劉佶林 馮光華 劉云峰 楊 忠 楊 超

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南文山663701）

在露天礦山的開采中，邊坡角是影響露天礦山投資、生產(chǎn)成本和安全成本的重要影響因素［1］。最終邊坡角的確定直接影響到露天境界剝采比的大小，最終影響整個露天礦山生產(chǎn)所獲得的經(jīng)濟效益。但隨著最終邊坡角的增大，露天邊坡穩(wěn)定性就會逐漸降低，露天開采的風(fēng)險隨之增大。從安全學(xué)原理的角度來說，在獲得收益的同時伴隨著風(fēng)險的存在，而且風(fēng)險與收益是呈此消彼漲的關(guān)系［2-3］。

由于技術(shù)原因，露天開采境界設(shè)計時難以確定既能在開采期內(nèi)保證安全穩(wěn)定，又能使采礦量最大剝巖量最小的最終邊坡角。獲得這個在安全和開采效益間最優(yōu)方案的難點在于邊坡的安全穩(wěn)定程度應(yīng)該如何界定。因此，分析露天境界邊坡的穩(wěn)定性，研究境界收益和安全風(fēng)險之間的關(guān)系，對境界設(shè)計合理性進行有效驗證對礦山企業(yè)是很有必要的。

本文根據(jù)曼家寨采場已有的地質(zhì)及相關(guān)資料，在建立三維數(shù)字礦床模型的基礎(chǔ)上，利用極限平衡法對不同境界最終邊坡角的方案進行穩(wěn)定性的分析，研究境界優(yōu)化中的境界收益與邊坡風(fēng)險關(guān)系，高效、準(zhǔn)確地完成多方案決策比較，在確保邊坡安全的前提下使露天開采境界收益最大化，為露天礦山境界設(shè)計提供參考。

1 工程概況

銅街—曼家寨露天采場（以下簡稱曼家寨采場），自2004年起實施規(guī)模化露天開采已有10余年的歷史。目前采場最低標(biāo)高+900 m，采場東邊坡最高標(biāo)高+1 260 m，邊坡垂直高度已達(dá)360 m，隨著采剝工程的推進，采場東幫逐漸形成了由多個組合臺階構(gòu)成的高陡邊坡。受采場內(nèi)構(gòu)造、巖性、地下水、邊坡結(jié)構(gòu)及大氣降水、爆破擾動等多種因素的影響，東幫邊坡的安全隱患日益突出。根據(jù)曼家寨采場邊坡的變形監(jiān)測及預(yù)警研究工作，目前該邊坡總變形量最大超過7 m，下沉量最大處超過5 m。東幫邊坡主要巖性由云母片巖及石英云母片巖組成，其片理發(fā)育，巖石松軟，遇水易泥化，力學(xué)強度低，風(fēng)化嚴(yán)重。大量失穩(wěn)滑移面的產(chǎn)生，嚴(yán)重制約了礦山的正常生產(chǎn)，造成了一定的經(jīng)濟損失，并且對采場內(nèi)的施工人員、設(shè)備設(shè)施和周邊建筑物產(chǎn)生威脅，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)。

2 開采境界與開采收益

露天開采最終境界由露天礦地表境界、深部境界和最終邊坡組成，是露天采場開采結(jié)束時的空間輪廓，是由技術(shù)因素、經(jīng)濟因素所決定的最重要的露天開采設(shè)計內(nèi)容［4］。露天開采設(shè)計的重要工作內(nèi)容之一是合理確定露天礦開采境界，目的是在保證開采各項工程活動安全及空間要求的前提下，盡可能多采礦、少剝離，使整個礦床開采所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益最大化。

2.1 境界設(shè)計方法

目前，露天開采境界的設(shè)計方法主要有手工設(shè)計法和計算機優(yōu)化法2大類。使用傳統(tǒng)手工設(shè)計法確定露天開采境界時，由于計算工作量很大，故難以做到綜合考慮資源開采技術(shù)條件和經(jīng)濟指標(biāo)等因素對境界設(shè)計的影響，因此要得到比較合理、有效的最終開采境界較為困難［5-6］。本研究利用三維礦業(yè)軟件，對銅街—曼家寨礦段建立數(shù)字礦床模型，建立了地表DTM模型、鉆孔模型、巖體模型、礦體實體模型、品位分布模型等，為確定開采境界設(shè)計和邊坡穩(wěn)定性計算提供真實可靠的計算依據(jù)，采用計算機優(yōu)化法進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 境界優(yōu)化

