露天矿山岩质边坡台阶的平台宽度优化

露天矿山岩质边坡台阶的平台宽度优化
谷飞宏
【摘要】The boundary conditions of partial failure are mainly decided by geometrical characteristics of slope .The geomet-rical characteristics are formed by angle ,height ,platform width and combination of bench
slope .The platform width should be optimized while optimizing the angle of the whole slope .The optimization of platform width is completed by analyzing the geometrical characteristics of mine slope ,and computing the boundary conditions of different partial failure .Based on a mine slope ,an example of optimization is analyzed .The optimization of platform width is completed under the premise of un-changing the overall angle .The optimization can avoid lots of possibility of damage scale and enhance the stability of mine slopes .%矿山发生局部破坏的边界条件主要是由台阶的几何特征所决定，台阶边坡几何特征主要有台阶坡面角、台阶高度、台阶的平台宽度和台阶组合4要素。

在对整体边坡角优化的同时，同样需要对台阶的宽度进行优化。

通过分析台阶边坡特征，计算出不同规模破坏的边界条件，进而对矿山台阶的宽度进行优化。

通过对一个矿山边坡算例的优化分析，在不改变整体边坡角的前提下，对台阶宽度进行优化，可以避免某些大规模的台阶破坏可能，提高矿山边坡的稳定性。

【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】3页(P42-44)
【关键词】宽度优化;台阶边坡;边坡几何特征;矿山安全
【作者】谷飞宏
【作者单位】中国地质大学武汉工程学院武汉430074
【正文语种】中文
随着矿业的发展，矿山边坡的高差越来越大，出现了大量的岩质台阶边坡，这些岩质边坡一旦发生局部破坏将给矿区的正常生产造成很大的影响［1］。

在矿山边坡中的岩质边坡分析中，最常用的就是用极射赤平投影法进行稳定性定性评价，进而根据破坏情况进行边坡优化［2］。

该方法最重要的已知条件是结构面的产状和台阶边坡的边界条件。

其中，结构面的产状通过现场对结构面调查统计获得优势产状，因此在对矿山的过程地质勘察中需要进行详细地勘察，重点调查III级和IV级结构面的分布；边界条件则主要由台阶的几何特征所决定，台阶边坡几何特征主要有台阶坡面角、台阶高度、台阶的平台宽度和台阶组合4要素。

很多学者通过各种定性和定量分析方法来分析边坡的稳定性，优化边坡的参数［3－4］。

目前，主要是利用数值模拟软件对整体边坡角进行优化，或者利用某些优势结构面对台阶边坡角进行优化分析［5］，没有专门针对台阶宽度的优化分析。

本文通过分析台阶边坡特征，计算出不同规模破坏的边界条件，进而对矿山台阶的宽度进行优化。

目前，在岩质台阶边坡的破坏分析中，赤平投影法能够直观快速地获得结构面与边坡坡向的组合关系，是一种应用非常广泛的方法［6］。

但是，绝大部分的分析并没有考虑岩质边坡的几何特征，亦未分析边坡破坏的规模。

如图1所示，结构面a 和结构面b是具有相同产状的一组结构面，二者在赤平投影中是同一圆弧，但是
结构面a可能造成单个台阶边坡破坏，而结构面b却可能造成2个台阶边坡发生
破坏。

大规模的破坏才会对边坡安全产生极大隐患。

因此，在边坡优化分析中更需要考虑大规模破坏的影响。

以图2为例分析矿山台阶边坡的特征。

台阶高度为h，坡面角为θ，安全平台宽度为a，清扫平台宽度为b，为了简化分析，假设每隔2个安全平台设置1个清扫平台。

当所有结构面都通过坡脚O，且结构面都与台阶边坡相交，不考虑后缘及侧缘切
割面的作用，那么，当台阶整体发生破坏所对应的最小结构面倾角，即结构面与第n个台阶边坡的坡脚P相交所对应的结构面倾角α可以表达为：
通过分析可知，在所有结构面都通过坡脚O的前提下，当台阶数目是3的整数倍时，不论台阶数量n的大小，结构面的倾角与台阶数量无关，并且都可以简化为3个台阶发生破坏的模式。

由此可知，矿山台阶组合是控制边坡大规模破坏的重要因素。

当台阶组合中存在大宽度平台时，结构面可能贯通该平台而产生大规模的破坏，如图3中的原边坡。

调整平台宽度后，原有的结构面将发生剪出现象，将大规模的
破坏变成了多个小规模的局部破坏，降低了破坏的规模，使得破坏在矿山的承受范围之内，如图3中调整平台宽度后的边坡所示。

