一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法
【专利摘要】本发明提供一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法：确定复合软弱起伏基底排土场排土台阶高度和排土台阶坡面角。将复合软弱起伏基底排土场各水平自下而上分别编号。确定复合软弱起伏基底排土场边坡的安全储备系数K。自下而上逐水平确定平盘宽度，使各水平以排土场基底面为底界面的切层?顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs1和以排土场基岩面为底界面的切层?顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2中的较小值与安全储备系数K之差的绝对值不大于0.01，对应的各水平的平盘宽度作为排土场边坡形态优化结果。本发明中各水平平盘宽度是满足边坡稳定的前提下确定的各水平平盘的最小宽度，最大限度地利用已有土地资源，同时满足复合软弱起伏基底排土场安全性和经济性要求。
【专利说明】
一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于露天开采领域，特别涉及一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化 方法。
【背景技术】
[0002] 复合软弱起伏基底排土场基底形态有一定起伏，且由两种或两种以上力学性能较 差的岩土体构成的排土场。神华宝日希勒露天煤矿、胜利东二号露天煤矿、白音华一号露天 煤矿、乌煤露天矿等诸多复合软弱起伏基底排土场均发生过滑坡和大变形现象，严重威胁 露天矿安全，影响露天矿正常持续作业。因此，复合软弱起伏基底排土场稳定性问题不容忽 视。
[0003] 露天矿山排土场边坡形态设计广泛采用极限平衡法分析边坡稳定性，确定稳定边 坡角，然后在断面上按直线边坡设计，即在排土台阶高度不变的条件下，各水平平盘宽度是 相等的。这种设计方法显然会导致下部水平平盘宽度过大而降低其抗滑效应，上部水平平 盘宽度较小而产生挤压作用，不能最大限度利用已有土地资源;各水平的潜在滑坡模式为 单一的圆弧滑动;不考虑基底面、基岩面起伏以及排土场增高造成的潜在滑坡模式的改变， 这种设计方法不适用于复合软弱起伏基底排土场边坡形态设计。在锡林郭勒盟与呼伦贝尔 盟地区大型软岩露天煤矿开发过程中，数十座大型软弱倾斜基底排土场处于建设阶段，迫 切需要提出一种软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法，弥补软弱起伏基底排土场形态设 计与稳定性研究方面的不足。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方 法。该方法的具体步骤如下：
[0005] 步骤1、确定复合软弱起伏基底排土场排土台阶高度和排土台阶坡面角。
[0006] 步骤2、将复合软弱起伏基底排土场各水平自下而上分别编号。
[0007] 步骤3、确定复合软弱起伏基底排土场边坡的安全储备系数K。
[0008] 步骤4、自下而上逐水平进行排土场边坡形态优化：自下而上逐水平确定平盘宽 度，使各水平以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl和以排土 场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2中的较小值与安全储备系数K 之差的绝对值不大于0.01，此时对应的各水平的平盘宽度作为排土场边坡形态优化结果。
[0009] 步骤4.1、初步确定水平i的平盘宽度。
[0010] 步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法分别计算水平i以排土场基底面为底界面的 切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应 的边坡稳定系数匕2。
[0011 ] 步骤4.3、比较Min {Fsl，Fs2}与安全储备系数K，若Min {Fsl，Fs2}大于安全储备系数K， 则逐步减小水平i的平盘宽度，若Min{Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，则逐步增大水平i的平 盘宽度，直至^11沾1上2}-1(|<0.01，返回步骤4.1，确定水平1+1的平盘宽度。
[0012] 有益效果：
[0013]本发明考虑到基底面形态与基岩面形态、排土场排弃高度对排土场潜在滑坡模式 的影响，结合排土场自下而上逐水平形成的特点，并基于Bishop法和剩余推力法的计算原 理，提出一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法。该方法设计的排土场边坡在最 终排弃标高一定的条件下，各水平平盘宽度是在满足边坡稳定的前提下确定的各水平平盘 的最小宽度，最大限度地利用已有土地资源，同时满足复合软弱起伏基底排土场安全性和 经济性两方面的要求。
【附图说明】
[0014]图1为本发明一种实施例的流程图；
[0015]图2为本发明一种实施例的确定各水平平盘宽度原理示意图；
[0016]图3为本发明一种实施例的排土场边坡形态优化结果。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明【具体实施方式】做详细说明。某露天矿外排土场，其基底面 与基岩面形态起伏，倾角1~2°;基底面岩土体主要由第四系砂土与粉土，基岩面主要为泥 岩。该排土场初始建设标高为+1012m，设计最终排弃标高为+1082m，排弃物料、基底面岩土 体、基岩面岩土体物理力学参数见表1。
[0018] 表1排土场、基底面岩土体、基岩面岩土体物理力学指标
[0019]
[0020] 受排土现状限制，自1048水平开始自下而上对各水平平盘宽度进行优化，如图3所 示。具体步骤如下，如图1所示：
[0021] 步骤1、确定复合软弱起伏基底排土场排土台阶高度和排土台阶坡面角。本实施例 中排土台阶高度为12m，排土台阶坡面角为自然安息角33°。
[0022] 步骤2、将复合软弱起伏基底排土场各水平自下而上分别编号，如图2所示，复合软 弱基底排土场的潜在滑坡模式主要受控于基底面形态和基岩面形态，其潜在滑坡模式分为 以基底面为底界面的切层-顺层滑动和以基岩面为底界面的切层-顺层滑动，设计1水平平 盘宽度时以基底面为底界面的切层-顺层滑动为1-1所示，以基岩面为底界面的切层-顺层 滑动为1-2所示;设计2水平平盘宽度时以基底面为底界面的切层-顺层滑动为2-1所示，以 基岩面为底界面的切层-顺层滑动为2-2所示;设计i水平平盘宽度时以基底面为底界面的 切层-顺层滑动为i-Ι所示，以基岩面为底界面的切层-顺层滑动为i-2所示;设计(n-1)水平 平盘宽度时以基底面为底界面的切层-顺层滑动为(n-l)-l所示，以基岩面为底界面的切 层-顺层滑动为(η-I )-2所示。本实施例中，1048水平平盘编号为1、1060水平平盘编号为2、 1072水平平盘编号为3、1084水平平盘编号为4、1096水平平盘编号为5、1108水平平盘编号 为6 〇
