基于SURPAC-FLAC3D露天矿边坡设计及稳定性分析

陈银萍 金爱兵 王 凯 马 松 姚鹏飞 吴佐汉

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.四川省安全科学技术研究院,四川 成都 610016)

基于SURPAC-FLAC3D露天矿边坡设计及稳定性分析

陈银萍1金爱兵1王 凯1马 松2姚鹏飞1吴佐汉1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.四川省安全科学技术研究院,四川 成都 610016)

以金鑫铜钼矿为工程背景，利用SURPAC和FLAC3D软件建立矿山实体计算模型，同时获得矿山剥采比和采出矿石量等经济数据。在不降低边坡安全系数的前提下，通过适当提高单台阶角度、高度和减小清扫平台宽度3种途径来增加露天矿最终边坡角度，使得最终边坡角提高2°，剥采比从3.66降低到3.52，减少岩石剥离量约1350万t，有效增加矿山企业经济效益。并在此基础上，通过FLAC3D对加陡后的露天矿山边坡进行稳定性分析，分析加陡之后的各边坡水平位移、塑性区破坏分布情况，并对加陡后较为危险的北边帮进行跟踪点监测。分析结果表明，各边坡除小范围局部不稳定外，整体处于稳定状态，可以通过局部加固来达到矿山安全开采的要求。

边坡设计 SURPAC FLAC3D生产剥采比 边坡稳定性

露天矿山开采过程中，适当增加边坡角，可以有效降低平均剥采比。自上世纪80年代后期以来，国内外部分矿山在进行加陡最终边坡角的研究[1]，以达到提高矿山企业经济效益的目的。据测算，一座中等规模的露天矿山，若最终边坡角提高1°，即可减少岩石剥离量约1 000万m3[2]。在相同的稳定条件下，加大露天矿边坡角，可以减少剥离岩石[3]。尤其是对大型露天矿山，提高边坡角是充分回收资源、降低生产成本、增加开采效益的手段之一[4]。但加大边坡角将带来的边坡稳定性问题。

1 工程概况

金鑫铜钼矿是中钢集团投资兴建的大型露天矿山。矿山生产能力300万t/a，设计服务年限20 a以上。矿体为隐状矿体，赋存于火山穹窿构造的北西部的白垩系粗面质角砾凝灰岩中，矿体呈不规则的长扁豆状，平面呈略向北突出的弧线，走向自西向东变化为40°～74°～105°。矿体主要成分为细粒钾长花岗岩、粗粒蚀变辉绿岩、闪长岩、细粒蚀变辉绿岩、石英斑岩及花岗斑岩。

采场封闭圈标高为696 m水平，696 m标高以上为山坡露天矿，696 m水平以下为深凹露天矿。矿山原设计确定的平均剥采比为3.66，为了提高企业盈利能力，加陡露天矿边坡从而降低剥采比是有效方法之一。

2 加陡方案

金鑫铜钼矿露天开采原设计方案：台阶高度为14 m，安全平台宽为4 m，清扫平台宽为10 m，单台阶坡面角为65°，运输平台宽度为15 m，最小工作平台宽度为45 m。初始境界平面图见图1。作露天采场A-A′剖面图与I-I′剖面图，如图2、3所示。将露天矿的边帮简化为图中四个边帮进行分析，依次命名为东边帮(A-A′右)、南边帮(I-I′右)、西边帮(A-A′左)、北边帮(I-I′左)。

图1 初始境界平面图Fig.1 The plan of initial boundary

图2 露天采矿A-A′剖面图Fig.2 Section A-A′ of open-pit mining

图3 露天采矿I-I′剖面图Fig.3 Section I-I′ of open-pit mining

在不降低边坡安全系数的前提下，根据矿山边坡的实际参数，选择具体加陡方案：单台阶坡面角从65°提高到66°，台阶高度由14 m提高到15 m，安全平台宽度不变，将清扫平台宽度由10 m减小到8 m，运输平台宽度15 m保持不变。加陡之后，东边帮的最终边坡角由50°提高到52°，南边帮的最终边坡角由43°提高到45°，西边帮的最终边坡角由45°提高到47°，北边帮的最终边坡角由49°提高到51°。东、北边帮由于不存在运输平台，所以最终边坡角较南、西边帮陡。

