賀 媛

（包鋼集團(tuán)設(shè)計研究院(有限公司)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

目前，我國露天開采中，隨著礦山開采深度和邊坡的增加，一方面：邊坡的穩(wěn)定性和安全性就會降低；另一方面，對于露天礦山來說，提高邊坡角是回收資源，降低礦山開采成本，增加開采收益的重要手段。礦山為了采礦初期剝離量小、基建工程量小、建設(shè)周期短而采用陡幫開采；并且隨著露天礦大型挖掘設(shè)備的裝備水平的提高，使得我國采用大臺階開采成為可能。無論是陡幫開采還是大臺階開采，露天礦山開采設(shè)計過程中，為了保證采礦的安全性，邊坡的穩(wěn)定性是需要考慮的關(guān)鍵性因素,而邊坡角的取值是邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計[1]，大型高邊坡總體增加一度，可節(jié)省剝巖費(fèi)用數(shù)以千萬元乃至億元。但是不能無限制地提高邊坡角，為了更好的解決礦山開采經(jīng)濟(jì)性和安全性的矛盾，以獲得最佳綜合效益，有學(xué)者提出最優(yōu)邊坡角的概念。

1 露天礦山采礦設(shè)計邊坡角確定

隨著露天礦大型挖掘設(shè)備的裝備水平的提高和為了取得更高的經(jīng)濟(jì)效益，使得大型礦山采用大臺階開采、陡幫開采成為可能。根據(jù)統(tǒng)計[2]，我國的既有大型露天礦山邊坡失穩(wěn)大多數(shù)發(fā)生在臺階邊坡和組合臺階邊坡，總體邊坡普遍是安全的，臺階邊坡和組合臺階邊坡普遍不安全。

1.1 邊坡角的選定

影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，邊坡角的取值是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素之一。采礦設(shè)計在確定露天礦境界的過程中，通過類比法確定邊坡角及其位置，這是一種沿用至今的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計方法。

類比法以工程類比作為判別標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計依據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀、費(fèi)用少，缺點(diǎn)是缺少定量的分析和評價，產(chǎn)生一定的盲目性。對于大規(guī)?；驐l件復(fù)雜的礦山在確定邊坡角時，一定要在工程類比的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他分析方法，進(jìn)行綜合評價，提出合理的邊坡設(shè)計方案。

（1）采礦類比設(shè)計須考慮的因素有：①地質(zhì)條件，包括構(gòu)成邊坡的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙的發(fā)育情況、控制總體穩(wěn)定性的大型不連續(xù)面的分布情況。②邊坡巖體工程地質(zhì)性質(zhì)，包括不連續(xù)面的組合關(guān)系、巖石風(fēng)化程度和蝕變狀態(tài)、巖體的物理性質(zhì)和水理性質(zhì)、有關(guān)弱面的強(qiáng)度參數(shù)。③地表水與地下水條件，包括當(dāng)?shù)氐貏莺偷乇硭怠⒌叵滤x有條件，地下水結(jié)干降壓條件。④邊坡巖體可能發(fā)生和已經(jīng)發(fā)生的變形和破壞模式。⑤露天采場的范圍大小、設(shè)計開采深度、采場形狀為圓形或者拉長型等。⑥露天開采方法[3]。

（2）類比礦山的選擇及需要注意的問題。①同一礦山的類比，分期開采設(shè)計或者擴(kuò)建設(shè)計時，前期形成的邊坡相當(dāng)于試驗(yàn)邊坡，根據(jù)已有邊坡的設(shè)計參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行類比設(shè)計，比較切合實(shí)際。②同一地質(zhì)背景、同一礦床層位、位置毗鄰的兩個礦山類比，條件非常相似，具有非常良好的可比性。③本地區(qū)內(nèi)，礦床成因類型相同，邊坡工程地質(zhì)條件相近的兩礦山類比。④其他地區(qū)，邊坡工程地質(zhì)條件相近的兩礦山類比。⑤同國外礦山的類比，一般只是作為參考。

