最终边坡角

矿区位于江南台隆与钱塘坳陷衔接部位, 乐平—德兴中生代火山盆地的东北缘, 赣东北深断裂带的西北侧。区域内广泛出露前震旦系双桥山群浅变质岩系, 其上零星覆盖从震旦系到中生界沉积岩、陆相火山岩。双桥山群浅变质岩受构造应力作用形成矿区主体褶皱构造, 轴向北东倾伏的银山背斜。

地层主要出露有前震旦系双桥山群(AnZnSh24), 侏罗系上统鹅湖岭组(J3 e)的部分地层, 以及第四系地层。主要岩性包括千枚岩、英安斑岩、石英斑岩以及第四纪的残堆积物。

银山露天边坡主要包括微风化千枚岩、中等风化千枚岩、强风化千枚岩、英安斑岩与石英斑岩5种工程地质岩组。

露天采矿边坡在72 m水平之上, 各方向边坡呈不连续分布, 可划分为4个规模不等、相对独立的边坡, 分别为西边坡、西北边坡、东北边坡和南边坡。

随着开采深度的加大, 70 m水平之下构成统一的凹形边坡。5 000 t/d开采规模最低设计开采水平为-192 m。目前开采水平大致在60 m, 各个边坡在岩体力学环境上仍有其相对独立性, 其组成和形态亦有所不同。5 000 t/d采场最终境界的几何边界用Minesight建立边坡三维模型,。

Minesight与CAD有很好的兼容性, 建模过程简单。取典型东西剖面Ⅰ -Ⅰ 进行东北边坡与西边坡的数值模拟计算划分剖面网格,共划分3 550个节点、10 998个单元, 对模型侧面施加水平位移约束, 底部施加竖直位移约束。分别模拟计算45°, 46°, 47°不同最终边坡角边坡的稳定性,进而对最终边坡角进行优化。

露天矿最终边坡角是重要的边坡结构参数, 提高最终边坡角, 将减少剥离量, 经济效益十分可观,据德兴铜矿设计资料表明, 该矿总边坡角每增加1°, 可减少剥离量940万m3 , 节约剥离费用4 700万元。另一方面, 最终边坡角设计的过大, 边坡破坏概率和开采难度增大, 可能因边坡失稳造成严重的安全事故。因此, 设计出最优的最终边坡角, 对边坡的稳定性、矿山的生产安全和经济效益具有重大意义。为了获得最佳经济效益, 在安全的前提下尽可能选用较大的最终边坡角 。

银山矿是江西铜业公司所属的一座中型矿山,位于德兴市境内, 主要产出铜、铅、锌、银、金等金属。矿山为露坑联合开采, 目前正在实施九区铜金矿5 000 t/d采选技术改造工程建设, 露天采场工程将产生倒立台体状人工边坡, 边坡的最大高度达434 m, 最终边坡角为45°, 台阶高度为12 m, 最小工作平台宽度为40 m, 工作台阶坡面角为70°, 台阶坡面角为65°, 安全平台宽度为5.6 m。

根据现开采边坡稳定性及岩体结构特性, 其最终边坡角局部有提高的可能, 为提高矿山经济效益,本文通过FLAC3D对其最终边坡角进行优化计算, 运用Minesight软件建立计算模型, 并在模型建立与导入计算方面进行了有益的探索 。

采用有限差分软件FLAC3D以45°, 46°和47°三种最终边坡角模拟分析边坡稳定性, 并采用强度折减法计算不同最终边坡角的安全系数。为了更好地模拟不同边坡角时边坡稳定性, 进行边坡剪应变增量的变化和速度矢量的变化综合分析。

1　45°最终边坡角分析

45°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡较西边坡剪应变大;速度矢量整体上来看, 并没有表现出“剪出”的态势;东北边坡剪应变增量贯通坡体, 强度折减算得边坡安全系数为1.181 6。

2　46°最终边坡角分析

46°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡剪应变增量及出现剪应变的范围比西边坡大, 东北边坡剪应变增量贯通坡体, 存在潜在的滑移面, 从速度矢量看出现明显的滑动趋势, 有产生圆弧滑坡的可能。强度折减算得边坡安全系数为1.176 5。

3　47°最终边坡角分析

47°最终边坡角数值计算剪应变增量、速度矢量。结果表明:东北边坡剪应变增量贯通坡体, 速度矢量增大滑动趋势明显;西边坡总体稳定性较好, 但剪应变基本贯通坡体。强度折减算得边坡安全系数为1.169 9。

