露天采矿台阶设计(Bench Design)方法

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. 在整个设计过程中, 需要使用各种各样的分析方法和软件, 从极限平衡法(SLIDE, Slope/W)到连续性的数值分析(FLAC, FLAC3D, RS2)再到不连续的数值分析(UDEC, 3DEC). 

不过, 在进入详细设计和分析阶段之前，必须进行了大量的工程地质工作，以便为分析提供必要的数据。这个数据收集和解释过程虽然耗时但极为重要，其质量和彻底性通常是设计成功的关键。主要的数据收集过程如下:

(1) 调查区域地质、区域断层和矿石的成矿成因是重要因素，这些因素通常确定了采矿场不同的岩性和结构域。这个工作需要工程地质学家的密切配合.

(2) 根据水文地质学的知识调查地下水流动对边坡整体稳定性的影响。这个工作需要水文地质学家的密切配合.

(3) 不同区域和岩石类型的结构控制着台阶设计和边坡整体稳定性, 因此需要详细调查节理的性质, 按照工程岩体分类方法(RMR, Q-System, GSI)中的指标进行定量描述。对不同区域的岩体进行分组.

(4) 对每一分组内的岩体选择合适的岩石试验进行岩石力学试验.

2 台阶设计

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来评价台阶的稳定性。因为使用连续性分析方法(例如SLIDE)有时会导致安全系数太小, 不能真实地评价台阶的稳定性, 所以平面分析和楔形分析结合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,如上图所示。

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)，从而提供对不同背断(backbreak)距离破坏概率的估计。这两种方法都提供了关于台阶损失的宝贵信息，帮助用户选择最佳的台阶角度。

3 参考文献

[1] Hoek, E., and J. W. Bray. Rock Slope Engineering, 3nd Ed. London: Inst. of Mining & Metallurgy (1981).

[2] Wyllie, D.C. & Mah, C.W. (2004) Rock Slope Engineering in Civil and Mining Engineering. Taylor and Francis Group, London. 4th Edition. 456 pages.

[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.

[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

相关文章：

岩石边坡楔形破坏稳定性分析---一个教学演示

Swedge: 岩石边坡楔形破坏稳定性分析

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 1

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 2

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(3)---节理剪切强度的随机分布