基于物元模型的露天礦邊坡穩(wěn)定性評價

江文武　胡培源　廖明萍　雷春輝

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

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·安全·環(huán)保·

基于物元模型的露天礦邊坡穩(wěn)定性評價

江文武胡培源廖明萍雷春輝

(江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

露天礦開采時邊坡穩(wěn)定性影響因素繁多，穩(wěn)定性難以評判。以物元理論為基礎(chǔ)，選取巖石力學(xué)性質(zhì)、環(huán)境因素、地形地貌和巖體結(jié)構(gòu)4個方面，建立露天礦山邊坡穩(wěn)定性評價模型，并以德興銅礦為例，對其進行了露天邊坡穩(wěn)定性評價。通過指標(biāo)的確定及邊坡工程收集的數(shù)據(jù)分析表明，物元模型方法對露天礦邊坡穩(wěn)定性評價是有效可行的。

露天礦邊坡穩(wěn)定性評價物元模型

露天礦山開采邊坡穩(wěn)定性分析評價是礦山巖土工程領(lǐng)域的一個重要課題，也是邊坡工程的核心問題。國內(nèi)外專家學(xué)者致力于邊坡穩(wěn)定性分析評價及相關(guān)理論研究，獲得諸多成果。如圖解法、工程類比法、極限平衡法、數(shù)值分析法、可靠度分析法、模糊分級綜合分析法等，概括起來為定性、定量分析評價方法及非確定性分析評價方法。由于影響邊坡穩(wěn)定性的因素多，且各因素的復(fù)雜性與不確定性，使得常規(guī)的定性、定量(如工程類比法、極限平衡法)分析評價結(jié)果不十分理想，而不確定分析評價方法(如模糊分級綜合分析法)與實際情況存在較大的差距。本文運用物元理論，結(jié)合10個方面的影響因素，建立了評價露天邊坡穩(wěn)定性的物元模型，以福建某鎢礦露天礦為例，對其邊坡穩(wěn)定性進行評價[1-2]。

1　物元模型原理

物元模型由我國數(shù)學(xué)家蔡文1983年提出，從最初的物元分析到現(xiàn)在的可拓學(xué)，已奠定其理論體系。物元分析是研究解決矛盾規(guī)律的方法，是系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)和數(shù)學(xué)交叉的邊緣學(xué)科。通過物元變換，把解決問題的過程形式化，從而建立起相應(yīng)的物元模型，根據(jù)物元要素的發(fā)散性、可擴性、相關(guān)性、蘊含性和共軛性對物元進行拓展，使事物的矛盾得到解決[3-6]。

2　評價模型的構(gòu)建

2.1確定物元矩陣

設(shè)有某一事物N有n個特征C1,C2,…,Cn，C所對應(yīng)的量值為V，則稱N為物元，C為事元，V為關(guān)系元[6]，建立n維物元矩陣R=(N,C,V)，將邊坡穩(wěn)定性作為待評價目標(biāo)事物，因素層指標(biāo)作為事元，建立邊坡穩(wěn)定性物元矩陣：

(1)

2.2確定經(jīng)典域和節(jié)域

將每一評價指標(biāo)分為若干等級，并確定其取值范圍，屬于同一等級的取值范圍就是經(jīng)典域，各個指標(biāo)取值范圍的集合，即經(jīng)典域的集合就是節(jié)域。

在邊坡穩(wěn)定性評價中，根據(jù)所選取的評價指標(biāo)，并結(jié)合以往的研究成果，把邊坡穩(wěn)定性分為5個等級，即穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定[8]。影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，以RQD、容重(kN/m3)、地應(yīng)力(MPa)、日最大降雨量(mm)、最大地震烈度、邊坡坡度(°)、邊坡高度(m)、巖體結(jié)構(gòu)特征、粘聚力(MPa)10個評價指標(biāo)作為事物的特征[9]，結(jié)合物元模型理論，可以確定邊坡穩(wěn)定性的經(jīng)典域和節(jié)域，見表1。

