1.1 研究目的与意义
矿山露采边坡与线路工程边坡和建筑工程边坡一样，为典型的人工边坡，它与地质作用形成的自然斜坡相比，其形成过程只能视为瞬时过程，影响边坡稳定的各种因素都来不及充分暴露并发挥作用，若设计不当，很容易产生边坡破坏，这使得人工边坡的设计尤为重要［1］。1990年以来的近15年间，由于人工高边坡设置不当出现的滑坡、崩塌等地质灾害造成的直接经济损失平均每年约200亿元人民币［2］。1950—2005年，据全国31个省（自治区、直辖市）矿山调查数据统计，1950—2005年的55年间，中国矿山开发已发生地质灾害约10869起，死亡约4779人，造成直接经济损失约174.58亿元。其中突发性的崩塌、滑坡、泥石流灾害2549起，死亡4244人，直接经济损失50.04亿元。中国小型、中型和大型矿山企业发生地质灾害的数量占矿山地质灾害总量的85%、9%和6%，小型矿山企业主要是开采技术水平落后和管理不规范［3］。我国露采的铁矿石量和有色金属矿石量分别占到相应矿石总量的90%和52%［4］，露天开采在矿山生产中占有重要地位，也是上述突发性地质灾害崩塌、滑坡、泥石流灾害的主要形成因素之一。随着矿产资源的消耗、开采技术水平的提高和开采设备的发展，很多露采矿山已经由山坡露天开采进入到凹陷露天开采阶段，露采边坡也越来越高，目前世界上最大的露天矿为美国犹他州宾汉姆铜矿（Bingham Canyon copper mine），宽为4000m，深为1200m，面积为7.7km2；规模较大的智利丘基卡玛塔（Chuquicamata）铜矿，目前矿坑深达850m，到2020年将达到1100m；俄罗斯的乌达企纳亚（Udachnaya pipe）钻石矿，开采深度也已超过600m［4］。国内如抚顺西露天矿高边坡开挖深度已超过300m［5］，武汉钢铁（集团）公司大冶铁矿东露天采场边坡最高达444m，紫金山露天矿的东帮边坡原设计坡高达880m［5］，西藏某钼铜矿露采边坡高将达到1065m［7］。我国金属矿山的最终边坡角，多在30°～60°范围内，若总体边坡角每增大1°，剥离量减少3.43%～3.91%［8］。我国有关资料表明［9］，一个大型露天矿高边坡总体坡角增大1°，可节省剥岩费用数以千万元乃至亿元人民币。国外也有露天矿边坡稳定性研究结果表明，边坡角是支配矿山生产经济性的主要因素［10］。显然，露采矿山边坡稳定安全是第一位的，但过于稳定的边坡坡角，将会明显增大剥离量；但是边坡角过大，也会给边坡带来不稳定问题容易发生边坡变形破坏，威胁或直接危害露采矿山人员和设备的安全。由于露采矿山边坡设置不当而给矿山企业安全生产带来隐患甚至严重经济损失的矿山国内外并不罕见。1996年5月31日和6月3日，云南省元阳老金山金矿群采区接连发生两次滑坡，造成约400人死亡，直接经济损失1.4亿元［11］；2009年6月，重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山铁矿采场滑坡，导致10人死亡，64人失踪的巨大灾难［12］。上面提到的美国宾汉姆铜矿在采深467m时发生大面积滑坡，滑落总量近1600万吨，整个矿坑一半多被滑落体所掩埋。因此，需要在边坡稳定性分析的基础上进行边坡优化研究，尽可能调和提高边坡稳定性与减少剥离量的矛盾，以期既能保证矿山安全生产又能相对提高露采矿山的经济效益，具有重要的理论与实际意义。
本书以某铁矿露采高边坡为研究对象，该矿山为一正在露天开采的矽卡岩型中型矿床，露采矿山水文地质条件简单，地表水和地下水均可以自然排泄；工程地质条件中等复杂，矿体厚大（厚度30～80m）陡倾（倾角＞45°），围岩除矽卡岩外均为砂板岩。矿体沿倾向延伸大，适宜露天开采，初步设计露采边坡高约500m，现状坡高约400m。矿山从开采至今，矿石量已经开采了三分之二，进一步向下开采难度加大，边坡危险性急剧增大，矿山边坡稳定性不清，已经严重制约了边坡剥离和采矿计划的制定和生产进度。
本次基于边坡现状调查和收集利用地质详查资料和露采边坡滑坡勘查资料进行分析研究，目的在于两点：一是保证矿山在预计的开采高程下能安全生产；二是尽可能做到少剥离多采矿。具体任务要求如下：
一是开展边坡现状水工环调查，并充分收集利用矿区已有的地质勘查、边坡滑坡治理勘察设计资料，以及矿山开采现状资料和进一步开采设计资料，确定边坡稳定性评价级别；二是比选目前通用的矿山边坡稳定性评价方法，根据矿山边坡现状条件及开采方案，结合规范要求，选定适宜于本矿山的边坡稳定性评价方法；三是建立符合本矿山露采边坡稳定性评价体系，评价露采边坡现状稳定性以及预定开采标高下的边坡稳定性；四是建立优化模型，进一步论证设计终了边坡的稳定性，在优化、确定终了边坡稳定的前提下，对部分台阶坡角、拟定运输平台上下二级边坡角和整体边坡角进行优化，提出进一步向下开采至设计采深标高时的合理坡角建议。
本研究不求有多创新，只图实用，但愿能够为露采矿山开采技术条件研究薄弱，并已经开采到一定程度的矿山边坡稳定性评价和坡角优化有所借鉴。总之，整体边坡角的选定对矿山的安全开采至关重要；边坡台阶和分段二级边坡角的优化，对减少剥离量，提高矿山经济效益效果明显。