科卡金矿高边坡稳定性分析

吴先勇，王紫东，白天明，彭昊源，魏作安

(1.上海外经集团控股有限公司，上海市200032；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆市400030)

科卡金矿高边坡稳定性分析

吴先勇1，王紫东2，白天明1，彭昊源2，魏作安2

(1.上海外经集团控股有限公司，上海市200032；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆市400030)

针对厄立特里亚的科卡露天金矿边坡工程的稳定性进行分析,选取了代表性的三个剖面，采用极限平衡法和有限元强度折减法进行计算。结果表明：极限平衡法计算得到的三个剖面中最小的安全系数为1.46，而有限元强度折减法获得最小安全系数为1.45。安全系数均满足国家技术规范要求，初步设计的露天矿边坡处于稳定状态。

露天矿边坡，稳定性分析，数值模拟，有限元强度折减法

露天矿边坡是露天采矿场的构成要素之一[1]。边坡工程在露天矿开采中占着举足轻重的地位。有时最终边坡角提高1°，则可使境界内剥离的岩量减少1×105kt或更多，节省投资数千万元[2]。同时，露天矿边坡也是露天矿山最大危险源之一。由于边坡失稳垮塌造成的灾害事故也是屡见不鲜[3-5]。所以，在露天矿设计初期阶段，边坡稳定性及其优化分析显得非常重要。国家的相关技术规范也明确提出，对于露天矿边坡应该进行专门的研究分析[6]。

科卡金矿位于非洲的厄立特里亚境内，为新建露天矿山，设计边坡最高为280 m，属于高边坡范畴。为了确保矿山生产安全，需要对初步设计边坡的稳定性进行研究分析，以期达到事前控制的目的。

1　科卡金矿概况

1.1矿区地质条件

科卡金矿位于非洲东北部厄立特里亚的安塞巴省Sub-ZolaSela境内，离首都阿斯玛拉（西北）约165 km（图1）。矿区海拔500~2 000 m，相对高差1 500 m（图2），气候干旱至半干旱。

图1　矿区位置

图2　科卡河谷至科卡金矿床（面向东）

矿区岩体主要有变沉积岩、变火山岩、变火山碎屑岩、变玄武岩和层间蚀变带等。科卡金矿为一种绿片岩相脉状金矿床，大多数金赋存在蚀变微花岗岩石英—硫化物脉内，少量金赋存在蚀变围岩内。矿体呈近南北走向,倾向西,倾角为90°～75°,局部反倾。矿体走向长度600 m，埋藏范围为标高920～680 m，垂高为240 m。厚度为2～30 m，最宽处有100 m，最窄处有2 m。矿区地质剖面如图3。

图3　矿区地质剖面（面向北）

1.2露天矿初步设计

图4为初步设计的露天矿终了平面图。该矿设计为露天开采方式，设计生产能力为660 kt/a，服务年限为6．2 a，采用单一公路运输开拓方式，境界内折返式布线。开采境界范围为1 030～750 m标高。以830 m标高为分界线，1 030～830 m为山坡露天矿（最高边坡在东边），边坡高度为200 m；830～750 m为深凹露天矿，边坡高度为80 m。最大总体边坡高度为280 m。设计的最终边坡角，东部45°，西部42°，端帮45°。详细的边坡设计参数如表1。

表1　详细的设计参数

为了确保露天矿边坡的安全，需要对设计边坡的稳定性进行分析研判。

2　边坡稳定性计算

2.1计算剖面与材料力学参数

根据露天矿初步设计资料，经过认真分析，选择了3个代表性剖面（Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ和Ⅲ－Ⅲ剖面）进行计算，3个剖面的平面位置如图4，3个剖面形状如图5。

图4　科卡金矿露天矿初步设计终了平面

图5　3个代表性剖面

由于没有影响边坡稳定性的断层、节理裂隙等地质资料，因此，计算中边坡岩体按到均质材料考虑。材料参数是边坡稳定性计算的基础。在收集现场已有地勘资料基础上，结合室内实验结果[7]，综合分析选取各分层岩体的参数值，如表2。

