一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法：確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場排土臺階高度和排土臺階坡面角。將復(fù)合軟弱起伏基底排土場各水平自下而上分別編號。確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡的安全儲備系數(shù)K。自下而上逐水平確定平盤寬度，使各水平以排土場基底面為底界面的切層?順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs1和以排土場基巖面為底界面的切層?順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2中的較小值與安全儲備系數(shù)K之差的絕對值不大于0.01，對應(yīng)的各水平的平盤寬度作為排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果。本發(fā)明中各水平平盤寬度是滿足邊坡穩(wěn)定的前提下確定的各水平平盤的最小寬度，最大限度地利用已有土地資源，同時(shí)滿足復(fù)合軟弱起伏基底排土場安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。
【專利說明】
一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于露天開采領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合軟弱起伏基底排土場基底形態(tài)有一定起伏，且由兩種或兩種以上力學(xué)性能較 差的巖土體構(gòu)成的排土場。神華寶日希勒露天煤礦、勝利東二號露天煤礦、白音華一號露天 煤礦、烏煤露天礦等諸多復(fù)合軟弱起伏基底排土場均發(fā)生過滑坡和大變形現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅 露天礦安全，影響露天礦正常持續(xù)作業(yè)。因此，復(fù)合軟弱起伏基底排土場穩(wěn)定性問題不容忽 視。
[0003] 露天礦山排土場邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)廣泛采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性，確定穩(wěn)定邊 坡角，然后在斷面上按直線邊坡設(shè)計(jì)，即在排土臺階高度不變的條件下，各水平平盤寬度是 相等的。這種設(shè)計(jì)方法顯然會(huì)導(dǎo)致下部水平平盤寬度過大而降低其抗滑效應(yīng)，上部水平平 盤寬度較小而產(chǎn)生擠壓作用，不能最大限度利用已有土地資源;各水平的潛在滑坡模式為 單一的圓弧滑動(dòng);不考慮基底面、基巖面起伏以及排土場增高造成的潛在滑坡模式的改變， 這種設(shè)計(jì)方法不適用于復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)。在錫林郭勒盟與呼倫貝爾 盟地區(qū)大型軟巖露天煤礦開發(fā)過程中，數(shù)十座大型軟弱傾斜基底排土場處于建設(shè)階段，迫 切需要提出一種軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法，彌補(bǔ)軟弱起伏基底排土場形態(tài)設(shè) 計(jì)與穩(wěn)定性研究方面的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方 法。該方法的具體步驟如下：
[0005] 步驟1、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場排土臺階高度和排土臺階坡面角。
[0006] 步驟2、將復(fù)合軟弱起伏基底排土場各水平自下而上分別編號。
[0007] 步驟3、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡的安全儲備系數(shù)K。
[0008] 步驟4、自下而上逐水平進(jìn)行排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化：自下而上逐水平確定平盤寬 度，使各水平以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl和以排土 場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2中的較小值與安全儲備系數(shù)K 之差的絕對值不大于0.01，此時(shí)對應(yīng)的各水平的平盤寬度作為排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果。
[0009] 步驟4.1、初步確定水平i的平盤寬度。
[0010] 步驟4.2、根據(jù)Bishop法和剩余推力法分別計(jì)算水平i以排土場基底面為底界面的 切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng) 的邊坡穩(wěn)定系數(shù)匕2。
[0011 ] 步驟4.3、比較Min {Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，若Min {Fsl，F(xiàn)s2}大于安全儲備系數(shù)K， 則逐步減小水平i的平盤寬度，若Min{Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，則逐步增大水平i的平 盤寬度，直至^11沾1上2}-1(|<0.01，返回步驟4.1，確定水平1+1的平盤寬度。
[0012] 有益效果：
[0013]本發(fā)明考慮到基底面形態(tài)與基巖面形態(tài)、排土場排棄高度對排土場潛在滑坡模式 的影響，結(jié)合排土場自下而上逐水平形成的特點(diǎn)，并基于Bishop法和剩余推力法的計(jì)算原 理，提出一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法。該方法設(shè)計(jì)的排土場邊坡在最 終排棄標(biāo)高一定的條件下，各水平平盤寬度是在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下確定的各水平平盤 的最小寬度，最大限度地利用已有土地資源，同時(shí)滿足復(fù)合軟弱起伏基底排土場安全性和 經(jīng)濟(jì)性兩方面的要求。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的流程圖；
[0015]圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的確定各水平平盤寬度原理示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說明。某露天礦外排土場，其基底面 與基巖面形態(tài)起伏，傾角1~2°;基底面巖土體主要由第四系砂土與粉土，基巖面主要為泥 巖。該排土場初始建設(shè)標(biāo)高為+1012m，設(shè)計(jì)最終排棄標(biāo)高為+1082m，排棄物料、基底面巖土 體、基巖面巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。
[0018] 表1排土場、基底面巖土體、基巖面巖土體物理力學(xué)指標(biāo)
[0019]
[0020] 受排土現(xiàn)狀限制，自1048水平開始自下而上對各水平平盤寬度進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所 示。具體步驟如下，如圖1所示：
[0021] 步驟1、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場排土臺階高度和排土臺階坡面角。本實(shí)施例 中排土臺階高度為12m，排土臺階坡面角為自然安息角33°。