3 加陡前后采剥矿岩对比分析

根据加陡前后的边坡参数，利用SURPAC软件露天矿设计功能，建立加陡后的露天境界DTM见图4。

图4 加陡后露天境界DTMFig.4 The DTM of open-pit limit after increasing the overall slope angle

根据加陡前后的2种境界块体模型，利用SURPAC软件块体模型的报告系统功能，分别计算出露天矿加陡前后的剥离岩石量、开采矿石量和钼金属量如图5～图7和表1所示。

图5 加陡前后剥离岩石对比Fig.5 Comparison of the amount of extracted rocks before and after increasing the overall slope angle■—加陡前；●—加陡后

图6 加陡前后开采矿石量对比Fig.6 Comparison of the amount of extracted ore before and after increasing the overall slope angle■—加陡前；●—加陡后

由图5～图7和表1可知，边坡加陡之后，剥离岩石的总量减少了约1 350.62万t，剥采比从3.66减小到了3.52。

图7 加陡前后开采钼金属量对比Fig.7 Comparison of the amount of the extracted molybdenum before and after increasing the overall■—加陡前；◆—加陡后表1 加陡前后采剥矿岩量对比Table 1 Comparison of the amount of the extracted rock before and after increasing the overall slope angle

方 案剥离岩石总量/万t钼矿石总量/万t剥采比加陡前15699.556835.813.66加陡后14348.936715.083.52

4 数值模拟

4.1 数值模拟模型

采用SURPAC与FLAC3D相结合的方式建立矿山计算模型，SURPAC提供了六面体单元形状，根据地质体的特征、计算精度要求以及单元形状的空间展布特点，改变六面体单元的大小[5]。设置边界条件，固定模型边界所有点y方向速度，固定模型底部边界的x、z方向速度、固定模型两端的x方向速度。在开挖模拟前将整个系统各个方向的位移和速度设置为0，即将初始应力生成的变形去除，使得露天矿边坡变形完全由露天开挖引起。设置地质体模型的力学参数得到加陡之后的计算模型见图8，其中中间部分为开挖部分，周边部分表示最终留下的露天边坡部分。

图8 SURPAC-FLAC3D计算模型Fig.8 Computational model of SURPAC-FLAC3D

4.2 位移计算结果分析

当开挖到最终状态时得到各边帮在x方向的位移云图如图9所示。

x方向位移是指向坑内的位移。从位移云图可知：最大位移主要发生在北边帮底部的局部几个连续台阶处，为7.76 cm，其他3个边帮指向坑内的位移都较小，东边帮最大位移为2.61 cm，南边帮最大位移为6.01 cm，西边帮最大位移为2.66 cm，均发生在边帮底部的连续几个台阶处，从图中可以看出加陡之后各边帮指向露天矿坑内的水平位移都较小，平均位移在2～3 cm，从底部到顶部呈带状分布。

(a)东边帮在x方向位移云图

(b)南边帮在x方向位移云图

(c)西边帮在x方向位移云图

(d)北边帮在x方向位移云图 图9 开挖至最终状态时各边帮x方向位移云图Fig.9 Contours of x-displacement on four slopes of final state

4.3 塑性区破坏分析

露天边坡失稳破坏可以看作是塑性区逐渐发展、扩大直达贯通而进入完全塑流状态、无法继续承受载荷的过程。若发生塑性变形的区域相互贯通，则边坡有可能发生整体失稳[6]。利用FLAC3D数值模拟得到开挖到最终状态时各边帮的塑性区破坏分布图，如图10所示。

