關于邊坡結構參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)架構的探索

馬馳，郭琪

(1.長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011；2.湖南有色冶金勞動保護研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

1 引言

邊坡穩(wěn)定性研究一直是礦業(yè)、交通、水利水電等國家基礎工程生產(chǎn)安全的關鍵技術問題，是此類工程建設安全的重點關注內(nèi)容，也是眾多科研院所巖石力學研究的基本命題[1-4]。

露天礦終了邊坡由整體邊坡角、終了邊坡高度、生產(chǎn)臺階、輔助生產(chǎn)平臺以及并段方式等基本要素構成，邊坡結構參數(shù)的選擇本質(zhì)為邊坡結構參數(shù)的優(yōu)化。邊坡參數(shù)優(yōu)化與邊坡穩(wěn)定性研究密切相關，即在整體邊坡穩(wěn)定的前提下，通過優(yōu)化各基本要素指標，達到邊坡整體穩(wěn)定的最佳可靠狀態(tài)。

不同工程項目地質(zhì)條件特征的差異性以及巖體各參數(shù)的聯(lián)動傳導性，決定了邊坡結構參數(shù)的優(yōu)化是一項龐大而復雜的工作。國內(nèi)外針對邊坡結構參數(shù)的優(yōu)化多以經(jīng)驗法、數(shù)值分析法、極限平衡法為主，多針對局部邊坡或邊坡單一因素進行分析，缺乏系統(tǒng)性考慮。隨著國家對礦山大型化、精細化、集約化政策的推進，大型露天礦山開展邊坡結構參數(shù)的系統(tǒng)性優(yōu)化已成為重要研究課題。

2 優(yōu)化系統(tǒng)基本要素及分解

2.1 基本要素

優(yōu)化系統(tǒng)基本架構的研究核心內(nèi)容包含以下 3方面：一是結構參數(shù)構成要素的研究；二是邊坡結構的工程地質(zhì)及巖體力學的研究；三是優(yōu)化理論、優(yōu)化方法的研究。

露天礦山邊坡結構參數(shù)組成要素由整體邊坡角、邊坡高度、臺階高度、臺階坡面角、清掃平臺、安全平臺、運輸平臺以及并段數(shù)量等構成，在整體邊坡角已知的條件下，各因素互為幾何關系。邊坡結構的工程地質(zhì)及巖體力學研究內(nèi)容主要包含：巖石物理力學試驗、巖體力學參數(shù)計算、工程地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)定量化評價等。另外，隨著數(shù)字技術的發(fā)展，優(yōu)化理論、方法的研究由原來的經(jīng)驗法逐漸過渡到數(shù)字技術與經(jīng)驗、理論相結合的綜合分析法。

2.2 架構分解

以邊坡構成要素為基礎，結合新理論、新方法及新技術，將露天邊坡結構參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)分解為 3個邏輯層（見圖1）。

圖1 邊坡結構參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)架構分層

第1層為基礎層，該層主要為邊坡結構已知參數(shù)，主要包括終了邊坡角、終了邊坡高度、某一邊坡剖面上道路數(shù)量及道路寬度4個參數(shù)。其中，終了邊坡角為已知前置參數(shù)，由境界優(yōu)化專業(yè)軟件圈定的露天境界確定。某一剖面道路條數(shù)由開拓運輸系統(tǒng)設計要求確定，道路寬度根據(jù)最大運輸車輛的運行要求確定。

第2層為關聯(lián)參數(shù)層，即需要經(jīng)過力學理論、工程學及數(shù)學理論進行最優(yōu)化求解。該層主要包括臺階高度及臺階坡面角，是邊坡結構的基本組成單元。臺階高度及邊坡角的優(yōu)化因素主要包含礦石貧化率、損失率、鉆爆費用、運輸功等[2]，可通過統(tǒng)計學方法建立優(yōu)化模型獲取最優(yōu)解；另外，臺階坡面角也可以根據(jù)鑿巖設備及礦體賦存情況選取經(jīng)驗值。

第3層為待解參數(shù)層，包括并段高度（數(shù)量）、清掃平臺寬度及安全平臺寬度。待解層由第 1、2層根據(jù)結構模型求解。

3 關鍵參數(shù)的優(yōu)化層架構

3.1 整體邊坡角的優(yōu)化架構

首先，通過多種巖石力學試驗，獲取并處理巖石的物理力學數(shù)據(jù)。在此基礎上，運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡方法對最終邊坡角進行預測，并確定邊坡可能的破壞機理及破壞方式。以預測的最終邊坡角為基礎，在定性、定量分析的基礎上，通過合理的假設和簡化，將復雜的邊坡研究抽象成可經(jīng)求解的力學模型，構建有限元力學三維模型。其次，運用Midas、Flac3D等專業(yè)巖土軟件分析不同角度下邊坡的安全系數(shù)[5-6]，分析露天邊坡在開挖過程中的位移分布及變化特征，研究邊坡的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。

