马依托背矿区露天开采境界及边坡设计优化

王文杰

（北京矿冶研究总院，北京100160）

金山金矿位于伊尔曼得—马依托背一带，矿区东西长约5km，南北宽约4km，面积约20km2，属新建矿山。矿区包括伊尔曼得、京希、巴拉克、狮子山和马依托背五个矿段。矿体主要赋存于下石炭统大哈拉军山组第二岩性段与硅化、黄铁矿化有关的岩石中。区域内探明矿石量5 271．38万t，金属量50 289kg，平均品位0．95g／t。根据矿体的赋存状况和经济技术条件，确定伊尔曼得和马依托背为首采地段，开采方式为露天开采。本着提高资源回收率、减少后期边坡维护、优化最终开采境界的原则，本文针对马依托背矿区，采用软件进行数值模拟分析，对边坡参数进行优化，提高最终边坡的稳定性。露天矿边坡优化问题是一个系统优化问题，在采矿生产工艺、边坡安全度的约束下，寻求、比较、选取矿石利用率最大、剥岩量最小、滑坡处理和补救工程费用最低、盈利最大的最佳边坡设计方案［1－3］。

1 矿区概况

1．1 矿区地质

整个矿区大地构造位置位于博罗科努早古生代岛弧西段吐拉苏火山盆地，北侧与科古琴地体毗邻，南侧与伊犁地体相邻。该盆地是在上元古界和下古生界构造层基础上发展起来的早石炭世火山盆地，蕴藏着地处北部的著名吐拉苏金多金属矿化集中区，其南部有林场—铁克溪—阿吾利亚金矿化集中区，西北部有阿希、伊尔曼得金矿集中区，东部毗邻也列莫顿金矿化集中区。

矿区构造以断裂构造为主，褶皱构造不发育。不同期次、性质、规模的断裂构造叠加，构成错综复杂的构造格架。区域内出露地层有中元古界蓟县系、青白口系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、第三系及第四系。

1．2 矿体特征

马依托背矿区为整个矿山的首采矿段之一，主矿体北东向长约507m，北西向宽约270m，矿体出露最高标高1 945m，最低标高1 865m。矿体北东向展布，呈似层状，向北西缓倾，倾角10°～15°。已圈定矿体长507m，控制垂深80m。矿体最厚112 m，最薄6m，一般厚30～40m，属较稳定的类型。金品位13．8g／t，矿体平均品位0．98g／t。品位变化系数1．11，属较均匀类型。矿体产出主要受下石炭统大哈拉军山组第二岩性段控制，其中的四个岩性层角砾凝灰岩段、砾岩夹砂岩、酸性晶屑凝灰岩和凝灰角砾岩段均有矿体产出。矿体分布空间形态与赋矿岩层的产状基本一致，矿体多为地毯状、缓倾斜、埋深不大，矿体外壳上部大致与地表地形平行，自西向东呈舒缓波状展布。少量矿体沿南北向断裂充填，陡倾厚度大、埋深大。

1．3 自然地理环境

矿区气候属温带大陆性半干旱气候，春夏两季多雨，年降水量约500mm。冬季积雪较厚，积雪期约为80d，冬季积雪深度约为100mm，最大积雪深度约为890mm。降水量最多集中在4～7月，占全年降水量的45．74%，历年最大日降水量为48．3 mm，属丰水期。降水量最少月份为8～9月，仅占全年降水量的11．04%，属枯水期。

2 确定露天开采境界

圈定开采境界、进行开采设计、编制进度计划和品位控制是露天开采中的四个步骤［4］。其中，开采境界的圈定是露天矿山设计的基础，确定开采境界直接关系矿山效益。从资源利用角度来说，最终开采境界包括的地质储量越多越好；从经济角度来说，存在一个理想的最终开采境界，能使矿山企业的总经济效益最佳。因此，露天境界设计是露天矿设计与规划中的一项重要工作，境界优化的实质就是考虑矿床、扣除采掘成本、满足一定的边坡条件、使采出矿石总价值最大，从而确定实现矿山最大经济效益的最终开采境界。

马依托背最终开采境界采用“NPV矿业优化软件”，NPV是指项目在经济或物理寿命期内将每年的净现金流量按行业的贴现率折现到计算期初的基年现值之和，NPV计算的理论基础是资金具有时间价值［5］。NPV矿业优化软件根据L－G法对最终开采境界进行优化圈定。L－G法是一种公认的较理想的露天开采最终境界优化方法，该法建立在矿岩块净价值模型基础上，通过对最大权值的搜索获得最优开采境界［6］。马依托背开采境界的确定遵循此方法，建立了寻找最优露天矿开采境界的数学模型，依照数学理论寻求最优解。再类比国内相似矿山的实际生产情况，结合前期进行的选冶试验结果，充分考虑矿山地理位置和气候特点等，最终确定马依托背矿区开采境界优化经济参数，如表1所示。

表1 矿区开采境界优化经济参数Table 1 Economic parameters of open－pit mining limit optimization

按此确定开采境界后，马依托背采区封闭圈标高1 890m，采坑最低标高1 870m，平均剥采比降至1．30。境界内矿岩量如表2所示。

最优化境界确定后，在今后的开采过程中，需根据矿体赋存条件、岩体变化情况、开拓坑道、台阶高度等因素对露天开采境界进行微调整，以不断接近矿山实际开采经济效益最大化的最优开采境界。