2.3確定關(guān)聯(lián)度

用關(guān)聯(lián)函數(shù)計算關(guān)聯(lián)度：

(2)

式中，Kj(Vi)為評價指標(biāo)Ci關(guān)于其等級j的關(guān)聯(lián)度；Vi為評價指標(biāo)Ci的值；aji,bji為評價指標(biāo)Ci在等級j時經(jīng)典域的下限、上限；aui,bui為評價指標(biāo)Ci節(jié)域的下限、上限。

2.4確定評價效果

計算綜合關(guān)聯(lián)度：

表1　邊坡穩(wěn)定性的經(jīng)典域和節(jié)域

(3)

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最大的原則確定邊坡穩(wěn)定性，即若：

(4)

則邊坡穩(wěn)定性屬于等級j。

3　模型應(yīng)用

3.1工程背景

德興銅礦是國內(nèi)目前最大的有色金屬露天礦，年降水量約1 900mm，每年7—9月份為雨季，多年平均最大24h降水量167mm。現(xiàn)已形成最終邊坡的礦區(qū)邊坡線總長超過100km，最終邊坡角52°，臺階高12m。開采過程中，邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山開采安全問題，有必要對其邊坡穩(wěn)定性做出分析評價。

3.2建立模型及效果評價

根據(jù)上述模型，對德興銅礦露天邊坡穩(wěn)定性進行定量分析及綜合評價。首先測量影響邊坡穩(wěn)定性因素的實際指標(biāo)值，見表2。

表2　德興銅礦露天邊坡穩(wěn)定性各指標(biāo)值

根據(jù)式(1)、式(2)進行編程，并運用Matlab分別計算出各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度、綜合關(guān)聯(lián)度，見表3，表4。

根據(jù)式(4)，Kj(R)=

4　結(jié)　論

(1)從巖石力學(xué)性質(zhì)、環(huán)境因素、地貌地形和巖體結(jié)構(gòu)4個方面對邊坡穩(wěn)定性進行評價，并對具體的影響因素進行識別，主要有RQD、容重、地應(yīng)力、日最大降雨量、地震烈度、邊坡坡度、

表3　德興銅礦露天邊坡穩(wěn)定性各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

表4　德興銅礦露天邊坡坡穩(wěn)定性綜合關(guān)聯(lián)度

邊坡高度、巖體結(jié)構(gòu)特征、粘聚力、內(nèi)摩擦角10個因素，由此建立邊坡穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，綜合考慮了邊坡工程中的各種不確定性因素，是以后建立綜合評價模型的方向。

(2)建立了露天邊坡穩(wěn)定性評價物元模型，并根據(jù)具體邊坡穩(wěn)定性實例，得出該邊坡為較穩(wěn)定型，與實際情況相吻合，說明物元模型方法對評價邊坡穩(wěn)定性是有效可行的。

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StabilityEvaluationoftheOpen-pitSlopeBasedonMatter-elementModel

JiangWenwuHuPeiyuanLiaoMingpingLeiChunhui

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology)

Theinfluencefactorsofopen-pitslopestabilityarecomplex,itisverydifficulttoconductstabilityevaluationofopen-pitslope.Basedonmatter-elementtheory,thefactorsofmechanicsproperties,environmentalfactors,topographyandrockmassstructureareselectedtoestablishthestabilityevaluationmodelofopen-pitslope.TheDexingcoppermineistakenastheresearchexample,theslopeofDexingcoppermineisevaluatedbasedonthestabilityevaluationmodel.ThedeterminationoftheevaluationindicatorsandtheactualcollectedmeasueddataoftheslopeofDexingcoppermineshowthatthematterelementmodelestablishedinthispaperissuitabletoconductstabilityevaluationoftheopen-pitslope.

Open-pitslope,Stabilityevaluation,Matter-elementmodel

2016-01-07)

江文武(1975—)，男，副教授，研究生導(dǎo)師，341000 江西省贛州市章貢區(qū)客家大道156號。