矿业快报我国矿山边坡工程研究现状与发展张维马鞍山矿山研究院。马轶山243004定性分析计算技术系统优化分析技术边坡计算机管理技术边坡治理和加固技术等方面阐述我国矿山边坡工程研究现状与未来发展。

　　露天矿边坡工程研究是项关系矿山生产安全矿山可持续性发展和取得矿业开发重大盈利效益的关键课。据测算，座中等规模的露天矿山，若采场总体边坡角提高即可减少废石剥离量约1000万，节省成本近亿元。

　　正因为边坡工程研究与矿山生产关系重大，国家在六七期间，连续153选择露天矿山边坡为范。作为国家重点科技攻关项目，立项开展边坡工程技术研究，取得丰硕成果。

　　1国内边坡状况我国露天矿边坡工程研究起始于20世纪60年代，在7080年代得到飞速发展，由于安全和生产需要，国内绝大多数露天矿山，特别是重点大型露天矿山都先后开展过专项边坡研究，取得了许多重大科研成果，既保障了生产安全，又取得巨大经济效益和社会效益，为国民经济建设做出了贡献=与此同时，我国在边坡工程研究总体技术水平上，已居于国际先进行列。

　　进人80年代末期，我国已有越来越多的露天矿山转人深凹露天开采，采场边坡高度从原先的100，300增加到300，500，有的甚至超过700，形成名符其实的高陡边坡，这是矿山边坡的新特点。高陡边坡的出现使我国露天采矿面临着新的困难和挑战方面，由于采场延深，边坡加加陡高陡边坡失稳破坏日增多，严重威胁采场生产安全，严重影响矿山产撞和效益。给露天开采带来了极大困难。由于陡边坡工程比般竞义上的边坡稳定性研究更复杂，随着边坡的加加陡。边坡安全稳定的影响因素增多，边坡岩体变形破坏控制和维护的技术难度加大。另方面，工程实践的实际调查和分析明，国内矿山的高陡边坡设计和国外相比，般偏缓2，5，这说明些露天矿山仍然存在有加陡边坡角的潜力，对如此大规模的边坡，总体边坡角如能提高就可减少剥岩数千万经济效益巨大。不过，即使提高1边坡角，也绝不是轻而易举的事，由于各矿山的边坡岩体工程地质条件和力学性质极其复杂，未知因素多，变化大，提高边坡角就会降低边坡稳定性，由此边坡产生变形破坏的概率就加大。甚至可能发生滑坡以致于引发灾难性后果，因此边坡科学技术研究必须适应新形势新特点。

　　此外，必须指出，边坡工程研究次性完成的认识不符合矿山实际。事实上，在露天矿山整个开采过程中，采场浅部和深部工程地质条件的改变有些与原先了解和咐握的变化较大，采矿设计的修改，采矿工艺的变化，自然环境和水文条件改变，边坡管理不及时到位，加之边坡科学研究的不断进步，测试方法及研究技术水平的提高等等，都使得局部或全部再做边坡研究成为必要，近年来。国内许多矿山的边坡工程实践充分地作了证明，而边坡逍受局部破坏并随之开展边坡工程治理的实例更是比比皆是。

　　2主要研究成果2.1专项试验与分析技术确切地掌握采场边坡工程条件，是边坡工程研究的基础。针对陡边坡复杂的工程地质条件，从地到深部，从台阶坡面到勘察钻孔，从常规试验到专项测试，从宏观到微观，从现场到实验室，进行了系统的边坡岩体原始基础数据的试验研究，包括工程地质水文地质现场原位大型剪切试验点荷载验深部边坡工程定向勘察实验室岩石力学质试验边坡岩体物质组成分析爆破震动测试地震危险性分析地应力测量和陡边坡变形破坏机理大型维物理模拟试验研究等，获得了大量的充分的原始数据，为系统优化分析提供了可靠的基础。

　　采用的新的试验和分析技术包括深部边坡定向取芯勘察，工程地质数据概率统计分析，动态模糊聚类分析，边坡地下水渗流有限元分析和有限分析及边界元法分析；水压致裂法和应力解除法进行地应力测量，用灰色建模理论建立维静态灰色代数模型，进行矿区地应力分析，用统计概率模型进行矿区地震危险性分析。用先进的微机自动控制数据采集系统及美国5216100型加速度传感器进行矿区爆破溪动参数测试，运用大型维物理模拟试验，配合数值分析进行陡边坡破坏机理试验分析研究等。

　　2.2系统优化分析技术这是边坡工程研究的核心部分，也是期间边坡工程研究的最新发展。包括以下主要内容边坡设计方案的初始优化。根据矿床赋存条件，建立维矿岩方块模型，矿床维经济模型，支托模型，组建矿床正值方块集合，然后用浮动圆锥法圈定合理露天境界，结合稳定性分析，反复验算，形成系列边坡设计方案，在此基础上，优选出多个边坡初始优化方案供进步分析。