最后，運用模糊隨機可靠度理論[7]，采用數(shù)值軟件Matlab，分析計算露天邊坡各典型剖面的破壞概率與邊坡穩(wěn)定的模糊隨機可靠度，優(yōu)化選擇露天邊坡整體邊坡角。另外，露天坑深度（邊坡高度）由礦體賦存及開采標高確定，該參數(shù)為輸入性指標。邊坡穩(wěn)定性研究思路見圖2。

圖2 邊坡穩(wěn)定性研究思路

3.2 運輸平臺數(shù)量及寬度確定

在終了境界邊坡中，運輸平臺通常指運輸?shù)缆罚吰履骋黄拭嫔线\輸?shù)缆返臄?shù)量由開拓運輸系統(tǒng)方案設計確定，即道路數(shù)量滿足礦山生產(chǎn)運輸要求。運輸?shù)缆窋?shù)量應綜合考慮運輸工藝要求及路間邊坡穩(wěn)定性，某一剖面運輸?shù)缆窋?shù)量的增加將導致路間邊坡局部邊坡變陡，從而加劇了局部邊坡失穩(wěn)的風險。運輸平臺寬度由設備運行要求確定，在生產(chǎn)臺階、運輸平臺寬度同時受爆破工藝及臺階高度綜合影響，運輸平臺數(shù)量及寬度確定程序見圖3。

圖3 運輸平臺數(shù)量及寬度確定程序

3.3 臺階高度優(yōu)化架構

臺階高度的取值通常以經(jīng)驗參考為主，具有主觀性，露天礦山多采用10～12 m的臺階高度，也有采用15～20 m的高臺階，普遍認為經(jīng)濟的臺階高度為12～18 m。生產(chǎn)實際中，礦山臺階高度的選擇以鑿巖機鉆深效率、爆破塊度效果、鏟裝效率及作業(yè)安全為主要評價因素。除此之外，在生產(chǎn)管理綜合評定指標中，臺階高度還與礦石貧化損失率、穿爆成本、礦巖運輸功等多種指征因素相關。

臺階高度優(yōu)化的基礎要素可分為定性因素及定量因素，其中定性因素主要包含爆破效果，定量因素包含貧化損失率、設備鏟裝高度、底盤抵抗線、穿爆成本及運輸功等。定性因素通過語氣算子完成與定量標度的轉(zhuǎn)化，再通過數(shù)學理論與其他定量指標或計算指標對臺階高度進行決策。臺階高度優(yōu)化程序見圖4。

圖4 臺階高度優(yōu)化程序

3.4 臺階邊坡角優(yōu)化架構

目前，臺階坡面角的選取主要是根據(jù)設計規(guī)范、工程類比法或主觀經(jīng)驗來確定，取值過大會造成邊坡臺階的破壞、影響邊坡的穩(wěn)定性，取值過小會增加礦山的工程量，降低經(jīng)濟效益。因此，臺階坡面角優(yōu)化結構以臺階坡面角與整體與局部邊坡穩(wěn)定性關系為核心，運用數(shù)值計算軟件 Flac3D和邊坡穩(wěn)定性分析軟件 Geo-Slope，系統(tǒng)性地研究巖體參數(shù)對臺階和邊坡的影響，以及臺階坡面角與邊坡穩(wěn)定性的關系，獲取其影響規(guī)律和臺階坡面角的優(yōu)化方法，為合理確定臺階坡面角提供理論支持。臺階邊坡角優(yōu)化程序見圖5。

圖5 臺階坡面角優(yōu)化程序

4 待解層參數(shù)計算程序

根據(jù)關鍵參數(shù)層優(yōu)化的指標結果，確定臺階高度、臺階坡面角、分析剖面的整體邊坡角及道路寬度等參數(shù)指標，通過搭建各指標參數(shù)的幾何關系，設置臺階并段參數(shù)邏輯變量，構建邊坡結構參數(shù)未知變量的邏輯表達式，最終通過帶入已知參數(shù)指標，計算待解層參數(shù)指標。邊坡結構待解層參數(shù)計算程序見圖6。

圖6 邊坡結構待解層參數(shù)計算程序

5 結論

通過將邊坡結構參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)進行邏輯分解，確定了基礎參數(shù)層、關聯(lián)參數(shù)層以及待解參數(shù)層。其中基礎參數(shù)層可通過工藝設計及設備條件量化參數(shù)指標；針對關聯(lián)參數(shù)層各因素指標，運用巖石力學理論結合數(shù)學評價方法架構了各單因素指標的評價邏輯，并對結果加以量化；最后通過搭建邊坡結構參數(shù)間的幾何空間關系，構建邊坡結構參數(shù)中未知變量的邏輯表達式。

該優(yōu)化系統(tǒng)邏輯架構將復雜的邊坡結構優(yōu)化過程通過“化整為零”，“分層整合”，再“組合創(chuàng)造”，構建了一套完整、高效的優(yōu)化評價系統(tǒng)，對類似礦山邊坡結構的優(yōu)化具有重要的指導意義。