浅谈矿山开采设计边坡角的确定

贺 媛

（包钢集团设计研究院(有限公司)，内蒙古 包头 014010）

目前，我国露天开采中，随着矿山开采深度和边坡的增加，一方面：边坡的稳定性和安全性就会降低；另一方面，对于露天矿山来说，提高边坡角是回收资源，降低矿山开采成本，增加开采收益的重要手段。矿山为了采矿初期剥离量小、基建工程量小、建设周期短而采用陡帮开采；并且随着露天矿大型挖掘设备的装备水平的提高，使得我国采用大台阶开采成为可能。无论是陡帮开采还是大台阶开采，露天矿山开采设计过程中，为了保证采矿的安全性，边坡的稳定性是需要考虑的关键性因素,而边坡角的取值是边坡稳定性的关键因素之一。根据有关统计[1]，大型高边坡总体增加一度，可节省剥岩费用数以千万元乃至亿元。但是不能无限制地提高边坡角，为了更好的解决矿山开采经济性和安全性的矛盾，以获得最佳综合效益，有学者提出最优边坡角的概念。

1 露天矿山采矿设计边坡角确定

随着露天矿大型挖掘设备的装备水平的提高和为了取得更高的经济效益，使得大型矿山采用大台阶开采、陡帮开采成为可能。根据统计[2]，我国的既有大型露天矿山边坡失稳大多数发生在台阶边坡和组合台阶边坡，总体边坡普遍是安全的，台阶边坡和组合台阶边坡普遍不安全。

1.1 边坡角的选定

影响边坡稳定性的因素有很多，边坡角的取值是影响边坡稳定性的关键性因素之一。采矿设计在确定露天矿境界的过程中，通过类比法确定边坡角及其位置，这是一种沿用至今的经验性设计方法。

类比法以工程类比作为判别标准和设计依据，优点是简单、直观、费用少，缺点是缺少定量的分析和评价，产生一定的盲目性。对于大规模或条件复杂的矿山在确定边坡角时，一定要在工程类比的基础上，结合其他分析方法，进行综合评价，提出合理的边坡设计方案。

（1）采矿类比设计须考虑的因素有：①地质条件，包括构成边坡的岩性、地质构造、边坡岩体结构特征、节理裂隙的发育情况、控制总体稳定性的大型不连续面的分布情况。②边坡岩体工程地质性质，包括不连续面的组合关系、岩石风化程度和蚀变状态、岩体的物理性质和水理性质、有关弱面的强度参数。③地表水与地下水条件，包括当地地势和地表水系、地下水赋有条件，地下水结干降压条件。④边坡岩体可能发生和已经发生的变形和破坏模式。⑤露天采场的范围大小、设计开采深度、采场形状为圆形或者拉长型等。⑥露天开采方法[3]。

（2）类比矿山的选择及需要注意的问题。①同一矿山的类比，分期开采设计或者扩建设计时，前期形成的边坡相当于试验边坡，根据已有边坡的设计参数和工作状态进行类比设计，比较切合实际。②同一地质背景、同一矿床层位、位置毗邻的两个矿山类比，条件非常相似，具有非常良好的可比性。③本地区内，矿床成因类型相同，边坡工程地质条件相近的两矿山类比。④其他地区，边坡工程地质条件相近的两矿山类比。⑤同国外矿山的类比，一般只是作为参考。

应用采矿类比法时，需要注意的问题：①在有条件的情况下，应对类比矿山进行适当的现场调查，详细分析拟设计矿山与类比矿山的相似因素。②履行边坡的基本设计准则：例如层状沉积或者变质矿床，下盘边坡角一般应缓与层面倾角；端部边坡可以采用稍陡与其他部位的边坡角等等。③特殊性问题应专门处理。例如在境界域外三分之一边坡高度范围内有较大的平行边坡的不连续面；有横穿边坡的宽大破碎带等等。④需要考虑边坡工程的重要性上的差异。例如采场内破碎站，出入沟或者其他固定工业设施，应提高边坡的可靠性[4]。

1.2 确定优化边坡设计方案

通过类比法确定的边坡角，为了更加保证矿山开采的安全与稳定，还应根据矿山的一些实际情况进行边坡进一步优化设计，使边坡角设计的更加合情合理。需要考虑的因素包括：①矿床的勘探深度；②工业品位指标；③采场周围地势、水系、建筑物、工业设施等场地约束；④可行性研究中边坡稳定性分析的结果，或者基础地质、工程地质资料；⑤改扩建矿山已有的边坡形态和工程问题；⑥矿体赋存形态。

为了进行边坡优化设计，设计时可以进行专门的优化分析，控制边坡角的变化。可以采用的优化方法有浮锥法、动态规划法、图论法以及动态规划与网络流联合方法。

1.3 最优边坡角的确定

图1 边坡角与投资关系示意图

采矿是一项经济活动，矿山边坡更加注重经济性和安全性的平衡。为了更好的解决矿山开采经济性和安全性的矛盾，以获得最佳综合效益，因此有学者提出最优边坡角的概念，即每一种边坡都包括两种资金投入：剥离废石的投入和维护边坡的投入，如图1所示[3]，曲线a表示剥离废石的费用随着边坡角的增加而呈现下降趋势，曲线b表示边坡维护费用随着边坡角的增加而呈现上升趋势，两项费用投入之和最小时所对应的边坡角即为最优边坡角，大致在两条曲线的交点附近。

2 提高边坡稳定性的措施

建立和健全边坡监测系统成为矿山边坡的最基本的工程措施，成为研究边坡变形、破坏机理的最基本的实验方法。监测内容包括岩体位移、地下水压、和爆破震动力。移动状态是边坡稳定性最直观而灵敏的反应，许多观测资料显示，除局部坍塌和大爆破引起的边坡破坏外，具有一定规模的滑坡，从开始变形到最后破坏，都具有明显的移动过程，这一过程根据边坡条件不同，时间有长有短，一般从一、二个月到几年，累计位移量从1、2dm到几米。通过有效观测可以取得足够的时间，以采取各种补救措施。

为了充分贯彻矿山绿色开采的思想理念，遵循安全生态并重的原则，一些矿山在矿山开采初期，采用锚网喷护加绿色种植联合防护边坡，并且取得了不错的边坡稳定效果，即固化了边坡，又防止水土流失。