[0023]步骤3、确定复合软弱起伏基底排土场边坡的安全储备系数Κ。该边坡为外排土场， 服务年限大于20年，排土场下部设有矿区供水管道和供电线路，根据《煤炭工业露天矿设计 规范》，确定安全储备系数Κ = 1.30。
[0024] 步骤4、自下而上逐水平进行排土场边坡形态优化：自下而上逐水平确定平盘宽 度，使各水平以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数FsdP以排土 场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F s2中的较小值与安全储备系数K 之差的绝对值不大于0.01，此时对应的各水平的平盘宽度作为排土场边坡形态优化结果。
[0025] 在排土场最终排弃标高一定的情况下，边坡形态优化的实质为在满足边坡稳定的 前提下确定各水平平盘宽度的最小宽度。设任一水平平盘宽度为1 &、13、(3分别为平盘宽度 值，作如下假设：
[0026] 式_中：α为小于6的任意值，c为大于6的任意值。
[0W /」步骤4.1、
初步佛足7ΚΤ i的平盘宽度。
[0028] 初步确定1048水平的平盘宽度为30m。
[0029] 步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法分别计算水平i以排土场基底面为底界面的 切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应 的边坡稳定系数匕2。
[0030] 根据Bishop法和剩余推力法，当1048水平的平盘宽度为30m时，排弃至1060水平时 以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl = l.443,排弃至1060水 平以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2 = l.46。
[0031] 步骤4.3、比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，若Min{Fsl，F s2}大于安全储备系数K， 则逐步减小水平i的平盘宽度，若Min{Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，则逐步增大水平i的平 盘宽度，直至^11沾 1上2}-1(|<0.01，返回步骤4.1，确定水平1+1的平盘宽度。
[0032] Min{Fsl，Fs2}大于安全储备系数K，所以1048水平的平盘宽度应逐步减小。由于 1048水平高度较小，其潜在滑坡模式为以基底面为底界面的切层-顺层滑动，当1048水平的 平盘宽度减小至14m时，排弃至1060水平时以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应 的边坡稳定系数F sl = 1.31，与安全储备系数K之差的绝对值为0.01，满足| Min{Fsl，Fs2}-K 彡0.01，因此，1048水平的平盘宽度为14m。
[0033] 1060水平边坡形态优化过程：
[0034]初步确定1060水平的平盘宽度为30m;其潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界 面的切层-顺层滑动和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动，根据Bishop法和剩余推 力法，当1060水平的平盘宽度为30m时，排弃至1072水平的以排土场基底面为底界面的切 层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl=l.257,排弃至1072水平的以排土场基岩面为底界面 的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2 = 1.29;比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，Min {Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，所以应逐步增大1060水平的平盘宽度。当1060水平的平盘宽 度增大至38m时，排弃至1072水平的以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡 稳定系数Fsl = l. 32,排弃至1072水平的以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的 边坡稳定系数?32 = 1.306，比较姐11的1几2}与安全储备系数1(，满足^11的1几 2}-1(|彡 0.01，因此，潜在滑坡模式为以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动，1060水平的平盘 宽度为38m。
[0035] 1072水平边坡形态优化过程：
[0036]初步确定1072水平的平盘宽度为30m;其潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界 面的切层-顺层滑动和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动，根据Bishop法和剩余推 力法，当1072水平的平盘宽度为30m时，排弃至1084水平的以排土场基底面为底界面的切 层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl=l.279,排弃至1084水平的以排土场基岩面为底界面 的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2 = 1.31;比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，Min {Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，所以应逐步增大1072水平的平盘宽度。当1072水平的平盘宽 度增大至34m时，排弃至1084水平的以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡 稳定系数F sl = l.302,排弃至1084水平的以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的 边坡稳定系数?32 = 1.317，比较姐11的1几2}与安全储备系数1(，满足^11的1几 2}-1(|彡 0.01，因此，潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动，1072水平的平盘 宽度为34m。