應(yīng)用采礦類比法時，需要注意的問題：①在有條件的情況下，應(yīng)對類比礦山進(jìn)行適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場調(diào)查，詳細(xì)分析擬設(shè)計礦山與類比礦山的相似因素。②履行邊坡的基本設(shè)計準(zhǔn)則：例如層狀沉積或者變質(zhì)礦床，下盤邊坡角一般應(yīng)緩與層面傾角；端部邊坡可以采用稍陡與其他部位的邊坡角等等。③特殊性問題應(yīng)專門處理。例如在境界域外三分之一邊坡高度范圍內(nèi)有較大的平行邊坡的不連續(xù)面；有橫穿邊坡的寬大破碎帶等等。④需要考慮邊坡工程的重要性上的差異。例如采場內(nèi)破碎站，出入溝或者其他固定工業(yè)設(shè)施，應(yīng)提高邊坡的可靠性[4]。

1.2 確定優(yōu)化邊坡設(shè)計方案

通過類比法確定的邊坡角，為了更加保證礦山開采的安全與穩(wěn)定，還應(yīng)根據(jù)礦山的一些實(shí)際情況進(jìn)行邊坡進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，使邊坡角設(shè)計的更加合情合理。需要考慮的因素包括：①礦床的勘探深度；②工業(yè)品位指標(biāo)；③采場周圍地勢、水系、建筑物、工業(yè)設(shè)施等場地約束；④可行性研究中邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果，或者基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)資料；⑤改擴(kuò)建礦山已有的邊坡形態(tài)和工程問題；⑥礦體賦存形態(tài)。

為了進(jìn)行邊坡優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計時可以進(jìn)行專門的優(yōu)化分析，控制邊坡角的變化?？梢圆捎玫膬?yōu)化方法有浮錐法、動態(tài)規(guī)劃法、圖論法以及動態(tài)規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)流聯(lián)合方法。

1.3 最優(yōu)邊坡角的確定

圖1 邊坡角與投資關(guān)系示意圖

采礦是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動，礦山邊坡更加注重經(jīng)濟(jì)性和安全性的平衡。為了更好的解決礦山開采經(jīng)濟(jì)性和安全性的矛盾，以獲得最佳綜合效益，因此有學(xué)者提出最優(yōu)邊坡角的概念，即每一種邊坡都包括兩種資金投入：剝離廢石的投入和維護(hù)邊坡的投入，如圖1所示[3]，曲線a表示剝離廢石的費(fèi)用隨著邊坡角的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，曲線b表示邊坡維護(hù)費(fèi)用隨著邊坡角的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，兩項(xiàng)費(fèi)用投入之和最小時所對應(yīng)的邊坡角即為最優(yōu)邊坡角，大致在兩條曲線的交點(diǎn)附近。

2 提高邊坡穩(wěn)定性的措施

建立和健全邊坡監(jiān)測系統(tǒng)成為礦山邊坡的最基本的工程措施，成為研究邊坡變形、破壞機(jī)理的最基本的實(shí)驗(yàn)方法。監(jiān)測內(nèi)容包括巖體位移、地下水壓、和爆破震動力。移動狀態(tài)是邊坡穩(wěn)定性最直觀而靈敏的反應(yīng)，許多觀測資料顯示，除局部坍塌和大爆破引起的邊坡破壞外，具有一定規(guī)模的滑坡，從開始變形到最后破壞，都具有明顯的移動過程，這一過程根據(jù)邊坡條件不同，時間有長有短，一般從一、二個月到幾年，累計位移量從1、2dm到幾米。通過有效觀測可以取得足夠的時間，以采取各種補(bǔ)救措施。

為了充分貫徹礦山綠色開采的思想理念，遵循安全生態(tài)并重的原則，一些礦山在礦山開采初期，采用錨網(wǎng)噴護(hù)加綠色種植聯(lián)合防護(hù)邊坡，并且取得了不錯的邊坡穩(wěn)定效果，即固化了邊坡，又防止水土流失。