[0022] 步驟2、將復(fù)合軟弱起伏基底排土場各水平自下而上分別編號，如圖2所示，復(fù)合軟 弱基底排土場的潛在滑坡模式主要受控于基底面形態(tài)和基巖面形態(tài)，其潛在滑坡模式分為 以基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)和以基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，設(shè)計(jì)1水平平 盤寬度時(shí)以基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)為1-1所示，以基巖面為底界面的切層-順層 滑動(dòng)為1-2所示;設(shè)計(jì)2水平平盤寬度時(shí)以基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)為2-1所示，以 基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)為2-2所示;設(shè)計(jì)i水平平盤寬度時(shí)以基底面為底界面的 切層-順層滑動(dòng)為i-Ι所示，以基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)為i-2所示;設(shè)計(jì)(n-1)水平 平盤寬度時(shí)以基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)為(n-l)-l所示，以基巖面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)為(η-I )-2所示。本實(shí)施例中，1048水平平盤編號為1、1060水平平盤編號為2、 1072水平平盤編號為3、1084水平平盤編號為4、1096水平平盤編號為5、1108水平平盤編號 為6 〇
[0023]步驟3、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡的安全儲備系數(shù)Κ。該邊坡為外排土場， 服務(wù)年限大于20年，排土場下部設(shè)有礦區(qū)供水管道和供電線路，根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì) 規(guī)范》，確定安全儲備系數(shù)Κ = 1.30。
[0024] 步驟4、自下而上逐水平進(jìn)行排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化：自下而上逐水平確定平盤寬 度，使各水平以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)FsdP以排土 場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F s2中的較小值與安全儲備系數(shù)K 之差的絕對值不大于0.01，此時(shí)對應(yīng)的各水平的平盤寬度作為排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果。
[0025] 在排土場最終排棄標(biāo)高一定的情況下，邊坡形態(tài)優(yōu)化的實(shí)質(zhì)為在滿足邊坡穩(wěn)定的 前提下確定各水平平盤寬度的最小寬度。設(shè)任一水平平盤寬度為1 &、13、(3分別為平盤寬度 值，作如下假設(shè)：
[0026] 式_中：α為小于6的任意值，c為大于6的任意值。
[0W /」步驟4.1、
初步佛足7ΚΤ i的平盤寬度。
[0028] 初步確定1048水平的平盤寬度為30m。
[0029] 步驟4.2、根據(jù)Bishop法和剩余推力法分別計(jì)算水平i以排土場基底面為底界面的 切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng) 的邊坡穩(wěn)定系數(shù)匕2。
[0030] 根據(jù)Bishop法和剩余推力法，當(dāng)1048水平的平盤寬度為30m時(shí)，排棄至1060水平時(shí) 以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl = l.443,排棄至1060水 平以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2 = l.46。
[0031] 步驟4.3、比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，若Min{Fsl，F(xiàn) s2}大于安全儲備系數(shù)K， 則逐步減小水平i的平盤寬度，若Min{Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，則逐步增大水平i的平 盤寬度，直至^11沾 1上2}-1(|<0.01，返回步驟4.1，確定水平1+1的平盤寬度。
[0032] Min{Fsl，F(xiàn)s2}大于安全儲備系數(shù)K，所以1048水平的平盤寬度應(yīng)逐步減小。由于 1048水平高度較小，其潛在滑坡模式為以基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，當(dāng)1048水平的 平盤寬度減小至14m時(shí)，排棄至1060水平時(shí)以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng) 的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl = 1.31，與安全儲備系數(shù)K之差的絕對值為0.01，滿足| Min{Fsl，F(xiàn)s2}-K 彡0.01，因此，1048水平的平盤寬度為14m。
[0033] 1060水平邊坡形態(tài)優(yōu)化過程：
[0034]初步確定1060水平的平盤寬度為30m;其潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界 面的切層-順層滑動(dòng)和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，根據(jù)Bishop法和剩余推 力法，當(dāng)1060水平的平盤寬度為30m時(shí)，排棄至1072水平的以排土場基底面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl=l.257,排棄至1072水平的以排土場基巖面為底界面 的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2 = 1.29;比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，Min {Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，所以應(yīng)逐步增大1060水平的平盤寬度。當(dāng)1060水平的平盤寬 度增大至38m時(shí)，排棄至1072水平的以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡 穩(wěn)定系數(shù)Fsl = l. 32,排棄至1072水平的以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的 邊坡穩(wěn)定系數(shù)?32 = 1.306，比較姐11的1幾2}與安全儲備系數(shù)1(，滿足^11的1幾 2}-1(|彡 0.01，因此，潛在滑坡模式為以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，1060水平的平盤 寬度為38m。
[0035] 1072水平邊坡形態(tài)優(yōu)化過程：
