一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，属于露天开采领域。该方法包括(1)定性分析倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式；(2)对内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到边坡岩土体物理力学指标；(3)确定倾斜基底内排土场边坡的安全储备系数K；(4)设计不同排弃高度、不同平盘宽度的倾斜基底内排土场边坡形态，并设计最优的边坡稳定性系数和最大的排弃空间。(5)结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上得到的最优边坡形态方案进行模拟检验，进一步验证最优边坡形态的可行性。该方法确保了内排土场的稳定及内排空间的不断扩展，为边坡形态的设计提供了依据，同时也节省了大量露天开采成本。
1.一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，该倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，包括以下步骤：步骤1，结合倾斜基底内排土场边坡的具体情况，定性分析倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式；
步骤2，对内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到边坡岩土体物理力学指标；
步骤3，根据具体露天煤矿内排土场边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害因素，确定倾斜基底内排土场边坡的安全储备系数K；
步骤4，设计不同排弃高度、不同平盘宽度的倾斜基底内排土场边坡形态，并设计最优的边坡稳定性系数和最大的排弃空间，其具体优化方法为：(1)最优的边坡稳定性系数的确定：根据极限平衡法中的简化Bishop法，计算边坡稳定性系数Fs，当满足Fs＞K的边坡形态为露天矿安全边坡形态；
首先假设了岩体滑裂面是两个圆柱面，并且假设了作用力在划分的不同条带间的方向为水平方向，之后，通过垂直方向力的平衡求解条底反力，并依据对某一相同点的力矩平衡计算出稳定性系数Fs；
Bishop法的根本假设，是将滑面认定成圆弧面，将稳定性系数描述成对滑面旋转中心的抗滑力矩与下滑力矩的比值，同时假设划分的不同条带所受的力都处于平衡状态，具体的稳定性系数Fs的公式为：式中，i为第i条带；n为条带总个数；c`为黏聚力；li为第i条滑面的长度；Wi为第i条带的重力；αi为第i条带滑面倾角；μi为作用在滑面上的单位面积的孔隙水压力； 为内摩擦角；
(2)最大的排弃空间的确定：根据平面算量法，计算排土空间释放量V，当排土空间释放量最大即为最经济的内排土场边坡形态，作为最优边坡形态；
将矿山平面图划分出若干块段，通过分别计算每个块段顶面与底面的面积和顶底面之间的距离求出各块段的体积，之后累加为工程量；
式中：i为第i个块段；n为划分块段总数；Si上为第i个块段顶面的面积，单位为m2；Si下为第i个块段底面的面积，单位为m2；hi为第i个块段的高度，单位为m；
步骤5，结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上得到的最优边坡形态方案进行模拟检验，进一步验证最优边坡形态的可行性。
2.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素具体为：排弃物料性质、基底岩土体性质及形态、边坡形态、地应力、降水、冻结和融化。
3.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的倾斜基底内排土场边坡潜在滑坡模式主要为：以危险圆弧为侧界面、以倾斜基底为底界面的切层-顺层滑动。
4.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的边坡岩土体为排弃物料、砂泥岩互层和基底的岩土体。
5.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的边坡岩土体物理力学指标具体为容量、抗剪强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比。
6.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤4(1)中，所述的设计倾斜基底内排土场边坡形态，具体设计包括不同排弃标高和不同平盘宽度的设计。
