露天矿边坡是持续形成、动态稳定边坡，将随着采矿时间的延长和深度的加大而加深，边坡坡角可以随时进行变化。总的来说，边坡角的优化分为整体边坡角优化和台阶坡面角优化。整体边坡优化对保证矿山安全生产至关重要；在优化确定整体边坡角的前提下，再进行台阶边坡角优化，对减少露天边坡剥离量，效果明显，因为同一整体边坡角（或二级边坡角），可以有无数的台阶边坡高度、宽度及其组合形式与之对应。

如上所述，我国金属矿山的露天边坡角，一般都在30°～60°之间变化，在该范围内，理论上边坡角每增加1°，其剥离量可减少3.43%～3.91%［8］。随着开采深度的增加，采场边坡不断地加高加陡。一方面，开采难度和采场边坡破坏概率越来越大，开采安全性越来越差；另一方面，对于露天矿山，提高边坡角又是充分回收资源、降低生产成本、增加矿山经济效益的重要手段之一。不难计算，对于大型露天矿山，边坡角提高1°，即可减少剥离量数百万甚至上千万吨；降低剥离量除直接的减少剥离费用外，还免去了相应的排弃处置及环保维护费用，经济效益十分显著。由此可见，露天矿山边坡角的优化不仅必要，而且应该说是矿山企业可持续发展所必须的。

露采矿山边坡稳定是保证矿山安全生产的前提，矿山边坡稳定性分析也是露采矿山边坡角优化的前提和主要内容之一。目前应用较多的有三种，一是经验类比法，二是极限平衡法，三是数值模拟法。其他应用较少的有神经网络法、模糊数学法［7］等。经验类比法确定的边坡角主观性和经验性均比较强，要么边坡不够安全，要么会造成不必要的浪费，一般情况是边坡角偏于保守，并且对于大中型矿山露采边坡，难于达到整体优化目的。常规的极限平衡法主要侧重于边坡稳定性的评价，以满足边坡安全稳定为前提。数值模拟法结合极限平衡法，可以同时考虑矿山边坡的应力应变问题和安全稳定问题。目前的矿山软件优化法则偏重于据剥采比、开采深度、矿石品位等经济指标来确定边坡角的大小，其结果往往偏于保守［33］，因此，上述各主要方法各自的局限性也比较大。故边坡角的优化设计是露天矿山运行系统中一个至关重要的决策过程，边坡设计的质量和水平将在很长时期内影响矿山的安全和企业的效益［71］。

本文的露采矿山边坡优化主要按照以下思路进行：根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》，需要评价露天矿边坡在Ⅰ（自重＋地下水）、Ⅱ（自重＋地下水＋爆破震动力）和Ⅲ（自重＋地下水＋地震力）不同工况下的稳定系数是否满足相应等级边坡安全系数的要求。无论二维模拟还是三维模拟，首先，均必须进行现状开采条件下的模拟，对比边坡变形、破坏情况是否与采场露采边坡现状稳定性相吻合，吻合后再进行下步工作，若不吻合，必须查找原因重新输入相关数据直至吻合为止。其次，对业主方提供的预定最终开采高程及坡角（包括边坡台阶的安全平台和清扫平台等组合形式）进行模拟，评价预定开采方案条件下边坡变形破坏情况及稳定性。第三，进行整体边坡角优化：根据现状条件如坡高、边坡结构、边坡岩土体分区分带特征等，结合预定开采方案，建立数学模型，利用优化软件进行前期边坡角和后期边坡角以及整体边坡角的优化。第四，进行台阶边坡角优化，本章只讲述整体边坡和二级台阶边坡优化思路，具体优化方法和整体边坡优化后的台阶边坡优化放在第6章。第五，对整体边坡角和优化后的二级边坡角，再次进行三维数值模拟分析和稳定系数计算，检验优化后的边坡角是否满足本边坡等级相应工况下的安全系数要求。只有优化后的整体边坡角和上下二级边坡角所对应的边坡稳定系数小于或等于对应工况下的安全系数，才算边坡角优化成功。