[0036]初步確定1072水平的平盤寬度為30m;其潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界 面的切層-順層滑動(dòng)和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，根據(jù)Bishop法和剩余推 力法，當(dāng)1072水平的平盤寬度為30m時(shí)，排棄至1084水平的以排土場基底面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl=l.279,排棄至1084水平的以排土場基巖面為底界面 的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2 = 1.31;比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，Min {Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，所以應(yīng)逐步增大1072水平的平盤寬度。當(dāng)1072水平的平盤寬 度增大至34m時(shí)，排棄至1084水平的以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡 穩(wěn)定系數(shù)F sl = l.302,排棄至1084水平的以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的 邊坡穩(wěn)定系數(shù)?32 = 1.317，比較姐11的1幾2}與安全儲備系數(shù)1(，滿足^11的1幾 2}-1(|彡 0.01，因此，潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，1072水平的平盤 寬度為34m。
[0037] 1084水平邊坡形態(tài)優(yōu)化過程：
[0038]初步確定1084水平的平盤寬度為30m;其潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界 面的切層-順層滑動(dòng)和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，根據(jù)Bishop法和剩余推 力法，當(dāng)1084水平的平盤寬度為30m時(shí)，排棄至1096水平的以排土場基底面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl=l.289,排棄至1096水平的以排土場基巖面為底界面 的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2 = 1.27;比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，Min {Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，所以應(yīng)逐步增大1084水平的平盤寬度。當(dāng)1084水平的平盤寬 度增大至44m時(shí)，排棄至1096水平的以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡 穩(wěn)定系數(shù)F sl = l.302,排棄至1096水平的以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2=1.32;比較Min{F sl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，滿足|Min{Fsl，F(xiàn)s2}-K|< 0.01，因此，潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，1084水平的平盤 寬度為44m。
[0039] 1096水平邊坡形態(tài)優(yōu)化過程：
[0040] 初步確定1096水平的平盤寬度為30m;其潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界 面的切層-順層滑動(dòng)和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，根據(jù)Bishop法和剩余推 力法，當(dāng)1096水平的平盤寬度為30m時(shí)，排棄至1108水平的以排土場基底面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F sl=l.321，排棄至1108水平的以排土場基巖面為底界面 的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs2 = 1.289;比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，Min {Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，所以應(yīng)逐步增大1096水平的平盤寬度。當(dāng)1096水平的平盤寬 度為37m時(shí)，排棄至1108水平的以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定 系數(shù)F sl=l.301，排棄至1108水平的以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡 穩(wěn)定系數(shù) Fs2 = 1.318;比較 Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù) K，滿足 |Min{Fsl，F(xiàn)s2}-K|<0.01^ 此，潛在滑坡模式為以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)，1096水平的平盤寬度為 37m〇
[0041]基于本實(shí)施例的露天礦外排土場，采用本發(fā)明優(yōu)化的邊坡形態(tài)及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算 如表2所示。
[0042]表2邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與優(yōu)化結(jié)果
[0043]
LUU44」上還佛足的排土場辺坂形態(tài)叫為排土場最優(yōu)辺坂形態(tài)，如圖3所不。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟1、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場排土臺階高度和排土臺階坡面角； 步驟2、將復(fù)合軟弱起伏基底排土場各水平自下而上分別編號； 步驟3、確定復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡的安全儲備系數(shù)K; 步驟4、自下而上逐水平進(jìn)行排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化：自下而上逐水平確定平盤寬度，使 各水平以排土場基底面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fsl和以排土場基巖 面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F s2中的較小值與安全儲備系數(shù)K之差的 絕對值不大于〇. 01，此時(shí)對應(yīng)的各水平的平盤寬度作為排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合軟弱起伏基底排土場邊坡形態(tài)優(yōu)化方法，其特征在于： 所述步驟4具體步驟如下： 步驟4.1、初步確定水平i的平盤寬度； 步驟4.2、根據(jù)Bishop法和剩余推力法分別計(jì)算水平i以排土場基底面為底界面的切 層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fsl和以排土場基巖面為底界面的切層-順層滑動(dòng)對應(yīng)的 邊坡穩(wěn)定系數(shù)F s2; 步驟4.3、比較Min{Fsl，F(xiàn)s2}與安全儲備系數(shù)K，若Min{Fsl，F(xiàn) s2}大于安全儲備系數(shù)K，則逐 步減小水平i的平盤寬度，若Min{Fsl，F(xiàn)s2}小于安全儲備系數(shù)K，則逐步增大水平i的平盤寬 度，直至||^11沾 1上2}-1(|<0.01，返回步驟4.1，確定水平1+1的平盤寬度。
【文檔編號】G06F19/00GK105975782SQ201610309111
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】王東, 張禹, 趙景昌, 曹蘭柱, 王珍, 杜涵, 姜聚宇
【申請人】遼寧工程技術(shù)大學(xué)