4　结果分析

从计算结果分析, 不同最终边坡角时边坡围岩稳定性具有以下特点。

(1)东北边坡与西边坡剪应变增量贯通坡体,东北边坡较西边坡增量大;随最终边坡角的增大, 塑性区范围逐步向坡顶发展扩大;3个角度下东北边坡塑性区都从坡顶贯通至坡趾, 西边坡在47°下塑性区才从坡顶贯通至坡趾;两边坡均存在潜在的滑移面, 东北边坡稳定不如西边坡。

(2)边坡上部位移矢量垂直向下, 表现为“沉降”, 中部位移矢量近乎与坡面平行, 表现为“剪切”, 下部位移矢量在渐进坡趾处表现为“剪出”;东北边坡位移较西边坡大, 随角度增加东北边坡增加的比西边坡更快, 边坡的潜在破坏以浅表层圆弧形剪切破坏为主。

(3)用强度折减法算得45°, 46°, 47°安全系数依次为1.181 6, 1.176 5, 1.169 9, 由于模拟计算采用微风化千枚岩的物理力学参数, 弱化了岩体力学性质, 因此安全系数均偏小。

运用FLAC3D数值模拟软件, 通过改变最终边坡角的数值计算, 对边坡结构参数进行优化, 得到了不同最终边坡角时边坡剪应变增量和速度矢量的变化规律, 分析了不同最终边坡角下边坡围岩稳定性。结果表明:最终境界相对较高的东北边坡45°的最终边坡角比较合理;最终境界相对较低的西边坡可适当提高, 46°时边坡稳定较好。因此, 建议提高西边坡最终边坡角至46° 。2100433B

确定最终边坡角的常用方法有经验类比法、极限平衡法、数值分析法等。其中，经验类比法叫仅通过对比分析相似条件下的边坡工程，主观选取相应的边坡构成参数，缺少对边坡的系统性分析，误差较大，设计中往往偏保守，极限平衡法用需要事先假定滑动面的位置和形状，对岩质边坡的适用性不强；数值分析法一般应用三维有限单元法(ANSYS)、二维或三维弹塑性有限元法(PHASE2)及有限差分法(FLAC）。有限元和有限差分法考虑了边坡体的应力应变关系，都可较真实的仿真露天开挖的全过程，克服了各类极限平衡方法必须事先查清是否存在或假定存在滑动面的弱点，但除ABAQUS外一般有限元程序不能直接计算安全系数。ANSYS软件建模较为方便、快捷叫，但求解速度慢，且不适用于求解大变形和位移不连续问题，而有限差分法(FLAG-3D)考虑边界灵活，弥补了有限元法的上述不足，还可借助ANSYS建模及输出计算结果，且可验算安全系数 。

露天边坡稳定性研究的实质就是确定经济合理的最终边坡角。最终边坡角由台阶高度、台阶宽度及台阶坡面角组合而成，其中产能确定了穿爆设备选型及台阶高度。

台阶坡面角的大小，直接影响最终边坡角的大小及边坡稳定性。应用关键词“台阶坡面角”及“边坡稳定性”检索了近20年发表的有关论文，并未发现台阶坡面角取值范围的相关研究。过去通常根据设计规范或主观经验定性地确定台阶坡面角，常常发生尽管最终边坡角较缓，但因台阶坡面角取值过大而发生滑坡的现象，因此，有必要研究台阶坡面角的取值范围 。

随着台阶坡面角的增大和平台宽度的减小最终边坡角逐步增大.最终边坡角过陡会使露天边坡处于受拉状态的台阶坡面过多，在长期重力及爆破震动作用下受拉区易发生拉伸疲劳破坏，从而增加了边坡维护费用；反之，会增大剥离量。应用FLAG-3D研究确定了各部位台阶坡面角的取值范围及最终边坡角，得出如下主要结论：

(1)该露天矿南北剖面附近凹陷露天台阶坡面角宜取60°~64°，山坡露天台阶坡面角宜取60°~63°；

(2)该露天矿南北剖面附件经济合理的山坡露天、凹陷露天顶帮、底帮最终边坡角分别取45°16′、44°37′、46°8′；

(3)锚索、锚杆加固可降低拉应力值，减小甚至消除局部拉应力区，改善边坡受力状态.锚索加固网度一般按3m×3m，锚杆加固网度一般取1m×1m~1.5m×1.5m。其中，锚索长度取9m，锚杆长度取约2.5m 。2100433B