露天礦邊坡設計(surface mining slope design)

根據露天礦邊坡巖體的工程地質、水文地質和采礦工藝的約束條件，提供安全、可靠的露天采礦工程設計。露天礦剝離臺階推進到最終境界時，便形成最終邊坡。露天礦最下一個臺階坡腳線和最上一個臺階坡頂線的連線與水平面的夾角稱最終邊坡角。當邊坡角過陡時，穩定性差，易滑坡，危及人員和設備安全。當邊坡角過緩時，則增加剝離量，降低礦山經濟效益。設計優化邊坡角對露天礦生產十分重要。

隨著露天開采技術的發展，生產規模的不斷擴大，開采深度的不斷加深，以及對邊坡巖石力學的認識和研究的不斷深化，邊坡工程的設計和管理亦日趨完善。20世紀50年代前，將邊坡巖體視為均勻連續介質，應用土力學的理論，按圓弧形破壞來分析和計算邊坡的穩定。60年代，提出了巖體是具有大量裂隙的非均質的地質體的概念。認識到裂隙構造對邊坡穩定的控制作用并決定邊坡的破壞模式。70～80年代，隨著電子計算機的應用和發展，除傳統的極限平衡法外，數值分析法(包括有限元法、邊界元法和離散元法)和概率法在邊坡設計中亦得到廣泛應用，提高了邊坡穩定性的定量計算功能。露天礦邊坡設計的主要內容包括：邊坡基礎資料收集與測定、滑坡模式確定、邊坡穩定性計算、邊坡的防治與加固和邊坡巖移監測。

邊坡基礎資料收集與測定礦區工程地質和水文地質資料是邊坡設計的依據。工程地質資料包括：礦區出現的各類地層的成因、時代和巖性特征，地質構造分布、發育情況及演變過程，各組結構面的生成序列及其特征，對構造應力場進行的地質力學分析等。水文地質資料有：地下水位、含水層的分布及其流量和滲透系數，現場取樣并測定各類巖石的物理力學參數，如巖塊的密度，抗壓、抗拉、抗剪強度，彈性模量，泊松比，弱面的剪切強度，內摩擦角，粘結力和地震烈度等。

滑坡模式確定按構造弱面在邊坡巖體內的賦存特征，確定可能的滑坡模式，以便選擇邊坡穩定的計算方法。邊坡巖體的破壞從受力條件分析，主要為拉斷破壞和剪切破壞。有以下幾種型式：(1)滑坡。指巖體沿一定的滑坡面發生剪切破壞。是邊坡破壞最常見的型式。根據滑面特征又可分為平面型、任意折線型、圓弧型和楔型。(2)傾倒。當急傾斜的節理或裂隙斷層特別發育時，坡面的巖層向采場內發生緩慢的彎曲變形。(3)崩塌。被陡傾角的張裂隙結構面分割的巖體，因根部折斷或壓碎而突然脫落并翻滾落下形成的破壞。

邊坡穩定性計算其方法有極限平衡法、數值計算法、概率法和工程類比法。(1)極限平衡法。在工程中應用最廣泛。邊坡穩定性用邊坡安全系數，即滑面上的抗滑力和下滑力之比表示。安全系數大于1時為穩定邊坡。設計中采用的安全系數為1．1～1．5。安全系數通常根據礦山的規模等級、坡頂附近是否有重要建(構)筑物及基礎資料的可靠性等因素確定。然后針對不同的滑坡模式選擇計算方法。對平面型破壞和圓弧型破壞，多采用垂直分條法和簡化的畢肖夫(Bishop)法。對折線型或任意型的破壞，可采用薩爾瑪(Sarma)法。對傾倒型破壞，可采用霍克布朗(E．HoeKJ．W．Bray)推薦的計算方法。(2)數值計算法。包括有限元法、邊界元法和離散元法三種。常用的是有限元法，即將邊坡的連續體離散化為有限個單元，并假定這些單元只通過結點相互聯結與制約，列出各節點力與位移的關系式，求出應力分布和應變位移的矢量圖，顯示出邊坡體內的高應力區、拉應力區和塑性區的范圍，因而得出穩定性評價和做出相應的防治決策。邊界元法不同之處在于僅將邊界劃分為單元，因而方程的數目少得多，可節省大量計算工作量。離散元法的基本思想是在運動過程中單元結點可以分離，一個單元與其鄰近單元可以接觸也可以分開。因此，可以充分考慮巖體結構的不連續性，特別適用于節理巖體工程的計算分析。以上各種方法可以耦合使用，例如，用邊界元法考慮遠場應力的影響以模擬彈性的性質，用有限元法作為中間過渡考慮塑性變形，再用離散元法考慮近場不連續變形的情況，因而極大地擴展了數值法的解題范圍。(3)概率法。應用數理統計法，把影響邊坡穩定的因素，如節理裂隙長度、傾角、傾向和巖石力學參數等看成是相互獨立的隨機變量，統計這些變量的分布規律，求解滑坡的概率，做出風險分析，評估邊坡的穩定。(4)工程類比法。當缺乏基礎資料時，可參照類似礦山的地質條件選擇邊坡角。對松散表土和巖體，其最終邊坡角為35。左右，中等穩固巖體為40^。左右，堅硬巖體為45^。左右。

邊坡的防治與加固設計中常用的措施有疏干排水、控制爆破和人工加固。易風化的巖石坡面可用錨桿金屬網噴射混凝土護坡，對高度不大的邊坡可采用鋼筋混凝土墻和抗滑樁等。由于錨索技術的迅速發展，采場高陡邊坡大面積加固已成為可行。預應力和非預應力長錨索實用深度已達30～40m，錨索的抗拉強度已達到5～6MN。

邊坡巖移監測監測邊坡巖層位移，可發現滑坡預兆，預報滑坡。在采場的總出入溝、運輸干線、坡頂附近有重要構筑物地段和不良巖體部位設計巖移監測剖面。最基本的方法是布置測量坐標網。常用的儀器有鋼絲伸長計、激光測距儀和用于鉆孔內的多點位移計等。

由于采場最終邊坡是在十幾年、幾十年的挖掘過程中逐步形成的，對邊坡巖體特性的了解也是逐步加深的。對邊坡總體設計和局部處理，隨著邊坡巖體的不斷揭露，會有個不斷調整的過程。對邊坡的應力和應變需進行跟蹤監測，準確反饋信息，使邊坡設計能在動態的變化中不斷完善。