作者：李莉

新南威爾士大學采礦工程博士 

澳大利亞曼寧文礦業(yè)咨詢公司（Mining One Consulting） 巖土工程師

考拉按：礦山巖土工程師（Geotech Engineer），或稱工程地質工程師，是解決礦山工程地質問題的專業(yè)人員，在國際礦山生產中扮演了重要的角色，然而在國內卻沒有得到相應的重視，往往作為是采礦工程或者安全工程的一個分支。事實上，巖石力學的研究可以決定一個礦山項目的成敗。例如考拉曾經(jīng)介紹過的澳大利亞杜加爾河鋅礦項目，就是通過扎實的巖石力學研究解決了礦山存在的工程地質難題（文章鏈接見文末）。目前在全球正成為技術趨勢，并在自由港在印尼的Grasberg銅金礦、力拓在蒙古的OT銅金礦、洛鉬在澳洲的Northparks銅礦等世界級礦山得到應用的自然礦塊崩落采礦法（Block Caving），需要在采礦前做大量的巖石力學分析和工作。成為巖石力學工程師，將是國內的礦業(yè)畢業(yè)生獲得海外大型礦業(yè)公司工作機會的一條捷徑。（文后有工程地質工程師等技術崗位工作機會，歡迎咨詢和投遞簡歷）

2017年以來，全球礦業(yè)經(jīng)濟復蘇，新礦山相繼開發(fā)，舊礦山逐步復產，巖土工程師的需求越來越多，澳洲/加拿大/南非等礦業(yè)占GDP比重較高的國家出現(xiàn)了巖土工程師（或巖石力學工程師）短缺的局面。物以稀為貴，現(xiàn)場巖土工程師薪資水平往往要高于普通采礦工程師和地質工程師。那么，為何國外礦業(yè)公司愿意高薪雇傭現(xiàn)場巖土工程師，而我國卻幾乎沒有 “現(xiàn)場巖土工程師” 的概念？

三十年前，國內外幾乎沒有礦山會雇傭現(xiàn)場巖土工程師，巖土工程設計和運營支持主要由專業(yè)咨詢公司和/或研究機構進行。如今，全球礦業(yè)公司紛紛開始雇傭礦山內部巖土工程師，實時監(jiān)測和解決采礦設計和短期施工中面臨的巖土力學問題。針對長期或者特定的巖土工程問題，礦業(yè)公司仍會聘請專業(yè)咨詢公司和/或科研機構進行采礦項目研究。這一重要變化源于20世紀90年代，澳洲開始逐漸制定嚴格的礦山安全法規(guī) (Ref.1)，而且礦業(yè)界逐漸認識到巖土工程在優(yōu)化礦山設計和管理巖土工程風險方面，能為礦山帶來巨大的經(jīng)濟價值。

大多數(shù)國際礦業(yè)公司已經(jīng)建立了成熟的巖土工程師團隊，具備相應的技術服務能力。例如Rio Tinto、BHP和Glencore，以及大多數(shù)澳洲礦業(yè)公司。然而，中國的礦業(yè)公司尚未建立礦山巖土工程師團隊，因為中國礦業(yè)界仍未認識到巖土工程師在礦山技術服務和開采運營中的重要性。

巖土工程在礦山技術服務中的角色

礦山技術服務部門，是服務礦山開采建設的主體。礦山巖土工程是礦山技術服務部門不可缺少的一部分。礦山技術部門由地質/測量/礦山規(guī)劃和采場設計/巖土工程/通風，以及水文地質等構成，負責戰(zhàn)略性礦山規(guī)劃和采礦作業(yè)的有效技術指導。典型的礦山技術服務部門和關鍵職責如下圖所示。

現(xiàn)場巖土工程師的角色，主要為礦山提供巖土工程支持，實現(xiàn)礦山安全高效生產，并從巖土工程角度輔助改善礦山設計。此外，巖土工程師另一個重要角色是，及時向礦山管理層提出建議，優(yōu)化礦山設計和/或采礦規(guī)劃，以降低巖土工程方面的風險。例如，豎井設計過程中，巖土工程師需要對以下問題給出建議：不同深度巖體條件對井巷穩(wěn)定性的影響，是否有軟弱巖層和地下水風險，豎井位置是否需要調整，井壁支護和長期穩(wěn)定性問題等。

巖土工程輔助改善礦山設計

礦山項目可行性研究階段的礦山設計，通?？捎玫膸r體數(shù)據(jù)有限，迫使設計基于許多假設。隨著礦山的開發(fā)，收集了新的地質/巖土工程和水文地質數(shù)據(jù)后，有必要對設計假設重新評估，并修改初始設計。礦山管理部門有責任持續(xù)尋求改進礦山設計，降低長期運營的成本，提高礦山經(jīng)濟價值。