7.如权利要求1所述的倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，其特征在于，所述的步骤4(1)中，所涉及的作用力有：作用在滑面上的有效法向力、作用在滑面上的全法向力、滑面上的极限抗滑力；条带间的剪切作用力。
一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于露天开采领域，特别涉及一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法。
背景技术
[0002] 露天煤矿在生产过程中为减少土地占用和缩短剥离运距会将剥离物直接排弃到露天采场的采空区内，形成内排土场。内排土场边坡高大且距离采剥工作面较近，其稳定性直接影响到露天矿能否安全生产。内排土场边坡的稳定性除了与排弃物料性质、基底岩土体性质、边坡形态等因素有关外，基底形态也是影响到其稳定性的主要因素。如果基底倾向与内排土场边坡倾向一致，内排土场边坡转变为倾斜边坡，高大边坡与倾斜边坡并存，必将对边坡安全造成重大隐患，因此倾斜基底内排土场边坡形态设计问题不容忽视。
[0003] 目前大多数露天煤矿在进行生产时遇到倾斜基底会保守选择向外排土场排弃剥离物，这样很大程度增加了剥离运距，没有有效的利用已有的土地资源，浪费了大量的人力、物力、财力。现有技术选择内排土时大多基于现状根据经验进行缓坡排土，考虑到安全的同时又没能兼顾到经济效益最大化。因此迫切需要提出一种对倾斜基底内排土场边坡形态进行优化的方法，保障露天矿安全生产的同时又能创造最大的经济效益。
发明内容
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法。该方法确保了内排土场的稳定及内排空间的不断扩展，为边坡形态的设计提供了依据，同时也节省了大量露天开采成本。
[0005] 本发明的一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，结合倾斜基底内排土场边坡的具体情况，定性分析倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式；
[0007] 步骤2，对内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到边坡岩土体物理力学指标；
[0008] 步骤3，根据具体露天煤矿内排土场边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害等因素，确定倾斜基底内排土场边坡的安全储备系数K；
[0009] 步骤4，设计不同排弃高度、不同平盘宽度的倾斜基底内排土场边坡形态，并设计最优的边坡稳定性系数和最大的排弃空间，其具体优化方法为：
[0010] (1)最优的边坡稳定性系数的确定：根据极限平衡法中的简化Bishop法，计算边坡稳定性系数Fs，当满足Fs＞K的边坡形态为露天矿安全边坡形态；
[0011] 所述的边坡稳定性系数Fs的计算方法为：
[0012] 首先假设了岩体滑裂面是两个圆柱面，并且假设了作用力在划分的不同条带间的方向为水平方向，之后，通过垂直方向力的平衡求解条底反力，并依据对某一相同点的力矩平衡计算出稳定性系数Fs；
[0013] Bishop法的根本假设，是将滑面认定成圆弧面，将稳定性系数描述成对滑面旋转中心的抗滑力矩与下滑力矩的比值，同时假设划分的不同条带所受的力都处于平衡状态。具体的稳定性系数Fs的公式为：
[0014]
[0015] 式中，i为第i条带；n为条带总个数；c`为黏聚力；li为第i条滑面的长度；Wi为第i条带的重力；αi为第i条带滑面倾角；μi为作用在滑面上的单位面积的孔隙水压力； 为内摩擦角；
[0016] (2)最大的排弃空间的确定：根据平面算量法，计算排土空间释放量V，当排土空间释放量最大即为最经济的内排土场边坡形态，作为最优边坡形态；
[0017] 所述的排土空间释放量V的计算方法为：
[0018] 将矿山平面图划分出若干块段，通过分别计算每个块段顶面与底面的面积和顶底面之间的距离求出各块段的体积，之后累加为工程量。
[0019]
[0020] 式中：i为第i个块段；n为划分块段总数；Si上为第i个块段顶面的面积，单位为m2；Si下为第i个块段底面的面积，单位为m2；hi为第i个块段的高度，单位为m。
[0021] 步骤5，结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上得到的最优边坡形态方案进行模拟检验，进一步验证最优边坡形态的可行性。
[0022] 其中，所述的步骤1中，所述的倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素具体为：排弃物料性质、基底岩土体性质及形态、边坡形态、地应力、降水、冻结和融化。