表2　边坡岩石力学参数

2.2边坡稳定性分析软件（Geo-Studio）简介

这次边坡稳定性分析是采用Geo-Studio软件。该软件是一套高效、专业、并兼具强大的辅助功能的整体分析商用软件。该软件由8个强大的分析模块构成，即SLOPE/W、QUAKE/W、SIGMA/W、TEMP/W、SEEP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W和 Seep3D等,分别对应边坡稳定性分析、地震响应分析、岩土应力变形分析、地热分析、地下水渗流分析、地下水污染物传输分析、空气流动分析、综合渗流蒸发区和土壤表层分析及三维渗流分析[8]。其中SLOPE/W软件是Geo-Studio软件的主体,包含了多种极限平衡方法用于边坡稳定性计算。到目前为止，该仿真软件已为许多科研人员广泛应用于岩土工程和岩土环境模拟计算。

2.3边坡稳定性计算结果

1）极限平衡法计算结果。通过SLOPE/W的计算,可以得到不同剖面潜在滑移面的位置（图6）和最小安全系数,结果如表3。最小安全系数为1.46,为Ⅱ-Ⅱ剖面处。

表3　不同剖面最小安全系数值

图6　Ⅰ-Ⅰ剖面(上盘)潜在滑移面位置

2）有限元强度折减法计算结果。有限元强度折减法计算网格划分和边界条件设置如图7。在SIGMA/W数值模拟计算中，边坡岩体材料的本构模型为理想弹塑性本构模型。边坡失稳判据通常有3种[9]。本文选择塑性区贯通作为破坏标志，塑性区以黄色表示，强度折减计算结果如表4。

图7　Ⅲ-Ⅲ剖面网格划分与边界条件设置

表4　强度折减计算结果

从计算Ⅱ-Ⅱ剖面图中可以看出,SRF=1.45时,边坡岩体的塑性区已经贯通,因此,有限元强度折减法得到的安全系数为1.45。

3　结论

以该矿初步设计中的露天矿边坡为研究对象,选取代表性的3个剖面,采用理论分析（极限平衡法）和数值模拟（Geo-Studio软件）,针对该露天矿边坡的稳定性进行了计算分析。结果表明：瑞典圆弧法和简化毕肖普法计算得到的3个剖面中最小的安全系数为1.46,而有限元强度折减法获得最小安全系数为1.45。安全系数均满足国家技术规范要求,初步设计的露天矿边坡处于稳定状态。利用理论分析和数值模拟方法对露天矿边坡的稳定性进行分析研究，其研究成果可为矿山的施工图设计以及日常的安全生产管理提供参考。

[1]李宝祥.金属矿床露天开采[M].北京：冶金工业出版社，1979．

[2]孙玉科,杨志法,丁恩保.中国露天矿边坡稳定性研究[M].北京：中国科学技术出版社，1999.

[3]卢世宗.我国矿山边坡研究的基本情况和展望[C]//第四届全国工程地质大会文集.青岛：中国海洋科学出版社，1992，6-10.

[4]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）：1437-1451，1472.

[5]张东明,尹光志,许江,等.多台阶山坡露天矿边帮稳定性分析[M].北京：科学出版社，2012.

[6]GB 51016-2014,非煤露天矿边坡工程技术规范[S].

[7]吴先勇,王紫东,隋东昌,等.科卡金矿边坡岩石力学实验[J].有色金属工程，2015，5（4）：74-77.

[8]中仿科技.GEOSTUDIO实例教程 （2007）[R].CnTech Co.,Ltd，2007.

[9]Dawson E M,Roth W H,Drecher A.Slope stability analysis by strength reduction[J].Geotechnique,1999,49(6):835-840.

Stability Analysis for Open-pit Slope in Koka Gold Mine

WU Xianyong1,WANG Zidong2,BAI Tianming1,PENG Haoyuan2,WEI Zuoan2
(1.China Shanghai(Group)Corporation for Foreign Economic&Technological Cooperation Group,Shanghai 200032,China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

In this paper,the slope stability analysis of open pit gold mine in Eritrea was carried out.Three representative crosssections were selected.The limit equilibrium method and finite element strength reduction were used to calculate the factor of safety of the slope.The results showed that the minimum factor of safety of three sections by limit equilibrium method is 1.46,while that by the finite element strength reduction is 1.45.The factor of safety of the slope meets the national technical specifications,and the open pit slope designed preliminarily is in a stable state.

Open-pit mine slope;stability analysis;numerical simulation;finite element strength reduction method

TD824.7

B

1004-4345(2015)04-0001-03

2015-07-10

国家自然科学基金资助项目(编号11372363)。

吴先勇(1977—)，男，高级工程师，主要从事建筑工程、矿山工程建设与管理工作。