Evaluation of open pit slope stability using various slope angles and element types

Abstract

Purpose. The objective of this study is to demonstrate a method to select the optimal slope angle related to three principal factors: safety, productivity and mining costs. Also, it aims to investigate the accuracy of numerical analysis using different element types and order. Methods. Series of two-dimensional elasto-plastic finite-element models has been constructed at various slope angles (e.g. 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°, and 70°) and different element types (e.g. 3-noded triangle (T3), 6-noded triangle (T6), 4-noded quadrilateral (Q4) and 8-noded quadrilateral (Q8).The results are presented, discussed and compared at various slope angles and element types in terms of critical strength reduction factor (CSRF) or its equivalent factor of safety (FOS), total rock slope displacement, mine production and mining costs. Findings. The results reveal that, the mine productivity increases as slope angle increases, however, slope stability deteriorates. Alternatively, the factor of safety (FOS) decreases as slope angle becomes steeper (e.g. minimum factor of safety is obtained at highest steep angle of 70°). Despite of the increasing in computation time, the analysis shows that, the accuracy of the modelling increases when adopting high-order element types (e.g. 8-noded quadrilateral and 6-noded triangle elements). Originality. This study provides a methodology for the application of the numerical modelling methods on open pit mine. As a result, the mine planners will be able to know ahead of time the optimal slope angle with respect to safety, production and mining costs. Practical implications. This study sheds light on the usefulness of adopting numerical modelling analysis in the feasibility studies to determine and compare mining costs against safety and slope angle.

Мета. Розробка методики для підбору оптимального кута нахилу борта кар’єру з видобутку мідно-нікелевих руд з урахуванням трьох головних чинників: безпека, продуктивність та витрати, а також перевірка точності чисельного аналізу при використанні елементів різного типу і порядку. Методика. Побудовано серії двовимірних пружно-пластичних кінцево-елементних моделей (КЕМ) для різних кутів нахилу борта кар’єру (наприклад, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65° і 70°) та з елементами різного типу (3-вузловий трикутник (T3), 6-вузловий трикутник (T6), 4-вузловий чотирикутник (Q4) і 8-вузловий чотирикутник (Q8)). Чисельне моделювання виконано у програмному продукті Rock and Soil 2-Dimensional Analysis Program. В якості критерію руйнування прийнято критерій міцності Кулона-Мора. Результати. Дослідження показали, що продуктивність шахти зростає зі збільшенням кута нахилу борта кар’єру; однак при цьому зменшується його стійкість, і навпаки, чим крутіше кут нахилу борта, тим менше коефіцієнт безпеки. Так, мінімальному значенню коефіцієнта безпеки відповідає найбільший кут нахилу 70°. Незважаючи на більш тривалі обчислення, аналіз показав, що точність моделювання зростає при використанні елементів високого порядку (8-вузлового чотирикутника і 6-вузлового трикутника). Наукова новизна. Розроблено новий методичний підхід для застосування чисельного моделювання для оцінки стійкості бортів кар’єрів з точки зору граничного коефіцієнта зниження міцності або його еквівалентного коефіцієнта безпеки, загального зсуву схилів, продуктивності та витрат на видобуток. Практична значимість. Дослідження доводять ефективність застосування чисельного моделювання для визначення доцільності витрат при різних кутах нахилу борта для забезпечення безпеки робіт. В результаті його застосування проектувальники кар’єрів зможуть заздалегідь спланувати оптимальний кут нахилу борта з урахуванням безпеки, продуктивності і витрат.

Цель. Разработка методики для подбора оптимального угла наклона борта карьера по добыче медно-никелевых руд с учетом трех главных факторов: безопасность, производительность и затраты, а также проверка точности численного анализа при использовании элементов различного типа и порядка. Методика. Построены серии двумерных упругопластических конечно-элементных моделей (КЭМ) для разных углов наклона борта карьера (например, 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65° и 70°) и с элементами разного типа (3-узловой треугольник (T3), 6-узловой треугольник (T6), 4-узловой четырехугольник (Q4) и 8-узловой четырехугольник (Q8)). Численное моделирование выполнено в программном продукте Rock and Soil 2-Dimensional Analysis Program. В качестве критерия разрушения принят критерий прочности Кулона-Мора. Результаты. Исследования показали, что производительность шахты растет с увеличением угла наклона борта карьера, однако при этом уменьшается его устойчивость, и наоборот, чем круче угол наклона борта, тем меньше коэффициент безопасности. Так, минимальному значению коэффициента безопасности соответствует самый большой угол наклона 70°. Несмотря на более длительные вычисления, анализ показал, что точность моделирования возрастает при использовании элементов высокого порядка (8-узлового четырехугольника и 6-узлового треугольника). Научная новизна. Разработан новый методический подход для применения численного моделирования для оценки устойчивости бортов карьеров с точки зрения предельного коэффициента снижения прочности или его эквивалентного коэффициента безопасности, общего смещения склонов, производительности и затрат на добычу. Практическая значимость. Исследования доказывают эффективность применения численного моделирования для определения целесообразности затрат при различных углах наклона борта для обеспечения безопасности работ. В результате его применения проектировщики шахт смогут заранее спланировать оптимальный угол наклона борта с учетом безопасности, производительности и затрат.