[0023] 所述的步骤1中，所述的倾斜基底内排土场边坡潜在滑坡模式主要为：以危险圆弧为侧界面、以倾斜基底为底界面的切层-顺层滑动。
[0024] 所述的步骤2中，所述的边坡岩土体为排弃物料、砂泥岩互层和基底的岩土体。
[0025] 所述的步骤2中，所述的边坡岩土体物理力学指标具体为容量、抗剪强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比。
[0026] 所述的步骤4(1)中，所述的设计倾斜基底内排土场边坡形态，具体设计包括不同排弃标高和不同平盘宽度的设计。
[0027] 所述的步骤4(1)中，所述的稳定性系数Fs是根据所设计的边坡形态，以潜在滑坡模式对应的不同工程位置所计算的稳定性系数。
[0028] 所述的步骤4(1)中，所涉及的作用力有：作用在滑面上的有效法向力、作用在滑面上的全法向力、滑面上的极限抗滑力；条带间的剪切作用力。
[0029] 所述的步骤4(2)中，所述的排土空间释放量V是在稳定性满足要求的边坡形态排弃到不同工程位置的排土空间释放量。
[0030] 所述的步骤4中，最优的边坡稳定性系数保证了边坡的稳定性；最大的排弃空间增大了排弃空间释放量。
[0031] 本发明的一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法，相比于现有技术，其有益效果在于：
[0032] 本发明考虑到倾斜基底对内排土场边坡稳定性及潜在滑坡模式的影响，基于极限平衡法与平面算量法的计算原理提出了一种既能满足安全要求又能创造最大经济效益的边坡形态优化方法，使露天煤矿倾斜煤层的内排土成为可能并且确保了内排土场的稳定及内排空间的不断扩展，为边坡形态的设计提供了依据的同时也节省了大量露天开采成本。
附图说明
[0033] 图1是本发明实施例的一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法的流程图。
[0034] 图2是本发明实施例1的倾斜基底内排土场边坡示意图；
[0035] 图3是本发明实施例1的平面算量法计算示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0037] 以下实施例的一种倾斜基底内排土场边坡形态的优化方法的流程图见图1。
[0038] 实施例1
[0039] 某露天矿采区内存在背斜地质构造，而内排土场刚好推进到背斜轴的顶部。背斜构造区域宽度为1200m，走向为SE-NW方向。由于背斜构造的影响，煤层落差达到270m，但地表和基岩面下降不到100m，煤层由近水平煤层过渡为倾斜煤层，煤层底板倾斜角度大，导致内排土场边坡基底倾斜，稳定性受到极大影响，同时由于剥离量增大也需要释放更大的排土空间，图2为内排土场倾斜基底示意图。
[0040] 实例露天矿内排土场排弃标高现状已达到1420水平，使用本发明对该倾斜基底内排土场边坡形态优化的具体步骤如下：
[0041] 步骤1，结合倾斜基底内排土场边坡的具体情况，定性分析倾斜基底内排土场边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式；
[0042] 通过对实例露天煤矿工程地质状况的分析发现，影响内排土场边坡稳定性的因素为排弃物料性质、基底岩土体性质及形态、边坡形态和降水、冻结、融化等。该露天煤矿内排土场排弃物料的强度低于基底的强度，基底倾斜且倾角较大。所以，内排土场边坡潜在滑坡模式为以危险圆弧为侧界面、以基底为底界面的切层-顺层滑动。
[0043] 步骤2，对内排土场边坡岩土体进行力学实验，得到边坡岩土体物理力学指标；
[0044] 通过对该露天矿内排土场边坡岩土体的力学实验，得到排弃物料、砂泥岩互层与基底的岩土体力学指标如表1:
[0045] 表1内排土场边坡岩土体物理力学指标
[0046]
[0047] 步骤3，确定倾斜基底内排土场边坡的安全储备系数K。
[0048] 参照《煤炭工业露天矿设计规范》(GB50197―2005)中对边坡稳定性系数的规定，依据实例露天煤矿内排土场边坡的服务年限、重要程度、各构成部分物理力学指标的掌握程度和滑坡潜在危害等因素，将其安全储备系数确定为K＝1.2。
[0049] 步骤4，设计不同排弃高度、不同平盘宽度的倾斜基底内排土场边坡形态，并设计最优的边坡稳定性系数和最大的排弃空间。
[0050] 初步设计了内排土场排弃标高为1420水平条件下平盘宽度分别为60m、70m、80m与排弃标高为1480水平条件下平盘宽度分别为70m、80m、90m向前推进步距均为200m的六种方案，从边坡稳定性与排弃空间释放量两方面进行优化。
