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露天矿岩质边坡稳定性与开挖边坡角的精准解析与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代采矿业中，露天矿开采是获取矿产资源的重要方式之一。随着开采规模的不断扩大和开采深度的逐渐增加，露天矿岩质边坡的稳定性问题愈发凸显，成为制约矿山安全生产和经济效益的关键因素。

露天矿岩质边坡的稳定性直接关系到矿山的安全生产。不稳定的边坡可能引发滑坡、崩塌等地质灾害，不仅会对矿山的生产设施造成严重破坏，导致生产中断，增加修复成本和延误工期，还可能造成人员伤亡，给矿山企业带来巨大的损失。例如，2019年某露天矿就因边坡失稳发生滑坡事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失，给矿山的正常运营带来了极大的冲击。

开挖边坡角作为影响边坡稳定性的关键参数，其合理确定对于矿山的经济效益具有重要意义。若开挖边坡角过小，虽然能提高边坡的稳定性，但会增加剥离量，导致开采成本大幅上升，降低矿山的经济效益；相反，若开挖边坡角过大，虽然可以减少剥离量，降低开采成本，但会使边坡的稳定性降低，增加安全风险，一旦发生边坡失稳事故，所造成的损失将难以估量。据相关研究表明，德兴铜矿最终边坡角每增加1°，可减少剥离量940万m3，节约剥离费用4700万元，这充分说明了合理确定开挖边坡角对提高矿山经济效益的重要性。

综上所述，开展露天矿岩质边坡稳定性分析及开挖边坡角确定的研究具有重要的现实意义。它不仅有助于保障矿山的安全生产，减少人员伤亡和财产损失，还能通过优化开挖边坡角，降低开采成本，提高矿山的经济效益，促进采矿业的可持续发展。因此，该研究对于露天矿开采领域具有重要的理论和实践价值，值得深入探讨和研究。

1.2国内外研究现状

在露天矿岩质边坡稳定性分析及开挖边坡角确定的研究领域，国内外学者已取得了丰硕的成果。

国外对边坡稳定性的研究起步较早，英国的赖尔在《地质学原理》中就涉及边坡失稳问题，认为水是首要原因。此后，边坡稳定性研究不断发展，19世纪中叶Fellenius提出瑞典圆弧法，该方法将土条底部应力近似投影到土条重量法线方向，通过对各土条力与力矩平衡分析，简便求出土体极限平衡状态下稳定的安全系数，但忽略了土条间相互作用力影响。Bishop在1950年考虑土条间力的相互作用，改进瑞典圆弧法，提出边坡稳定安全系数定义，假设土条间存在水平方向相互作用力求法向力进而得出安全系数，其简化式在国内外广泛使用。随后，Lowe-Karafiath法、Sarma法等各类极限平衡法相继发展，它们均将滑动体划分为微小土条展开分析，虽假设条件不同对计算结果有影响，但在适当条件下仍可使用。除极限平衡法，还有极限分析法（能量法），通过假定滑动土体为刚性、已知滑移面位置，借助虚功原理求解极限荷载和稳定系数，但因滑动土体存在非线性关系且并非理想刚体，该方法存在局限性。有限元法则更加精确，无需假定就能分析边坡稳定，它考虑滑动土体应力-应变关系并满足力学平衡条件，基于滑裂面应力分析和强度折减分析理论，Zienkiewicz等于1975年首次借助折减系数研究出土坡稳定分析的强度折减弹塑性有限元法。

国内在该领域的研究也不断深入。学者们在借鉴国外先进理论和方法的基础上，结合国内矿山实际情况进行了大量研究。在边坡稳定性分析方法方面，除了应用传统的极限平衡法、有限元法等，还开展了如基于智能算法的边坡稳定性分析研究，利用神经网络、遗传算法等智能算法对边坡稳定性进行评估和预测，取得了一定的成果。在开挖边坡角确定技术方面，提出了多种优化方法，如浮动圆锥法、锥体排除法、基于矿体3D模型的几何约束改进模型等。张伟峰等应用浮动圆锥法对境界边坡参数进行优化；胥孝川等基于锥体排除法提出多等级优化算法，并在3座矿山应用；黄俊歆等在矿体3D模型基础上提出露天矿几何约束的改进模型，可模拟境界任意位置上帮坡角变化。

然而，当前研究仍存在一些不足。一方面，边坡稳定性影响因素复杂，包括地质构造、岩土性质、地形地貌、气候条件、采矿活动等，各因素相互作用机制尚未完全明确，现有的分析方法难以全面准确考虑这些因素的综合影响。另一方面，开挖边坡角的确定往往依赖于经验和单一的优化目标，缺乏对多目标（如安全性、经济性、环境影响等）的综合考虑和系统优化。此外，在实际工程应用中，由于现场条件复杂多变，理论研究成果与实际工程的结合还不够紧密，导致一些先进的分析方法和技术在实际应用中存在一定困难。

1.3研究内容与方法

本文研究内容主要围绕露天矿岩质边坡稳定性分析及开挖边坡角的确定展开，具体包括以下几个方面：

露天矿岩质边坡稳定性分析：对影响边坡稳定性的因素进行全面分析，包括地质条件（岩性、结构面、岩体强度等）、采矿活动（爆破、开挖顺序等）、水文条件（地下水位、降雨等）等。运用理论分析方法，