淺談礦山開采設計邊坡角的確定

賀 媛

（包鋼集團設計研究院(有限公司)，內蒙古 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、建設周期短而采用陡幫開采；并且隨著露天礦大型挖掘設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，露天礦山開采設計過程中，為了保證采礦的安全性，邊坡的穩定性是需要考慮的關鍵性因素,而邊坡角的取值是邊坡穩定性的關鍵因素之一。根據有關統計[1]，大型高邊坡總體增加一度，可節省剝巖費用數以千萬元乃至億元。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濟性和安全性的矛盾，以獲得最佳綜合效益，有學者提出最優邊坡角的概念。

1 露天礦山采礦設計邊坡角確定

隨著露天礦大型挖掘設備的裝備水平的提高和為了取得更高的經濟效益，使得大型礦山采用大臺階開采、陡幫開采成為可能。根據統計[2]，我國的既有大型露天礦山邊坡失穩大多數發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

影響邊坡穩定性的因素有很多，邊坡角的取值是影響邊坡穩定性的關鍵性因素之一。采礦設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驗性設計方法。

類比法以工程類比作為判別標準和設計依據，優點是簡單、直觀、費用少，缺點是缺少定量的分析和評價，產生一定的盲目性。對于大規模或條件復雜的礦山在確定邊坡角時，一定要在工程類比的基礎上，結合其他分析方法，進行綜合評價，提出合理的邊坡設計方案。

（1）采礦類比設計須考慮的因素有：①地質條件，包括構成邊坡的巖性、地質構造、邊坡巖體結構特征、節理裂隙的發育情況、控制總體穩定性的大型不連續面的分布情況。②邊坡巖體工程地質性質，包括不連續面的組合關系、巖石風化程度和蝕變狀態、巖體的物理性質和水理性質、有關弱面的強度參數。③地表水與地下水條件，包括當地地勢和地表水系、地下水賦有條件，地下水結干降壓條件。④邊坡巖體可能發生和已經發生的變形和破壞模式。⑤露天采場的范圍大小、設計開采深度、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，分期開采設計或者擴建設計時，前期形成的邊坡相當于試驗邊坡，根據已有邊坡的設計參數和工作狀態進行類比設計，比較切合實際。②同一地質背景、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本地區內，礦床成因類型相同，邊坡工程地質條件相近的兩礦山類比。④其他地區，邊坡工程地質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。

應用采礦類比法時，需要注意的問題：①在有條件的情況下，應對類比礦山進行適當的現場調查，詳細分析擬設計礦山與類比礦山的相似因素。②履行邊坡的基本設計準則：例如層狀沉積或者變質礦床，下盤邊坡角一般應緩與層面傾角；端部邊坡可以采用稍陡與其他部位的邊坡角等等。③特殊性問題應專門處理。例如在境界域外三分之一邊坡高度范圍內有較大的平行邊坡的不連續面；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。例如采場內破碎站，出入溝或者其他固定工業設施，應提高邊坡的可靠性[4]。

1.2 確定優化邊坡設計方案

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定，還應根據礦山的一些實際情況進行邊坡進一步優化設計，使邊坡角設計的更加合情合理。需要考慮的因素包括：①礦床的勘探深度；②工業品位指標；③采場周圍地勢、水系、建筑物、工業設施等場地約束；④可行性研究中邊坡穩定性分析的結果，或者基礎地質、工程地質資料；⑤改擴建礦山已有的邊坡形態和工程問題；⑥礦體賦存形態。

為了進行邊坡優化設計，設計時可以進行專門的優化分析，控制邊坡角的變化。可以采用的優化方法有浮錐法、動態規劃法、圖論法以及動態規劃與網絡流聯合方法。

1.3 最優邊坡角的確定

圖1 邊坡角與投資關系示意圖

采礦是一項經濟活動，礦山邊坡更加注重經濟性和安全性的平衡。為了更好的解決礦山開采經濟性和安全性的矛盾，以獲得最佳綜合效益，因此有學者提出最優邊坡角的概念，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邊坡的投入，如圖1所示[3]，曲線a表示剝離廢石的費用隨著邊坡角的增加而呈現下降趨勢，曲線b表示邊坡維護費用隨著邊坡角的增加而呈現上升趨勢，兩項費用投入之和最小時所對應的邊坡角即為最優邊坡角，大致在兩條曲線的交點附近。

2 提高邊坡穩定性的措施

建立和健全邊坡監測系統成為礦山邊坡的最基本的工程措施，成為研究邊坡變形、破壞機理的最基本的實驗方法。監測內容包括巖體位移、地下水壓、和爆破震動力。移動狀態是邊坡穩定性最直觀而靈敏的反應，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，遵循安全生態并重的原則，一些礦山在礦山開采初期，采用錨網噴護加綠色種植聯合防護邊坡，并且取得了不錯的邊坡穩定效果，即固化了邊坡，又防止水土流失。