關(guān)于邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)的探索

馬馳，郭琪

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011；2.湖南有色冶金勞動保護(hù)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(chǔ)工程生產(chǎn)安全的關(guān)鍵技術(shù)問題，是此類工程建設(shè)安全的重點關(guān)注內(nèi)容，也是眾多科研院所巖石力學(xué)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(gòu)成，邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇本質(zhì)為邊坡結(jié)構(gòu)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(guān)，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(biāo)，達(dá)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(dǎo)性，決定了邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是一項龐大而復(fù)雜的工作。國內(nèi)外針對邊坡結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析，缺乏系統(tǒng)性考慮。隨著國家對礦山大型化、精細(xì)化、集約化政策的推進(jìn)，大型露天礦山開展邊坡結(jié)構(gòu)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(gòu)的研究核心內(nèi)容包含以下 3方面：一是結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)成要素的研究；二是邊坡結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)及巖體力學(xué)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(jié)構(gòu)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(yùn)輸平臺以及并段數(shù)量等構(gòu)成，在整體邊坡角已知的條件下，各因素互為幾何關(guān)系。邊坡結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)及巖體力學(xué)研究內(nèi)容主要包含：巖石物理力學(xué)試驗、巖體力學(xué)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(shù)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(shù)與經(jīng)驗、理論相結(jié)合的綜合分析法。

2.2 架構(gòu)分解

以邊坡構(gòu)成要素為基礎(chǔ)，結(jié)合新理論、新方法及新技術(shù)，將露天邊坡結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)分層

第1層為基礎(chǔ)層，該層主要為邊坡結(jié)構(gòu)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(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計要求確定，道路寬度根據(jù)最大運(yùn)輸車輛的運(yùn)行要求確定。

第2層為關(guān)聯(lián)參數(shù)層，即需要經(jīng)過力學(xué)理論、工程學(xué)及數(shù)學(xué)理論進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yùn)輸功等[2]，可通過統(tǒng)計學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)模型求解。

3 關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化層架構(gòu)

3.1 整體邊坡角的優(yōu)化架構(gòu)

首先，通過多種巖石力學(xué)試驗，獲取并處理巖石的物理力學(xué)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對最終邊坡角進(jìn)行預(yù)測，并確定邊坡可能的破壞機(jī)理及破壞方式。以預(yù)測的最終邊坡角為基礎(chǔ)，在定性、定量分析的基礎(chǔ)上，通過合理的假設(shè)和簡化，將復(fù)雜的邊坡研究抽象成可經(jīng)求解的力學(xué)模型，構(gòu)建有限元力學(xué)三維模型。其次，運(yùn)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(yùn)用模糊隨機(jī)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(jī)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(biāo)高確定，該參數(shù)為輸入性指標(biāo)。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(yùn)輸平臺數(shù)量及寬度確定

在終了境界邊坡中，運(yùn)輸平臺通常指運(yùn)輸?shù)缆罚吰履骋黄拭嫔线\(yùn)輸?shù)缆返臄?shù)量由開拓運(yùn)輸系統(tǒng)方案設(shè)計確定，即道路數(shù)量滿足礦山生產(chǎn)運(yùn)輸要求。運(yùn)輸?shù)缆窋?shù)量應(yīng)綜合考慮運(yùn)輸工藝要求及路間邊坡穩(wěn)定性，某一剖面運(yùn)輸?shù)缆窋?shù)量的增加將導(dǎo)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(fēng)險。運(yùn)輸平臺寬度由設(shè)備運(yùn)行要求確定，在生產(chǎn)臺階、運(yùn)輸平臺寬度同時受爆破工藝及臺階高度綜合影響，運(yùn)輸平臺數(shù)量及寬度確定程序見圖3。

圖3 運(yùn)輸平臺數(shù)量及寬度確定程序

3.3 臺階高度優(yōu)化架構(gòu)

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(rèn)為經(jīng)濟(jì)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(jī)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(biāo)中，臺階高度還與礦石貧化損失率、穿爆成本、礦巖運(yùn)輸功等多種指征因素相關(guān)。

臺階高度優(yōu)化的基礎(chǔ)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(shè)備鏟裝高度、底盤抵抗線、穿爆成本及運(yùn)輸功等。定性因素通過語氣算子完成與定量標(biāo)度的轉(zhuǎn)化，再通過數(shù)學(xué)理論與其他定量指標(biāo)或計算指標(biāo)對臺階高度進(jìn)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(gòu)

目前，臺階坡面角的選取主要是根據(jù)設(shè)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(jì)效益。因此，臺階坡面角優(yōu)化結(jié)構(gòu)以臺階坡面角與整體與局部邊坡穩(wěn)定性關(guān)系為核心，運(yùn)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(guān)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(guān)鍵參數(shù)層優(yōu)化的指標(biāo)結(jié)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(biāo)，通過搭建各指標(biāo)參數(shù)的幾何關(guān)系，設(shè)置臺階并段參數(shù)邏輯變量，構(gòu)建邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)未知變量的邏輯表達(dá)式，最終通過帶入已知參數(shù)指標(biāo)，計算待解層參數(shù)指標(biāo)。邊坡結(jié)構(gòu)待解層參數(shù)計算程序見圖6。

圖6 邊坡結(jié)構(gòu)待解層參數(shù)計算程序

5 結(jié)論

通過將邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行邏輯分解，確定了基礎(chǔ)參數(shù)層、關(guān)聯(lián)參數(shù)層以及待解參數(shù)層。其中基礎(chǔ)參數(shù)層可通過工藝設(shè)計及設(shè)備條件量化參數(shù)指標(biāo)；針對關(guān)聯(lián)參數(shù)層各因素指標(biāo)，運(yùn)用巖石力學(xué)理論結(jié)合數(shù)學(xué)評價方法架構(gòu)了各單因素指標(biāo)的評價邏輯，并對結(jié)果加以量化；最后通過搭建邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)間的幾何空間關(guān)系，構(gòu)建邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)中未知變量的邏輯表達(dá)式。

該優(yōu)化系統(tǒng)邏輯架構(gòu)將復(fù)雜的邊坡結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程通過“化整為零”，“分層整合”，再“組合創(chuàng)造”，構(gòu)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。