露天采矿台阶稳定性分析方法(Bench Scale Stability Analysis)
1 引言
露天采矿边坡与土木工程边坡的一个显著区别是露天采矿边坡是由连续的台阶组成,因此台阶的设计对边坡整体稳定性至关重要. 这个笔记简要描述了GeotechSet目前的台阶稳定性分析方法, 索引文件保存在Bench Scale Stability Analysis.txt.
2 台阶稳定性分析方法
台阶的破坏形式主要有三种: 平面破坏, 楔形破坏和岩石崩落. 因此台阶设计(Bench Design)通常以结构数据为基础，很少使用连续性分析方法评价台阶的稳定性, 因为使用连续性分析方法(例如SLIDE, FLAC)有时会导致安全系数太小, 不能真实地评价台阶的稳定性, 所以基于平面分析(RocPlane)和楔形分析(Swedge)的概率分析方法是最台阶设计最常用的设计方法。其中一种技术被称为累积频率分析(CFA),通过可接受的破坏概率来确定台阶的边坡角度.
在露天开采中，在不影响安全的情况下，台阶的坡角尽量设计得大一些, 发生一些小的岩块滑落事故是可以接受的, 定期清理就可以, 这比坡角小但剥采率高更经济。在露天开采设计中，一般接受80%的设计可靠性，这意味着允许20%的楔形体发生破坏。可接受的破坏水平决定了设计的台阶边坡角。
台阶楔形破坏
台阶平面破坏
台阶平面破坏
台阶平面破坏和楔形破坏
SWedge包括了这样一个台阶设计功能，允许用户评估台阶角度范围内台阶楔形体的稳定性。为此有两种设计方法可供选择：边坡设计的管理方法和定量危险评估方法。通过使用管理方法，用户能够评估破坏的楔形体数量和每个台阶角度所需的最小台面宽度。而对于定量评估，用户能够估计形成不同楔形尺寸的可能性(发生概率)和这种楔形将滑动的可能性(滑动概率)，从而提供对不同保护(backbreak)距离破坏概率的估计。这两种方法都提供了关于台阶破坏的宝贵信息，帮助用户选择最佳的台阶角度。
为了克服选择台阶边坡角的主观性, Rogers等人(2020) 使用DFN进行了台阶稳定性分析(Bench Scale Stability Analysis), 不过, 这种方法理论上来说可能更精确一些, 但实际操作起来也挺困难的.
3 台阶边坡角(BFA)的选择
台阶坡面角(Bench Face Angle)BFA由岩石强度、结构以及是否使用控制爆破(最大限度地减少对岩壁的破坏)来决定。BFA可能会在不同的岩石类型和区段中有所不同，但通常在60°至75°之间。我们回顾了两个目前正在运行的矿山:
(1) Mount Polley Mine(Likely, BC, Canada)露天矿长大约1665m, 宽大约845m, 深度80 m到300m, 台阶边坡角为65度到70度.
(2) Siilinjärvi Mine(eastern Finland) 露天矿长大约2900m, 宽大约750m, 深大约235m, 台阶边坡角72度.
4 参考文献
[1] S Rogers, M Valerio, M Yetisir, KP Lawrence (2020) Bench Scale Stability Analysis Using Discrete Fracture Networks. 54th US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium. June 2020. ARMA-2020-1989.
[2] S. Mononen,H. Kuula, M. Lamberg (2013) Slope stability analysis at Siilinjärvi Mine. Slope Stability 2013 – P.M. Dight (ed). Australian Centre for Geomechanics, Perth. (pdf)
[3] Gibson W.H., de Bruyn I.A., Walker D.J.H. (2006) Considerations in the optimization of benchface angle and berm width geometries for open pit mines, Proc. South African Institute of Miningand Metallurgy (SAIMM) Int Symp on Stability of Rock Slopes in Open Pit Mining and Civil Eng,557-578.
[4] Langford J.C., Corkum B., Curran J.H. (2014) Preliminary selection of optimum bench faceangle using uniformly distributed wedges, DFNE 2014-260. (pdf)
[5] Miller S.M., Girard J.M., McHugh E.L. (2000) Computer modeling of catch benches to mitigaterockfall hazards in open pit mines, Proc. 4th North American Rock Mechanics Symposium(NARMS 2000), 539-545.
[6] Miller S.M. (1983). Probabilistic analysis of bench stability for the use in designing open pit mines, Proc. 24th US Symp on Rock Mechanics, 621-629.
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