随着露天矿山开采深度增加，边坡稳定性对安全生产的影响越来越重要。在保证边坡稳定性的同时，增大最终边坡角是提高露天矿生产效益的关键。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4 700 万元；庙沟铁矿露天矿最终边坡角由原设计的48°修正为52°后，减少剥离量1 164万t，为企业增效5 761.87万元；大顶铁矿二期将最终边坡角平均提高3°以上，共减少剥岩量407.57万m3。

在露天矿边坡角的优化方面，张伟峰等应用浮动圆锥法，对境界边坡参数进行了优化；胥孝川等基于锥体排除法，提出了多等级优化算法，并在3 座矿山应用；黄俊歆等在矿体3D 模型的基础上，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；杨彪等以静态价值模型为基础，采用LG 算法初步确定境界，将时间属性加入计算模型，比选各方案的净现值来确定最终境界。

本文以研山铁矿西帮反倾岩质边坡为研究对象，立足于露天采场的现状和采场已揭露的工程地质情况，对边坡稳定性及其加陡可行性进行研究，为下阶段优化生产设计提供依据。

原设计研山铁矿西帮终了边坡结构参数：台阶高度15～30 m，终了台阶坡面角为65°，覆土层35°～40°，安全平台宽8 m，清扫平台宽10 m，最终边坡角为44°。开采终了边坡标高+37～-547 m，形成边坡高度约584 m，属于大型深凹露天矿。西帮边坡局部发现含有黏土破碎带，破碎带是致使上部边坡失稳的潜在关键因素。就目前来看，边坡稳定性较好，无滑坡迹象。

针对研山铁矿西帮边坡，科研单位通过原位监测与数值模拟相结合的研究方法，综合分析了边坡潜在变形破坏机制为拉应力主导的变形破坏，整体边坡为倾倒滑移变形。黄润秋等采用反倾边坡振动台进行实验研究，得出研山铁矿西帮反倾边坡受节理影响，在爆破扰动及降雨工况下边坡浅部会松动卸荷促使拉裂缝扩展，发生拉剪组合型破坏，破坏模式为边坡顶部拉裂-下部剪出型破坏，滑面形态近似呈L形。

参照《非煤露天矿边坡技术规程》，考虑研山西帮原境界设计高度为584 m 左右，已超过500 m，故归类为边坡安全等级I 级，基于反倾岩质边坡比一般边坡稳定的结构特性，建议取规范中建议安全系数的下限作为研山西帮边坡安全储备系数，安全系数取值见表1。

研山铁矿处于基本地震设防烈度的Ⅶ度区，因此必须考虑地震力作用，参考《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），研山铁矿所属地区地震动峰值加速度为0.15g。根据前期项目监测西帮爆破振动实测参数资料，可知西帮水平质点振动速度为0.03 m/s，参考《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014），确定爆破水平方向振动加速度为0.056g，水平影响系数为0.015。

根据以往针对含燧石白云岩、石英砂岩、中风化黑云变粒岩进行的大量岩石力学实验资料和采场工勘情况来看，研山西帮上部第四系至含燧石白云岩强度较低，石英砂岩至黑云变粒岩强度逐渐变高。根据前期岩石力学实验结果，对岩石力学参数进行经验取值，见表2。

本次研究选取研山西帮典型剖面，运用Geoslope 软件，采用Morgenstern-Price 法分别计算3 种荷载组合下的现状境界安全系数。通过Geo-slope搜索滑面功能，确定了局部与整体（+37～-217 m 和+37～-457 m）的2个潜在滑动面位置。

原境界边坡稳定性计算结果见表3，+37～-457 m标高潜在滑面符合安全储备要求，说明反倾边坡难以发生大面积滑坡，而+37～-217 m标高潜在滑面3种工况安全系数较接近安全储备系数，黏土破碎带参数经验赋值可能导致边坡安全储备不足，所以针对在未形成最终边坡时需要对边坡黏土破碎带情况进行观测，做到及时加固弱层，及时采取排水及降振措施。

