关于边坡结构参数优化系统架构的探索

马驰，郭琪

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410011；2.湖南有色冶金劳动保护研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

1 引言

边坡稳定性研究一直是矿业、交通、水利水电等国家基础工程生产安全的关键技术问题，是此类工程建设安全的重点关注内容，也是众多科研院所岩石力学研究的基本命题[1-4]。

露天矿终了边坡由整体边坡角、终了边坡高度、生产台阶、辅助生产平台以及并段方式等基本要素构成，边坡结构参数的选择本质为边坡结构参数的优化。边坡参数优化与边坡稳定性研究密切相关，即在整体边坡稳定的前提下，通过优化各基本要素指标，达到边坡整体稳定的最佳可靠状态。

不同工程项目地质条件特征的差异性以及岩体各参数的联动传导性，决定了边坡结构参数的优化是一项庞大而复杂的工作。国内外针对边坡结构参数的优化多以经验法、数值分析法、极限平衡法为主，多针对局部边坡或边坡单一因素进行分析，缺乏系统性考虑。随着国家对矿山大型化、精细化、集约化政策的推进，大型露天矿山开展边坡结构参数的系统性优化已成为重要研究课题。

2 优化系统基本要素及分解

2.1 基本要素

优化系统基本架构的研究核心内容包含以下 3方面：一是结构参数构成要素的研究；二是边坡结构的工程地质及岩体力学的研究；三是优化理论、优化方法的研究。

露天矿山边坡结构参数组成要素由整体边坡角、边坡高度、台阶高度、台阶坡面角、清扫平台、安全平台、运输平台以及并段数量等构成，在整体边坡角已知的条件下，各因素互为几何关系。边坡结构的工程地质及岩体力学研究内容主要包含：岩石物理力学试验、岩体力学参数计算、工程地质勘察及工程地质定量化评价等。另外，随着数字技术的发展，优化理论、方法的研究由原来的经验法逐渐过渡到数字技术与经验、理论相结合的综合分析法。

2.2 架构分解

以边坡构成要素为基础，结合新理论、新方法及新技术，将露天边坡结构参数优化系统分解为 3个逻辑层（见图1）。

图1 边坡结构参数优化系统架构分层

第1层为基础层，该层主要为边坡结构已知参数，主要包括终了边坡角、终了边坡高度、某一边坡剖面上道路数量及道路宽度4个参数。其中，终了边坡角为已知前置参数，由境界优化专业软件圈定的露天境界确定。某一剖面道路条数由开拓运输系统设计要求确定，道路宽度根据最大运输车辆的运行要求确定。

第2层为关联参数层，即需要经过力学理论、工程学及数学理论进行最优化求解。该层主要包括台阶高度及台阶坡面角，是边坡结构的基本组成单元。台阶高度及边坡角的优化因素主要包含矿石贫化率、损失率、钻爆费用、运输功等[2]，可通过统计学方法建立优化模型获取最优解；另外，台阶坡面角也可以根据凿岩设备及矿体赋存情况选取经验值。

第3层为待解参数层，包括并段高度（数量）、清扫平台宽度及安全平台宽度。待解层由第 1、2层根据结构模型求解。

3 关键参数的优化层架构

3.1 整体边坡角的优化架构

首先，通过多种岩石力学试验，获取并处理岩石的物理力学数据。在此基础上，运用BP 神经网络方法对最终边坡角进行预测，并确定边坡可能的破坏机理及破坏方式。以预测的最终边坡角为基础，在定性、定量分析的基础上，通过合理的假设和简化，将复杂的边坡研究抽象成可经求解的力学模型，构建有限元力学三维模型。其次，运用Midas、Flac3D等专业岩土软件分析不同角度下边坡的安全系数[5-6]，分析露天边坡在开挖过程中的位移分布及变化特征，研究边坡的整体稳定性和局部稳定性。

最后，运用模糊随机可靠度理论[7]，采用数值软件Matlab，分析计算露天边坡各典型剖面的破坏概率与边坡稳定的模糊随机可靠度，优化选择露天边坡整体边坡角。另外，露天坑深度（边坡高度）由矿体赋存及开采标高确定，该参数为输入性指标。边坡稳定性研究思路见图2。

图2 边坡稳定性研究思路

3.2 运输平台数量及宽度确定

在终了境界边坡中，运输平台通常指运输道路，边坡某一剖面上运输道路的数量由开拓运输系统方案设计确定，即道路数量满足矿山生产运输要求。运输道路数量应综合考虑运输工艺要求及路间边坡稳定性，某一剖面运输道路数量的增加将导致路间边坡局部边坡变陡，从而加剧了局部边坡失稳的风险。运输平台宽度由设备运行要求确定，在生产台阶、运输平台宽度同时受爆破工艺及台阶高度综合影响，运输平台数量及宽度确定程序见图3。

图3 运输平台数量及宽度确定程序

3.3 台阶高度优化架构

台阶高度的取值通常以经验参考为主，具有主观性，露天矿山多采用10～12 m的台阶高度，也有采用15～20 m的高台阶，普遍认为经济的台阶高度为12～18 m。生产实际中，矿山台阶高度的选择以凿岩机钻深效率、爆破块度效果、铲装效率及作业安全为主要评价因素。除此之外，在生产管理综合评定指标中，台阶高度还与矿石贫化损失率、穿爆成本、矿岩运输功等多种指征因素相关。

台阶高度优化的基础要素可分为定性因素及定量因素，其中定性因素主要包含爆破效果，定量因素包含贫化损失率、设备铲装高度、底盘抵抗线、穿爆成本及运输功等。定性因素通过语气算子完成与定量标度的转化，再通过数学理论与其他定量指标或计算指标对台阶高度进行决策。台阶高度优化程序见图4。

图4 台阶高度优化程序

3.4 台阶边坡角优化架构

目前，台阶坡面角的选取主要是根据设计规范、工程类比法或主观经验来确定，取值过大会造成边坡台阶的破坏、影响边坡的稳定性，取值过小会增加矿山的工程量，降低经济效益。因此，台阶坡面角优化结构以台阶坡面角与整体与局部边坡稳定性关系为核心，运用数值计算软件 Flac3D和边坡稳定性分析软件 Geo-Slope，系统性地研究岩体参数对台阶和边坡的影响，以及台阶坡面角与边坡稳定性的关系，获取其影响规律和台阶坡面角的优化方法，为合理确定台阶坡面角提供理论支持。台阶边坡角优化程序见图5。

图5 台阶坡面角优化程序

4 待解层参数计算程序

根据关键参数层优化的指标结果，确定台阶高度、台阶坡面角、分析剖面的整体边坡角及道路宽度等参数指标，通过搭建各指标参数的几何关系，设置台阶并段参数逻辑变量，构建边坡结构参数未知变量的逻辑表达式，最终通过带入已知参数指标，计算待解层参数指标。边坡结构待解层参数计算程序见图6。

图6 边坡结构待解层参数计算程序

5 结论

通过将边坡结构参数优化系统进行逻辑分解，确定了基础参数层、关联参数层以及待解参数层。其中基础参数层可通过工艺设计及设备条件量化参数指标；针对关联参数层各因素指标，运用岩石力学理论结合数学评价方法架构了各单因素指标的评价逻辑，并对结果加以量化；最后通过搭建边坡结构参数间的几何空间关系，构建边坡结构参数中未知变量的逻辑表达式。

该优化系统逻辑架构将复杂的边坡结构优化过程通过“化整为零”，“分层整合”，再“组合创造”，构建了一套完整、高效的优化评价系统，对类似矿山边坡结构的优化具有重要的指导意义。