　　边坡稳定性分析。对初始优化产生的各边坡设计方案，进行边坡稳定性分析计算；分别运用从常规的定数分析到不确定性分析，从考虑岩体的力学强度特征分析到考虑边坡应力变形特征分析，诸如临界滑动场分析可靠性分析倾倒破坏分析能世法分析等，综合各种分析方法相互印证，显著提高分析精度。

　　边坡形成过程模拟。利用计算机的形处理和数值计算功能。采用数学仿真技术，在计算机上模拟采矿活动体现边坡形成过程。关键技术是提出并采用影交域法来实现即用投影法解决工作线的合理推进用交域法解决开采区域矿岩量的精确计算。

　　边坡方案的经济分析。根据各边坡方案期内所产生的经济效益进行预估分析。采用投资收益率和净现值种方法进行各方案经济比较。

　　边坡方案的敏感度分析和风险分析。边坡设计方案的选优是项投资决策行为。和其他所有投资决策样，由于些技术参数和经济参数具有动态的不确定性，所以也存在两种风险，即技术风险和经济风险。分别采用敏感度分析和风险分析来进行动态预测。

　　边坡方案的决策分析。露天矿边坡设计过程，从本质上讲是个决策过程。边坡方案的决策分析即是个多方案多层次多目标的系统决策问。本项研究采用双层六目标树状结构模型，对各边坡方案进行分析，以总合意度最者为综合指标最优方案。23边坡稳定性分析计算技术这是边坡工程研究的重点内容，也是期间重要创新技术。

　　边坡临界滑动场分析这新方法是以最优控制理论的最优性原理为数学基础，以条块间推力最大准则为力学依据，直接从整体出发，通过数值分析，先离散后插值，连续生成临界滑动场。边坡临界滑动场分析方法的提出和应用是稳定性分析方法的新发展。

　　边坡能量法分析其理论基础是系统稳定性原理，其核心是系统失稳的能世判据由于岩体的非线性本构关系直接影响边坡应力变形屈服范围，故采用能量法以非线性有限元分析全面考虑岩体的变形特征，应用于边坡实际工程。

　　边坡可靠性分析其实质是把特定边坡的工程性质和工作状态的不确定性进行定量分析，以尽可能较准确地预测未来的边坡工程效果，采用的方法有蒙特卡洛模拟法验算点法统计矩法和随机有限元法。

　　边坡维可变形块体理论分析以12个变形参数来描述块体系统的刚体运动及变形，建立总体平衡方程和各类子矩阵，用拓扑学单纯同调原理解决块体的形成和接触判别，计算边坡岩体实际发生的位移，并可更好地说明滑坡和崩塌现象。

　　多组块体组成折线型滑动面稳定性分析从经典极限平衡方法入手，建立包括有外载荷地上水力矩作用的普遍达式。给出相应的初始边坡安全系数，根据临界滑动面与有限元和节理单元耦合，与维离散元耦合方法来研究临界滑体的运动学特性。

　　边坡维随机介质理论分析对于岩体严重风化，或节理裂隙十分发育的岩体，应用随机介质的基本原理来分析边坡岩土体的位移和变形规律，并以位移或变形作为岩体滑坡的判据。

　　边坡维离散元分析这是由离散元分析方法的深人扩展，是离散元发展的前沿，它特别适用于节理化岩体的边坡稳定性分析。

　　建立露天矿边坡数据库及开发边坡稳定性分析专家系统根据岩体结构类型形成不同的边坡破坏模式，采用不确定性推理方法和自适应的识别方法，应用神经网络理论，尝试采用机器学习方法，建立起边坡工程地质参数与边坡安全系数之间的非线性模型。已经初步建立起包括边坡数据库稳定性分析方法库及形库知识库与推理机人机对话及交流系统的露天矿边坡稳定性分析专家系统。

　　以上边坡稳定性分析新技术均属岩土工程前沿领域研究的成就。并已在露天矿边坡工程中成功应用。

　　2.1边坡计算机管理技术这是保障边坡工程有效实施的可靠工具。

　　建立边坡工程信息管理系统。由信息收集加工贮存等部分组成，以便对边坡生产过程所需的信息进行系统综合处理。

　　建立边坡工程数据库，开发边坡稳定性分析专家系统。为使矿山管理部门随时了解矿山生产状况和态势，对各种边坡信息进行统管理，建立了边坡王程数据库管理系统。在此基础上，还开发出形库方法库和知识库初步研制出边坡稳定性分析专家系统。