[0051] (1)根据极限平衡法简化Bishop法计算出所设计的边坡形态，以倾斜基底为底界面的切层-顺层滑动对应的不同工程位置边坡稳定性系数Fs，其中满足Fs＞K的边坡形态为露天矿安全边坡形态。
[0052] 所述的边坡稳定性系数Fs的计算方法为：
[0053] 首先假设了岩体滑裂面是两个圆柱面，并且假设了作用力在划分的不同条带间的方向为水平方向，之后，通过垂直方向力的平衡求解条底反力，并依据对某一相同点的力矩平衡计算出稳定性系数Fs。
[0054] 所涉及的作用力有：作用在滑面上的有效法向力Ni＇、作用在滑面上的全法向力Ni、滑面上的极限抗滑力Ri；条带间的剪切作用力Ei和Ei+1。
[0055] Bishop法的根本假设，是将滑面认定成圆弧面，将稳定性系数描述成对滑面旋转中心的抗滑力矩与下滑力矩的比值，同时假设划分的不同条带所受的力都处于平衡状态。具体的稳定性系数Fs的公式为：
[0056]
[0057] 式中，i为第i条带；n为条带总个数；c`为黏聚力；li为第i条滑面的长度；Wi为第i条带的重力；αi为第i条带滑面倾角；μi为作用在滑面上的单位面积的孔隙水压力；为内摩擦角；
[0058] 其中，计算结果如表2所示：
[0059] 表2内排土场边坡岩土体物理力学指标
[0060]
[0061] 方案一、当内排土场排弃标高为1420水平以60m平盘宽度向前推进到1200m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.175＜1.2不满足边坡稳定性要求。
[0062] 方案二、当内排土场排弃标高为1420水平以70m平盘宽度向前推进到1400m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.148＜1.2不满足边坡稳定性要求。
[0063] 方案三、当内排土场排弃标高为1420水平以80m平盘宽度向前推进到1800m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.218＞1.2满足边坡稳定性要求。
[0064] 方案四、当内排土场排弃标高为1480水平以70m平盘宽度向前推进到1400m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.116＜1.2不满足边坡稳定性要求。
[0065] 方案五、当内排土场排弃标高为1420水平以80m平盘宽度向前推进到1800m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.189＜1.2不满足边坡稳定性要求。
[0066] 方案六、当内排土场排弃标高为1420水平以90m平盘宽度向前推进到1800m工程位置处边坡稳定性系数最小，Fs＝1.247＞1.2满足边坡稳定性要求。
[0067] 其中，分析得知，方案三与方案六满足边坡稳定性要求。
[0068] (2)最大的排弃空间的确定：根据平面算量法，计算排土空间释放量V，当排土空间释放量最大即为最经济的内排土场边坡形态，作为最优边坡形态；
[0069] 所述的排土空间释放量V是在稳定性满足要求的边坡形态排弃到不同工程位置的排土空间释放量。
[0070] 根据稳定性系数的分析，方案三和方案六满足边坡稳定性要求。根据平面算量法的计算结果，方案三当内排土场排弃标高为1420水平以80m平盘宽度向前推进到2400m工程位置时排土空间释放量V1＝568.02m3；方案六当内排土场排弃标高为1480水平以90m平盘宽度向前推进到2400m工程位置时排土空间释放量V2＝547.35m3。由于V1＞V2，因此方案三可以释放更多的排土空间，创造更大的经济效益，即排弃标高1420水平、平盘宽度80m为该实例最优的边坡形态。其中，平面算量法原理参照图3。其中，图中，A1A2C2C1为上一工程位置平面，B1B2D2D1为下一工程位置平面。
[0071] 所述的排土空间释放量V的计算方法为：
[0072] 将矿山平面图划分出若干块段，通过分别计算每个块段顶面与底面的面积和顶底面之间的距离求出各块段的体积，之后累加为工程量。
[0073]
[0074] 式中，i为第i个块段；n为划分块段总数；Si上为第i个块段顶面的面积，单位为m2；Si下为第i个块段底面的面积，单位为m2；hi为第i个块段的高度，单位为m。
[0075] 步骤5、结合强度折减理论算法，运用FLAC3D有限差分数值模拟软件对以上得到的最优边坡形态方案进行模拟检验，进一步验证最优边坡形态的可行性。
[0076] 通过FLAC3D数值模拟技术，运用强度折减理论，验证了该方法确定的排弃标高为1420水平、平盘宽度为80m的最优形态边坡的稳定性系数为1.24满足安全储备系数的要求。