从塑性区破坏分布图中可以看出4个边帮的坡体内部分均未发生明显塑性变形。在开挖计算过程中，4个边坡的坡面都曾进入过屈服状态，其中坡体底部坡脚主要以拉伸破坏为主，坡面主要以剪切破坏和拉伸破坏为主。但边坡只在极小范围内发生破坏，其中，东边帮的坡脚处有约75 m2处于剪切破坏，边坡坡面大约有20 m2处于拉伸破坏状态。南边帮的坡脚处大约有20 m2处于剪切破坏状态状态，边坡坡面有2处面积分别约为15 m2和5 m2处于拉伸破坏状态，但不贯通。西边帮的坡脚处有约20 m2处于剪切破坏状态，边坡坡面有约60 m2处于拉伸破坏状态。北边帮只有边坡坡面有1处约15 m2处于拉伸破坏状态。但是由于这些塑性变形的区域没有相互贯通，所以表明边坡不会发生整体失稳。只需要对各个边坡坡面的几个局部发生破坏的区域进行加固即可。

(a)东边帮塑性区破坏分布图

(b)南边帮塑性区破坏分布图

(c)西边帮塑性区破坏分布图

(d)北边帮塑性区破坏分布图图10 开挖至最终状态时各边帮塑性区分布Fig.10 Distributions of plastic zone on four slopes of final state

为了更好地观察开挖对露天矿边帮稳定性的影响情况，须针对加陡后较为危险的北边帮进行跟踪点监测。从北边帮顶部、中部和底部依次设置了5个监测点，编号分别为N1、N2、N3、N4、N5。提取这5个点在开挖过程中的水平位移的变化量，得到图11所示的监测点的位移曲线图。

由图11可以看出，随着开挖步数的增加，监测点指向坑内的位移渐渐增加，但最终趋于稳定。其中，位于边坡顶部和中上部的监测点N1、N2的水平位移偏向较小，位于边坡中部的监测点N3的位移变化不明显，位于边坡底部的2个监测点的位移变化较大，最终稳定在了4.5 cm左右。

图11 北边帮监测点的位移曲线Fig.11 The displacement curve of monitoring sites on the northern slope■—N1；●—N2；▲—N3；▼—N4；◀—N5

5 结 论

(1)利用SURPAC和FLAC3D软件可以方便地建立符合矿山实际的数值计算模型，同时能获得矿山剥采比、采出矿石量等经济数据。

(2)通过适当加陡单台阶角度、提高台阶高度和缩短清扫平台宽度来加陡金鑫铜钼矿最终边坡角度，使得生产剥采比从3.66减小至3.52。岩石开挖量减小了约1 350万t。

(3)稳定性数值模拟结果表明，加陡后露天矿各帮除局部区域外，整体处于稳定状态，通过局部加固的方法，完全可以满足矿山安全开采的要求。

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(责任编辑 石海林)

Slope Design and Stability Analysis of Open Pit Based on SURPAC and FLAC3D

Chen Yinping1Jin Aibing1Wang Kai1Ma Song1,2Yao Pengfei1Wu Zuohan1

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，100083Beijing，China；2.SichuanAcademyofSafetyScienceandTechnology，Chengdu610016，China)

With Jinxin copper molybdenum mine as engineering background，SURPAC and FLAC3Dare adopted to build the real calculation model of the mine，and the economic data such as the stripping ratio and the quantity of extracted ore are obtained simultaneously.On the premise of keeping safety，three ways of properly increasing the angle and height of single bench，and decreasing the width of cleaning bench can increase the final slope angle of open pit by 2°，drop the stripping ratio from 3.66 to 3.52 and lessen the amount of stripped rocks by 13.5 Mt.All these can efficiently improve the economic benefit of the mine enterprise.Based on this，the stability of the open pit slope after increasing the overall slope angle is analyzed，and its horizontal displacements and failures of the plastic zones are demonstrated.Real-time monitoring on the northern sidewall that is in a high risk is made.The analysis indicated that each new slope is basically in the stable condition and only small part of slope requires local ground support to guarantee the safety in mining.

Slope design，SURPAC，FLAC3D，The stripping ratio，Slope stability

2014-05-11

陈银萍(1988—)，女，硕士研究生。

TD325，TD854.6

A

1001-1250(2014)-10-166-05