452. 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