由于本矿山地下水可以自然排泄，降雨持续时间长，水位变幅不大，忽略地下水位变化产生的动水压力对边坡稳定性的影响；但矿区无论降雨总量还是单点降雨量均较大，降雨成为不得不考虑的因素；同时，由于边坡振动力与地震力对边坡稳定性影响考虑的均是动峰值加速度，本矿区处于抗震设防8度区，地震动峰值加速度远大于边坡爆破振动形成的动峰值加速度。因此把上述工况的地下水项相应的调整为降雨，并把相应工况调整为Ⅰ（自重）、Ⅱ（自重＋降雨）和Ⅲ（自重＋地震力）进行分析评价才更符合本矿山实际。

根据本项目实际，结合以往边坡稳定性评价经验，上述不同工况下的稳定性系数大小，一般情况是Ⅰ工况的稳定系数大于Ⅱ工况的稳定系数，Ⅱ工况的稳定系数大于Ⅲ工况的稳定系数；即第Ⅲ工况下的稳定系数最低；同时由于坡角优化过程中分别对现状和预定开采标高、不同工况，进行不同坡角三维模拟来求整体边坡最优坡角显得工作量巨大，也无必要，因此，本研究在进行边坡角优化时采取如下总体思路和步骤。总体思路在于立足现状条件，充分考虑将来采矿条件：一是应业主要求尽可能保留现有的采场运输道路不做大的变动；二是根据矿山露采边坡工程地质分区分带特征，在矿山北采坑3170m（1剖面），南采坑在3270m（2剖面和3剖面相同）左右边坡上下岩土风化程度的差异较大，以上分布地层主要成散体至碎裂结构，以下则主要为整体层状结构和块状结构，故以该高程分为上下两段分别进行整体边坡角和上下二级级边坡角优化。分别计算该平台上边坡和整体边坡的稳定系数与边坡角的关系，进行上边和下坡的经验模拟（如为线性则为K＝ax＋b），再根据边坡上下边坡坡角与稳定系数之间的数学关系、台阶边坡和整体边坡及二级边坡安全系数等约束条件，选用Matlab优化软件中的适宜的优化方法，求出最优整体边坡角（括运输平台上下二级边坡角）。具体分为以下步骤。

第一步，通过二维和三维模拟，分析计算上述不同工况东帮、西帮和东南帮边坡现状二级边坡和整体边坡稳定系数，对比是否与边坡现状稳定性吻合，只有吻合才能进行下一步的计算。(www.daowen.com)

第二步，按照上述岩土体参数，三维模拟并计算上边坡和整体边坡（或下边坡）在业主给定的预定开采方案下的不同工况下的稳定系数。一般来说，给定的边坡要素不一定是最优边坡，要么上边坡和下边坡坡角均满足一级边坡安全条件并有较大剩余，存在优化条件；或者其一不满足一级边坡所要求的安全稳定系数，只能对其中的上边坡角或下边坡角进行优化；或者上下二级边坡角均不满足稳定条件，则需要降低运输平台上下二级边坡角或其中部分边坡角。

第三步，根据工程经验和有关文献［7，72］结合所收集到的国内16个类似矿山的经验坡角，二维计算对给定的上边坡和整体边坡5个经验边坡角进行第Ⅱ工况或第Ⅲ工况下稳定性计算，分别求出坡角与稳定系数之间的关系；利用Matlab软件结合约束条件，选定最优坡角。

第四步，根据二维优选坡角，结合预定开采方案条件进行三维模拟优化，三维条件下可同时考虑边坡变形情况等，继而根据模拟情况再用Slide软件求取不同工况的稳定系数与规范要求的相应等级边坡的安全系数进行对比检验，满足规范要求，才可认为是最优坡角。

Slide软件是一款评价岩质或土质边坡安全系数或者失效概率的二维极限平衡分析计算程序，边坡滑面可以是圆弧或者非圆弧形式，程序计算方法是基于竖直条分法极限平衡分析。使用Slide软件，选择合适的搜索方式后，能自动搜索到边坡台阶上去，发现最小的稳定性系数位置。Slide软件还可以对岩质边坡进行敏感度分析，借助敏感度分析，判断影响稳定系数的关键因素，明确加固设计或剥离的方向，这对于优化边坡角、坡形等大有帮助。

Slide软件和Matlab优化工具箱的联合使用，将有助于上述边坡稳定性评价和边坡角优化的完成。