本次研究收集了15座国内外矿山边坡结构参数资料，并拟合了曲线，如图1所示。可以看出，设计高度在584 m 及以上的露天矿边坡设计最终边坡角度多数在45°～50°，根据工程类比确定研山铁矿西帮边坡加陡后整体边坡角度应在45°～50°。

（1）考虑采矿和剥岩的平衡，45°～50°加陡后将下降1 个台阶至-562 m，将整体边坡理想化为大斜面，以典型剖面作为基础分析45°、46°、47°、48°、49°、50°边坡角度的稳定性，判断研山西帮边坡加陡角度范围。

（2）经过数值计算，不同最终边坡角对应的安全系数见图2，可以看出，45°～47°边坡安全系数符合安全规范要求的安全储备系数1.20，但47°对应的安全系数仅为1.211，储备不足，所以，研山西帮边坡具有加陡1°～2°的可行性。

方案一将整个边坡分为2 段（-277 m 以上及以下）进行布局，如图3 所示，在-277 m 添加20 m 宽平台，阻隔上部应力传递；-277 m 以上岩性强度较差，按原境界留设，-277 m 以下台阶坡面角设置70°（运输路除外），按照安全平台6 m、清扫平台12 m 交替布置，主要运输道路宽度不变，道路上下台阶坡面角维持65°不变。

方案一的极限平衡模型如图4 所示，针对+37～-217 m、+37～-427 m滑面，采用Morgenstern-Price法进行了稳定性计算，计算结果见表4。方案一中上部边坡形态并未改变，+37～-217 m 部分仍然存在未揭露的破碎带影响潜在风险，需要根据揭露情况采取对应的加固防护。从整体边坡安全系数来看，由于下部边坡过陡，在地下水、爆破振动和地震力作用下整体及局部不满足稳定性系数，处于临界稳定状态。

边坡加陡2°后处于临界稳定状态，不利于边坡整体稳定性，如出现降水过多、地下水突然猛增的情况，势必会造成边坡自重增加，存在滑移坍塌等隐患。

方案二将整个边坡分为3 段（-18 m 以上、-18～-337 m、-337 m 以下边坡）进行加陡分析，在-67 m及-187 m 处添加20 m 宽平台，阻隔上部应力传递；-18 m 以上按原境界留设，-18～-337 m 台阶坡面角设置65°，-367 m 及以下台阶坡面角设置70°（运输路除外）；从-18 m 平台开始，按照安全平台6 m、清扫平台12 m 交替布置，主要运输道路宽度不变，且道路上下台阶坡面角维持65°不变；方案二边坡模型见图5。

方案二的极限平衡模型如图6所示，计算结果见表5。方案二改变了整体边坡形态，上部边坡安全系数接近安全储备系数，建议仍根据破碎带逐步揭露采取加固防护，减少局部潜在失稳风险。从安全系数来看，在地下水、爆破振动和地震力作用下，边坡整体满足安全储备要求。

加陡1°后边坡整体满足安全储备要求，整体稳定性较高，即使出现地下水突然猛增的情况，边坡仍然非常稳定，不易出现安全隐患。

整体边坡角度相比原设计境界提高2°后，在不同工况下安全系数不满足要求，建议采取降振排水措施以及边坡上下部联动防护工程，改善边坡整体稳定性，并随边坡动态开采进行阶段稳定性分析，验证边坡治理后能否达到临界安全储备状态，再研判加陡2°是否可行。

边坡整体相比原设计境界提高1°的方案中，存在上部边坡稳定性系数储备不足的情况，建议在+37～-217 m 的滑面位置添加2 处20 m 宽平台（-67 m，-187 m），宽平台可以阻隔上部边坡的应力传递，避免发生较大滑坡，从而提高边坡整体稳定性。

边坡加陡1°后整体稳定性较好，建议采用加陡1°的方案更为安全，矿山生产末期可以根据下部边坡揭露的岩石质量情况，适当采取陡帮强采措施解放挂帮矿，达到安全经济的目的。