[0037] 1084水平边坡形态优化过程：
[0038]初步确定1084水平的平盘宽度为30m;其潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界 面的切层-顺层滑动和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动，根据Bishop法和剩余推 力法，当1084水平的平盘宽度为30m时，排弃至1096水平的以排土场基底面为底界面的切 层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl=l.289,排弃至1096水平的以排土场基岩面为底界面 的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2 = 1.27;比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，Min {Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，所以应逐步增大1084水平的平盘宽度。当1084水平的平盘宽 度增大至44m时，排弃至1096水平的以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡 稳定系数F sl = l.302,排弃至1096水平的以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的 边坡稳定系数Fs2=1.32;比较Min{F sl，Fs2}与安全储备系数K，满足|Min{Fsl，Fs2}-K|< 0.01，因此，潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动，1084水平的平盘 宽度为44m。
[0039] 1096水平边坡形态优化过程：
[0040] 初步确定1096水平的平盘宽度为30m;其潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界 面的切层-顺层滑动和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动，根据Bishop法和剩余推 力法，当1096水平的平盘宽度为30m时，排弃至1108水平的以排土场基底面为底界面的切 层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F sl=l.321，排弃至1108水平的以排土场基岩面为底界面 的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fs2 = 1.289;比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，Min {Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，所以应逐步增大1096水平的平盘宽度。当1096水平的平盘宽 度为37m时，排弃至1108水平的以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定 系数F sl=l.301，排弃至1108水平的以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡 稳定系数 Fs2 = 1.318;比较 Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数 K，满足 |Min{Fsl，Fs2}-K|<0.01^ 此，潜在滑坡模式为以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动，1096水平的平盘宽度为 37m〇
[0041]基于本实施例的露天矿外排土场，采用本发明优化的边坡形态及边坡稳定性计算 如表2所示。
[0042]表2边坡稳定性计算与优化结果
[0043]
LUU44」上还佛足的排土场辺坂形态叫为排土场最优辺坂形态，如图3所不。
【主权项】
1. 一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法，其特征在于:包括如下步骤： 步骤1、确定复合软弱起伏基底排土场排土台阶高度和排土台阶坡面角； 步骤2、将复合软弱起伏基底排土场各水平自下而上分别编号； 步骤3、确定复合软弱起伏基底排土场边坡的安全储备系数K; 步骤4、自下而上逐水平进行排土场边坡形态优化：自下而上逐水平确定平盘宽度，使 各水平以排土场基底面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fsl和以排土场基岩 面为底界面的切层-顺层滑动对应的边坡稳定系数F s2中的较小值与安全储备系数K之差的 绝对值不大于〇. 01，此时对应的各水平的平盘宽度作为排土场边坡形态优化结果。2. 根据权利要求1所述一种复合软弱起伏基底排土场边坡形态优化方法，其特征在于： 所述步骤4具体步骤如下： 步骤4.1、初步确定水平i的平盘宽度； 步骤4.2、根据Bishop法和剩余推力法分别计算水平i以排土场基底面为底界面的切 层-顺层滑动对应的边坡稳定系数Fsl和以排土场基岩面为底界面的切层-顺层滑动对应的 边坡稳定系数F s2; 步骤4.3、比较Min{Fsl，Fs2}与安全储备系数K，若Min{Fsl，F s2}大于安全储备系数K，则逐 步减小水平i的平盘宽度，若Min{Fsl，Fs2}小于安全储备系数K，则逐步增大水平i的平盘宽 度，直至||^11沾 1上2}-1(|<0.01，返回步骤4.1，确定水平1+1的平盘宽度。
【文档编号】G06F19/00GK105975782SQ201610309111
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】王东, 张禹, 赵景昌, 曹兰柱, 王珍, 杜涵, 姜聚宇
【申请人】辽宁工程技术大学