利用三維礦業(yè)軟件，調(diào)用銅街—曼家寨礦段的塊體模型，輸入采礦成本、剝離成本、貧化率、損失率、復(fù)墾成本、銷售成本等經(jīng)濟參數(shù)，將三維塊體模型轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟價值模型進行境界優(yōu)化。三維礦業(yè)軟件計算確定的境界，不但給出了所設(shè)計境界的空間范圍、開采礦石總量、剝離巖石總量，而且還計算出了所圈境界的開采總價值，為采礦設(shè)計提供參考。與手工設(shè)計境界不同，由于計算機軟件計算的快速、準(zhǔn)確，可以使設(shè)計人員快速獲得多個方案的計算結(jié)果。此時，最終邊坡角就不必被視為固定不變的因素，而是可以依照研究需要進行多種邊坡角取值方案的設(shè)計。以如圖1所示境界為例，當(dāng)頂幫的最終幫坡角從30°增加到35°時，其頂幫的開采高度從514.05 m變?yōu)?97.45 m，最低開采標(biāo)高由+770 m下降到+760 m，同時，35°邊坡境界圈入了更多的礦體。

利用三維礦業(yè)軟件對銅街—曼家寨礦段采場進行境界優(yōu)化，在其他技術(shù)經(jīng)濟條件不變時，分別以最終邊坡角為30°、32°、35°、38°、40°5個方案，對該礦段進行境界優(yōu)化計算，結(jié)果見表1。

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從表1可以看出，當(dāng)最終邊坡角度增加時，整個境界的采出礦石量增加，剝離量減少，底部開采標(biāo)高降低，境界開采的總價值增加。

采場東幫區(qū)域在不同的最終邊坡角境界下的采出礦石量情況見表2。

由表2可見，就采場東幫而言，最終邊破角從30°增加到40°時，采出礦石量變化很??；剝離量隨著最終邊坡角的增大呈下降趨勢，變化較為明顯。

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可以看出，影響露天境界優(yōu)化結(jié)果的重要因素是邊坡角，如果僅從境界收益方面來考慮，必然是邊坡角越陡越好，如果從安全生產(chǎn)方面考慮，則邊坡角越緩越安全。在曼家寨采場的境界設(shè)計中，從不同邊坡角優(yōu)化的境界計算結(jié)果可以深入討論：最終邊坡角從30°增加到40°后，整個采場境界開采多獲得了311 195萬元的收益，而最終邊坡的不穩(wěn)定的風(fēng)險到底增加多少？因邊坡變陡而增加的加固或維護費用，用多獲得的收益來支付是否夠用，或者還能節(jié)余多少？為了找出答案，需要對邊坡的穩(wěn)定性定量分析問題進行專門的討論。

3 境界收益與邊坡安全風(fēng)險關(guān)系

露天礦最終邊坡由最終邊坡角和邊坡的高度確定，最終邊坡角對露天境界的平均剝采比有很大影響。在確定境界設(shè)計方案時，確定最終邊坡角是一個非常重要的內(nèi)容。如果單純追求境界安全，可以把最終邊坡角取得很小，顯然這對于采礦的經(jīng)濟效益是不利的。但為了采礦效益而減少境界內(nèi)的剝巖量，勢必需要加大最終邊坡角度。而從巖體力學(xué)的常識可知，邊坡角越陡，邊坡的穩(wěn)定性就越低。

在開采收益和開采風(fēng)險權(quán)衡之間確定境界最終邊坡角，必須確定可接受風(fēng)險的底線。在露天開采中所形成的邊坡，并不是永久性邊坡，它是礦山為獲得開采收益，允許邊坡出現(xiàn)局部的，或可觀測、可控制的邊坡垮塌。但依據(jù)《安全生產(chǎn)法》的規(guī)定，境界邊坡穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，不能低于由國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全生產(chǎn)條件。巖土工程勘察規(guī)范中規(guī)定：“邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs的取值，對新設(shè)計的邊坡、重要工程宜取1.30～1.50，一般工程宜取1.15～1.30，次要工程宜取1.05～1.15”。

目前在開采境界的設(shè)計時，在沒有條件開展邊坡穩(wěn)定深入研究的條件下，通常根據(jù)礦體及圍巖的堅固性系數(shù)、邊坡的高度、服務(wù)年限長短等因素，參考設(shè)計手冊或近似礦山情況選取最終邊坡角。事實證明，上述方法確定的邊坡角往往偏于保守，對礦山企業(yè)的整體經(jīng)濟效益是不利的［2］。從系統(tǒng)安全的合理性來考慮，這種方法又需要多付出一些不必要的安全成本。