　　研制边坡工程系统优化全套分析软件。

　　从边坡基础工程条件分析研究开始，系统优化分析软件，边坡计算机管理系统软件等全套实用技术。

　　2.5边坡治理与加固技术长期实践证明，这是边坡工程行之有效的安全保障措施。

　　随着矿山不断开采延深，边坡加高加陡，边坡局部变形破坏事故日益频发，实施边坡治理与局部加固的矿山已比较普遍。为此，首先针对矿山具体工程条件与特点，准确地分析引起边坡变形破坏的主要原因，然后对症下药，根据需要选择单项或综合种或多种治理措施。普遍应用的治理措施主要有边坡水的治理。通常对地水建防洪槽，挖排水沟，排大气降水于边坡之外；对坡体水常用水平钻孔排渗；对地下水考虑深部钻孔或巷道排泄。

　　控制爆破。减震爆破临近边帮缓冲爆破等。

　　削坡减载。这是比较廉价又容易实施的稳坡措施。

　　护坡。砌挡墙，喷射混凝土或挂网喷射混凝土。

　　人工机械加固常用的有长锚索加固，施加或不施加预应力，高强度锚杆加固，抗滑桩加固等。且有专业工程队伍组织施工。

　　此外，为掌握边坡变形破坏和滑坡预报。布置边坡监测网站，建立边坡自动监测系统，从而形成比较配套的边坡治理综合措施。

　　3技术特点当前的边坡工程研究，从研究思想上突破了传统的边坡研究中专注于边坡稳定的单目标为边坡安全可靠和经济受益双重目标；突破以往静态的定数的分析研究方法，发展为动态的连续的和不确定性的分析研究方法。这是边坡工程研究主体思想的重要变新。因为以往的边坡研究沿用静态的确定性分析方法，往往不能反映复杂地质体的真实，分析结果边坡可能是稳定的，但非经济的；边坡设计方案是可行的，但因常与采矿工艺相脱离而非实用的。本项成果提出动态的不确定性的研究方法能最大限度地逼近复杂岩体物理力学属性，因而分析数据更客观更真实更具代性，分析结果也更可靠更实用。

　　在研究方法上，把边坡工程看成是多学科多领域的系统工程，具有多因素多层次多目标的特点，只有实现全系统的整体优化，才能获得最佳效果，因而根据工程优化原理和系统工程理论，把边坡工程与采矿工艺紧密结合，在总体上采用系统优化方法和系统模拟技术，在具体步骤上运用数值分析，层层筛选环环紧扣，步步优化，最终形成套完整的全新的系统优化而非单项优化分析技术，这是边坡研究的项重要进展。

　　以往的边坡研究仅专注于边坡事前设计验证，内容比较狭窄，目的比较单，常因与采矿工艺相脱离，甚至无法应用。现在则注重把边坡工程研究边坡方案设计，采矿计划的实施和实现高效的边坡管理有机的紧密结合起来，把边坡事前管理和事后管理融为体，形成套动态的边坡研究设计生产管理完整体系，并提出全套系统分析方法和分析软件，这种新的边坡研究设计方法融合边坡计算机管理技术，把边坡未来状态的预测与可能的风险估计相结合，使之具有预测功能，使矿山技术人员和决策者可事先预知何时何地的边坡所处的安全状态，以便事先采取措施，防患于未然。

　　采用了系列高新理论和技术，如系统论控制论优化论不确定性分析理论模糊论灰色理论人工智能数值模拟计算机仿真可视化技术经济学决策理论等。这样多的高新理论和技术用于边坡工程研究是前所未有在稳定性分析方法上，提出和应用临界滑动场分析法，以及能世法分析。可靠性分析，维可变形块体理论分析，维离散元分析，维随机介质理论分析，多块体折线型滑动面稳定性分析与常规的极限平衡分析等方法进行边坡稳定性评价，方法新颖技术先进，分析结果相互比较和验证，丰富和发展了稳定性分析计算技术，也大大提高了分析的精度和可靠性，研制出全套的边坡工程研究设计生产和管理的软件系统，该系统具有全过程预测功能，既有高技术含ffl，又便于现场人员掌握。

　　4发展前景由于露天矿山越采越深，采场边坡高度加大，边坡工程地质条件千变万化，岩体力学性质极其复杂，边坡工程研究技术不能静止在现有水平上。特别是随着世界范围内岩体力学科学技术方面，在边坡水文地质条件研究及地下水渗流准确分析预测方面，在边坡稳定性分析评价的定量化技术方面，都必须进步深化研究。

　　尤其在边坡治理加固技术边坡自动监测和滑坡预测预报技术，以及相应加固设备和监测测试仪器等方面，与国外相比，我国还存在明显差距参考文献他山。1.评。化叮。岩石边坡工程。冶金工业出版社，2中国岩石力学与工程学会。岩石力学在工杜中的应用。

　　知识出版社，1989 3钱学森等。工程控制论。科学出版社，980 4傅家骥。工业技术经济学。清华大学出版社，1986 5席西民。大型工程决策。贵州人民出版社，1跗86美，找，5.51叩经济决策分析，李怡等译张维，男。60岁，高级工程师，地下从事矿山边坡的研究工作，主持国家六七。，科技攻关项目，多次获得国家冶金部科技成果奖。

(完)