表2 露天开采境界内矿岩量表Table 2 Quantity of ore and rock in open－pit mining limit

3 边坡优化及稳定性分析

合理的边坡角度不仅涉及露天开采过程中的工程预算和投资，而且涉及边坡稳定性的工程安全问题。下面根据矿区地形地质条件和岩石物理力学参数，对其边坡进行优化和稳定性分析。

3．1 边坡稳定分析计算参数选取

根据矿区地质储量报告和提供的岩石物理力学参数，马依托背矿区边坡稳定性分析计算参数如表3所示。

表3 边坡岩体计算参数Table 3 Calculation parameters of slope rock mass

3．2 边坡稳定性分析计算方法

采用极限平衡分析法对边坡的稳定系数K进行计算，将计算所得的稳定系数K与许用稳定系数［K］进行比较，当K＞［K］时，边坡稳定；1＜K＜［K］时，边坡基本稳定；K＜1时，边坡不稳定。

根据《有色金属采矿设计规范》（GB50771－2012），边坡许用稳定系数［K］应按照表4来取。根据表4，选取本次边坡稳定性分析的许用稳定系数［K］为1．3～1．4。

表4 边坡许用稳定系数［K］Table 4 Allowable stability coefficient of slope［K］

极限平衡法分析法主要有瑞典条分法（或Fellenius法）、简化Bishop（毕晓普）法、Janbu（简布）简化法和Spencer（斯宾塞）法。大量的计算实例表明，简化Bishop法与其它精确计算结果很接近，分析精度高。故本次分析采用简化Bishop法，它假定分条间作用力保持水平方向，即假定只有水平推力作用，不考虑分条间的竖向剪力［7］。

3．3 计算结果

采用简化Bishop法对边坡的三个典型剖面进行稳定系数计算，计算的结果如表5所示。可以看出，各剖面计算所得的稳定系数K均大于许用的稳定系数［K］，边坡处于稳定状态。

表5 边坡稳定系数［K］计算结果Table 5 Calculation result of stability coefficient of slope［K］

露天开采最终境界边坡参数如下：台阶高度10 m，20m（并段后）；台阶坡面角65°～68°；安全平台宽度6m；清扫平台宽度14．1m；道路路面宽度15m（汽车运输双车道）；每隔2个安全平台设置1个清扫平台。

3．4 工程安全及投资风险

设计初期，根据圈定境界参数，对露天边坡的最终形态及其各阶段的稳定程度进行数值模拟分析和定性、定量评价。由表5可以看出，按照当前确定的马依托背矿区开采境界参数，其边坡稳定系数均超过2，为稳定状态。该矿区露天开采边坡在优化后，设计安全系数高，工程安全性可靠，可使整个马依托背矿区露天开采过程中的边坡安全程度最大化，既降低了后期边坡维护成本和企业投资风险，又增加了企业经济效益。

4 结论

1）应用矿床数字模型进行露天开采边坡设计优化，可以更好地确定露天开采最终境界，进一步优化矿山剥采比，从而提高资源回收利用率。

2）在设计初期对边坡的最终形态及稳定程度进行数值模拟定性定量分析，提高设计的可靠性，使整个露天开采过程中的边坡安全程度最大化，可以降低后期边坡维护成本和企业投资风险，同时增加企业经济效益，为企业的生产安全提供原始技术支撑。

3）露天边坡设计采用数字模型辅助计算结果分析优化，在一定程度上增加了前期投入，但是其科学、直观的分析结果可以为企业投资方案评价提供方便，为企业的决策方向提供科学合理的依托。

实际露天开采时，其开采技术条件会发生一定变化，会对露天开采境界产生一定影响，如何将这些影响因素进行统一考虑，进一步提高前期设计工作的最优性，需要进行更深一步的科学研究。

［1］ 张 飞，崔志平，巩志忠，等．Bishop法在尖山铁矿边坡稳定性分析中的应用［J］．有色金属（矿山部分），2012，64（3）：72－74．

［2］ 常来山，张瑞鹏，陶东海，等．弓长岭露天矿顺倾断层影响边坡可靠性分析［J］．有色金属（矿山部分），2013，65（3）：62－65．

［3］ 常来山，陈思玮，牛文杰，等．弓长岭露天矿顺倾断层物探勘测与分析［J］．有色金属（矿山部分），2013，65（6）：50－52．

［4］ 张彤炜，王李管，龚元翔．露天开采的境界优化算法研究及应用［J］．金属矿山，2008（2）：30－34．

［5］ 杨 彪，廖江南，吴秀琼，等．大型复杂露天矿山开采境界动态优化技术研究［J］．工程设计与研究，2009（2）：1－6．

［6］ 杨 彪，罗周全，陆 广，等．基于经济时间序列预测的露天矿开采境界动态优化［J］．煤炭学报，2011，36（1）：29－33．

［7］ 王 玉．会东矿西边坡稳定性的计算与分析［J］．长沙矿山研究院季刊，1992，12（3）：42－46．