3.1 邊坡穩(wěn)定性計算方法

目前邊坡穩(wěn)定分析一般采用極限平衡法進行計算。這就需要對邊坡所處的工程地質(zhì)情況進行勘察，并通過巖石力學(xué)實驗確定相關(guān)計算參數(shù)，才能獲得邊坡穩(wěn)定性分析的依據(jù)［7］。顯然，在露天礦設(shè)計中，同時對技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的決策過程開展研究是一項事關(guān)全局，且耗功費時的工作。隨著數(shù)字礦山技術(shù)的發(fā)展，使得這一過程可以有更高效和準(zhǔn)確的方法。

本研究采用極限平衡法進行邊坡穩(wěn)定性的分析評價，采用優(yōu)化方法搜索最小安全系數(shù)和滑動面。極限平衡法是一種近似的計算方法，該方法獲得的結(jié)果是粗略的綜合性近似解。它在很多工程中都得到廣泛應(yīng)用，這種方法使用簡單，解決工程問題快速、直觀，并且便于工程技術(shù)人員掌握。極限平衡法中運用得較為廣泛的是簡化Bishop法［8-9］。

3.2 剖面穩(wěn)定性計算

在設(shè)計境界內(nèi)合理選取典型分析剖面，是露天境界邊坡穩(wěn)定性分析的一個重要環(huán)節(jié)，典型分析剖面的代表性直接影響境界邊坡穩(wěn)定性研究成果的可靠性。本次穩(wěn)定性分析，選擇采場東幫最具代表性的3個剖面作為穩(wěn)定性計算的剖面，具體位置如圖2所示。

穩(wěn)定性計算的邊坡角分為30°、32°、35°、38°、40°5組，每組分別計算剖面1-1′、2-2′、3-3′的穩(wěn)定性系數(shù)。剖面潛在滑動面計算結(jié)果如圖3所示。

各剖面在不同邊坡角下的穩(wěn)定性系數(shù)如表3所示。

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根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全生產(chǎn)條件，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.05時，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，最終邊坡角為30°的境界的各剖面都處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)最終邊坡角增大到35°時，剖面1-1′和3-3′處于穩(wěn)定狀態(tài)，但2-2′處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)最終邊坡角增大到38°時，3個剖面全部處于不穩(wěn)定狀態(tài)。最終邊坡角從30°逐漸增大到40°的過程中，各剖面的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低，由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。

3.3 風(fēng)險收益關(guān)系分析

在不同最終邊坡角情況下，分析境界收益與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的直接關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)，境界收益與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)存在此消彼長的關(guān)系，如圖4所示。

就曼家寨采場當(dāng)前狀況而言，從安全性和經(jīng)濟性的角度來看，將采場東幫的最終邊坡角控制在35°左右較為合理。采場東幫的最終邊坡角超過35°時，邊坡可能出現(xiàn)局部滑移、邊坡垮塌等不穩(wěn)定情況。如果僅靠通過增加最終邊坡的角度來增加開采收益，那么隨之增加的將是在邊坡服務(wù)期內(nèi)存在滑坡風(fēng)險。

4 結(jié)論

境界邊坡的滑坡是露天開采活動中最危險的事故之一。防止邊坡滑坡事故發(fā)生最重要的環(huán)節(jié)，就是在設(shè)計階段合理確定最終邊坡角。過于保守的邊坡角策略是不經(jīng)濟的，如何較準(zhǔn)確地評價邊坡穩(wěn)定性既是技術(shù)決策問題，也是經(jīng)濟決策問題。

在境界設(shè)計中，應(yīng)通過盡可能提供準(zhǔn)確和豐富的設(shè)計依據(jù)。在確定邊坡角時增大最終邊坡的角度的做法，把邊坡滑坡的風(fēng)險留在了生產(chǎn)階段，如果風(fēng)險不可避免，而風(fēng)險度的計算又不能做到足夠準(zhǔn)確，礦山企業(yè)在享受增大邊坡角獲得的收益時，就必須支付相應(yīng)的邊坡滑坡風(fēng)險控制成本。當(dāng)因境界設(shè)計所增加的最終邊坡角角度而付出的邊坡滑坡風(fēng)險控制成本小于因境界設(shè)計所增加的最終邊坡角角度增加所帶來的收益時，適當(dāng)增加最終邊坡的角度的做法是可取的。

影響邊坡穩(wěn)定的主要因素除邊坡巖體的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、邊坡高度、最終邊坡角外，還有震動、采礦活動及服務(wù)年限等諸多因素。對于曼家寨采場，工程技術(shù)人員對影響其最終邊坡穩(wěn)定的因素都有了一定程度的了解，但又不能保證這些因素取值的絕對準(zhǔn)確性。因此，在這種背景下計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)難以被完全采用，即以當(dāng)前數(shù)據(jù)資料計算出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，其可靠性尚不足以支持對境界邊坡穩(wěn)定的最終判斷，但它仍可以為終了境界的設(shè)計進行方向性指導(dǎo)。