（1）露天采礦

露天采礦作業(yè)的成本主要取決于剝采比（剝離廢石量/采出礦石量比率）。開采礦石時剝離的廢石越少，露天礦產生的收益就越高。露天礦的邊坡角是礦山設計的核心，它是由巖土工程師根據(jù)巖體分級、巖體力學特性、水文地質條件、穩(wěn)定性分析和數(shù)值計算等結果確定的。巖土工程師既要設計穩(wěn)定的邊坡角以產生最大的開挖價值，更需要考慮邊坡失穩(wěn)甚至滑坡造成的安全事故和影響。在大型露天礦坑中，邊坡角微小的改變，可導致廢石量增加或減少幾個甚至十幾個百分點。然而，大多數(shù)露天礦項目都是在可行性研究階段，進行巖土邊坡角設計，邊坡角的精度很少達到±3到5度的準確可靠度。礦山可行性研究階段和礦山生產階段會有10-15%的成本差異（Ref.2）。詳細的工程案例請見李濤博士的文章Geotechnical Engineering Designs in Mining。

（2）地下采礦

優(yōu)化地下礦山長期井巷工程和短期水平巷工程，可以節(jié)省數(shù)百米的爆破開挖量。微調采礦技術參數(shù)（例如采場尺寸，提升采場高度）可以改善每立方米掘進量。根據(jù)不同巖體特性和空區(qū)尺寸，優(yōu)化礦山支護標準，可以節(jié)約巨額的支護成本。諸如此類礦山開采階段的設計優(yōu)化，有助于改善可行性研究階段過于樂觀或者過于保守的設計，以降低采礦長期規(guī)劃一成不變帶來的安全風險，或者對經(jīng)濟價值的高估或低估。

巖土工程與風險管理

由于在設計階段對巖土工程條件考慮不足，或者在采礦作業(yè)期間缺乏主動巖土體控制管理，往往容易導致巖體失穩(wěn)事故。例如：

• 露天礦邊坡滑坡失穩(wěn)

• 地下礦山頂板冒落、片幫

• 礦山地表沉降

• 地下礦采空區(qū)的突發(fā)塌落或者沖擊地壓

• 巖爆和礦山微震事件

• 礦柱失穩(wěn)，包括頂柱和底柱/邊柱

• 充填擋墻失穩(wěn)，未固結充填物料淹沒巷道/采場

由巖石力學問題引起的局部巖土工程事故，不僅會擾亂采礦工作計劃，還有可能造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。重大的巖土工程事故，可能會導致設備損毀并且長期無法進入開采區(qū)，從而導致礦山停工時間過長，需要花費巨大成本進行恢復。如果發(fā)生人員傷亡和/或威脅公共安全，基礎設施和環(huán)境的災難性巖土工程事故，也可能長期或者永久關閉采礦作業(yè)區(qū)。對于忽視巖體控制造成的巖土工程風險，不應掉以輕心。對采礦過程缺乏了解，或者采取被動風險管理，不僅無法提供安全的工作條件，還可能顯著降低礦山價值。

GCMP，用于管理從設計/實施和驗證礦山開采中的巖土工程問題，包括：

• 概述礦山經(jīng)理/高級工程師/普通工程師的工作職責和工作要求
• 系統(tǒng)描述露天礦或者地下礦地質條件、采礦設計要求和支護標準
• 描述采礦作業(yè)期間巖土事故發(fā)生后的匯報/溝通/解決方式
• 描述巖體穩(wěn)定性預測、識別、監(jiān)測、評估和控制的處理方式以及提供指導
• 描述發(fā)現(xiàn)巖土工程事故或災害時，為變更管理提供指導
• 描述如何提供意外巖土工程災害發(fā)生時的預防措施

結束語

可行性研究階段的巖土工程設計是基于有限的數(shù)據(jù)以及諸多不確定因素。因此，在礦山開發(fā)階段，需要連續(xù)采集和分析巖土工程數(shù)據(jù)，以確保礦山設計基于當前實際巖土體條件。在執(zhí)行設計階段，巖土工程不確定性應通過GCMP或者其他有效方式進行管理，以降低工程風險。巖土工程管理為礦山規(guī)劃和運營過程額外增加的經(jīng)濟價值和社會效益不容低估。巖土工程管理良好的礦山，能使礦山開采安全高效的進行。國內礦業(yè)界應該充分探索巖土工程師在礦山設計中創(chuàng)造的價值，創(chuàng)建礦山內部巖土工程師團隊，為礦山開采提供及時有效的設計優(yōu)化和安全開采的建議，并使礦山開采價值最大化。

致謝

作者特此感謝李濤博士和吳春平博士給予本文提出寶貴的修改意見，并提供相關資料予以完善本文。李濤博士擁有30多年澳洲巖土工程領域的科研和企業(yè)經(jīng)驗，能提供獨立巖土工程項目咨詢。吳春平博士在國內采礦和爆破方面擁有豐富的項目咨詢和科研經(jīng)歷。

同行評論:

Tao Li: It took other countries such as South Africa and Australia many years and many fatalities and losses in production, to have finally recognised the importance of geotechnical engineering in mining and took another decade or so to fully implemented the associated geotechnical systems, processes and personnel in mines. I hope it can be much less pain and shorter period of time in the Chinese mining industry.

References

(1) Mines Safety and Inspection Regulations 1995, Western Australia

(2) Li, T. 2013. Geotechnical Engineering Designs in Mining. Proc.  3rd ISRM SinoRock Sym. - Rock Characterisation, Modelling and Engineering Design Methods. pp833-838. CRC Press, Tongji University, Shanghai, China

(3) Louie Human (2015), Adding value via systematic review and compliance audits, SRK Consulting.

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