最大宽度的坡脚则是最大的制约点，由制约点决定不同破坏规模的边界条件，如本例中清扫平台的坡脚M点。

通
过调整平台宽度能够避免大规模边坡破坏，因此对平台进行宽度优化是非常有意义的。

根据岩质边坡的几何特征找出最大规模破坏的边界条件，在不改变整体边坡角的前提下，可以根据相应的边界条件来优化台阶边坡的几何参数，减少边坡的破坏规模和范围。

本例中的3台阶破坏所对应的边界条件如下：
式中各参数物理意义如图2所示。

清扫平台宽度b和安全平台宽度a决定了边界
条件的范围。

当a＝b时，边坡将不存在3平台破坏的可能，而是变成单平台破坏，
如图4所示。

通过调整平台宽度，最终能够将大规模的平台破坏分解成为多个小
规模的局部破坏，甚至通过调整边界条件，最终避免某些结构面对边坡的不利影响。

在矿山开挖过程中，允许边坡发生局部的小规模破坏。

通过调整边坡平台宽度，将大规模的边坡破坏分解成多个小规模局部破坏或者消除某些局部破坏，将给矿山的安全高效生产带来极大的帮助。

根据矿区已有的结构面产状，通过调整平台宽度改变多平台规模破坏的边界条件，进而减少大规模的平台破坏，是平台宽度优化的过程和目的。

某露天矿属于典型的岩浆矿床矿区，没有大型的断层和层理。

根据《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）的设计要求，矿山台阶参数如下：露采设计台
阶高度为10 m，每2个安全平台设置1个清扫平台，安全平台宽度为4 m，清扫平台宽度为10 m，台阶坡面角70°。

矿区主要的结构面倾向与坡向相近，主要倾
角为50°。

根据规范［7］要求，安全平台宽度不小于3 m，清扫平台宽度不小于6 m，以一个台阶组合为研究对象，其组合台阶边坡角为46.1°。

考虑到矿山开采的便利，台阶宽度设计为整数，在不改变组合台阶边坡角的前提下（即组合台阶的总宽度不变），优化边坡平台宽度。

优化结果如表1所示。

通过分析可知，不同台阶宽度所对应的3台阶破坏边界条件各不相同。

安全平台
宽度与清扫平台宽度越接近，边界条件所对应的范围变小。

最终，当安全平台和清扫平台的宽度相等时，边坡将不会发生3平台规模破坏。

矿区主要结构面的主要倾角为50°，在组合1和组合2情形下，该倾角都位于3
台阶边界条件范围内，极有可能发生大范围的破坏。

当台阶组合为组合3时，该
结构面不会造成矿区的3台阶规模破坏。

通过对台阶宽度优化，安全平台宽度为5 m、清扫平台宽度为8 m时，矿区将减少大规模的平台破坏。

当安全平台和清扫
平台宽度均为6 m时，将避免3平台规模破坏，此方案属于矿区台阶宽度的最优
设计方案。

由此可知，在不改变整体边坡角的前提下，对台阶宽度进行优化，可以避免某些大规模的台阶破坏可能。

（1）赤平投影法在矿山岩质台阶边坡的局部破坏分析和优化中起到了重要的作用。

该方法最重要的已知条件是结构面的产状和台阶边坡的边界条件，详细的现场勘察是台阶优化的重要基础。

（2）台阶宽度最大的边坡是决定边坡破坏规模的决定性因素，而最大宽度的坡脚则是最大的制约点，由制约点决定不同破坏规模的边界条件。

（3）通过分析台阶边坡特征，计算出不同规模破坏的边界条件，进而可以对矿山台阶的宽度进行优化。

在不改变整体边坡角的前提下，对台阶宽度进行优化，可以避免某些大规模的台阶破坏可能，提高矿山边坡的稳定性，提高矿山的经济效益。

【相关文献】
［1］杨天鸿，张锋春，庆磊，等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势［J］.岩土力学，2011，32（5）：1437－1451.
［2］刘明维，何平，钱志雄，等.岩质边坡结构面实用分类方法研究［J］.地下空间与工程学报，2007，3（5）：811－817.
［3］郭明伟，李春光，王水林.基于有限元应力的三维边坡稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2012（12）：2494－2500.
［4］刘强，胡斌，蒋海飞，等.基于强度折减法的露采边坡稳定性分析［J］.金属矿山，2013（5）：49－52.
［5］谭文辉，周汝弟.数值模拟与极限平衡方法在复杂边坡优化中的应用研究［J］.金属矿山，2009（1）：41－44.
［6］朱婷，黄宜胜，郭建.基于优势结构面理论的高陡岩质边坡稳定性分析［J］.水文地质工程地质，2010，37（2）：83－86.
［7］中国有色金属工业协会.GB 50771—2012有色金属采矿设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012：20－22.。