露天铝土矿边坡稳定性预测研究及其控制技术.pdf

I S S N 1 0 o 52 7 6 3 C N 4 3一l 2 1 5 ／ I 1 l 】 矿业研究与开发 第2 6卷 第6期 MI NI NG R ＆ D，V o 1 ． 2 6， N o ． 6 2 0 0 6年 1 2月 D e c ． 2 0 0 6 露 天 铝 土 矿 边 坡 稳 定 性 预 测 研 究 及 其 控 制 技 术 阳雨平 ， 侯 斌 ， 1 ． 中南大学， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 中铝山西分公司孝义铝矿， 山西 孝义市0 3 2 3 0 3 摘要 以孝义铝矿克俄矿区、 西河底矿 区采场及排土场为 例 ， 在调查分析采场及排土场边坡介质力学性质及稳定性影 响因素的基础上， 建立了边坡稳定性的灰色预测模型， 确定 了采场及排土场边坡破 坏模式 ， 提 出了控制边坡稳定的战略 和战术防治技术措施 。 关键词 露天铝 土矿 ； 边坡稳定性 ； 灰 色预测模型 ； 防治措施 中圈分类号 T D 8 5 4 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 0 0 6 0 6 0 0 3 5 0 4 S t u d y O ff Fo r e c a s t o f S l o p e s S t a b i l i t y a n d I t s Co nt r o l Te c h n o l o g y i n a Ope n c a s t Ba u x i t e M i n e y 口 略l ， 馏 ，l t o u Bi n 1 ． C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，C h a n g s h a ，Hu n a n 4 1 0 0 8 3，C h i n a ； 2 ． Xi a o y i B a u x i t e Mi n e，S h a n x i Br a n c h o f C h i n a A l u mi n u m C o r p o r a t i o n ，X i a o y i C i t y ，S h a n x i 0 3 2 3 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e o p e n c a s t a n d w a s t e d u mp i n K e 6 ，Xi h e d i mi n i n g a r e a s f o r e x a mp l e s ，me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f s l o p e s a n d i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f s l o p e s s t a b i l i t y h a s b e e n i n v e s t i g a t e d a n d a n aly z e d ．Ba s e d o n t h e s e ，a g r a y f o r e c a s t mo d e l o f s l o p e s t a b i l i t y i s e s t a b l i s h e d， a n d f a i l u r e mo d e l s o f s l o p e a r e d e t e r mi n e d， s o me s t r a t e g i c an d t a c t i c al t e c h n i c a l c o n t r o l me a s u r e s are p u t f o r w ard ． Ke y W o r d s O p e n c ast b a ux i t e mi n e，S l o p e s t a b i l i t y，G r a y for e c a s t mod e l ，C o n t r o l me a s u res 1 工程地质调查与室内试验 孝义铝矿地质资料较为完备， 并有基建、 生产勘 探、 边坡滑落， 岩体位移观测， 水文观测等资料。因 此， 在研究初期， 充分收集和利用已有的资料， 对照 区域地质资料及矿区开采现状图和设计开采终了平 面图等， 初步分析、 了解矿区地层、 构造、 区域水文特 征及岩体物理力学性质， 在此基础上， 对边坡及其周 围环境进行地质踏勘， 以了解边坡所处的主要地层 界限和地质构造情况。 针对边坡的实际情况， 对采区岩石类型、 岩体结 构面、 降雨及入渗、 边坡滑落现象、 自然边坡等进行 了详细的实地调查。岩石类型调查主要是查明采区 各种成因类型的岩石的分布规律及接触关系， 矿物 成分和结构构造、 风化特征， 除此之外， 对于物理力 学性质不清楚的岩石进行取样， 并做力学试验， 以获 得进一步研究所需要的力学参数。结构面调查的目 的是查明采区内结构面的类型、 性质和产状， 结构面 分布特征和连续性， 结构面的间距和密度， 结构面间 充填物的厚度、 成分和性质， 边坡岩体结构类型和特 征等， 并对结构面调查所获得的大量数据采用赤平 极射投影法整理。降雨及入渗调查的目的主要是查 清岩体的渗透性以及水压分布情况。边坡滑落情况 调查的内容包括滑坡时间、 部位 、 原 因、 造成 的危害 及处理措施等， 这些可以反映出各种因素对边坡稳 定性的实际影响。自然边坡调查的内容主要包括自 然边坡的岩石类型、 岩体结构类型、 稳定边坡角、 边 坡角大小等 。 室内试验的 目的主要是补充研究边坡矿岩的物 理力学性质， 研究内容包括取样、 岩样加工、 常规力 学实验等。 2 边坡稳定性研究 2 ． 1 灰色 GM 1 。 1 模型理论 本项研究采用灰色系统 G M 1 ， 1 模型预测边 坡变形。下面重点阐述边坡变形预测研究。 2 ． 1 ． 1 G M 1 ， 1 模型的建立 G M 1 ， 1 模型是 G M ， h 模 型的特例 ， 即 r L 1 ， hl ， 微分方程的阶数是 1 ， 只有一个变量， 即 只需一个数列 X 0 ‘。 ’{ ‘。 ’ 1 ， ‘ 。 ’ 2 ， ⋯ ‘ 。 ’ N I 进行 1 一 A G O 一次累加生成 后得 X ’ ’ 1 ， x O ’ 2 ， ⋯ ’ ’ N 2 可建立如下白化形式的微分方程 收稿 日期 2 0 0 60 91 8 作者简介 阳雨平 1 9 6 3一 ， 男， 湖南湘潭人， 副教授， 博士， 主要从事采矿工艺和岩体力学研究 维普资讯 矿 业 研 究 与 开 发 ⋯ 口 1 】 “ 3 A _十口 “ l _ J df 称 3 式为 G M 1 ， 1 模型。 2 ． 1 ． 2 模型参数求解 针对 3 式， 利用最小二乘法估计参数列 a 口 ， “ 满足 a 口 ， u B B B l ， Ⅳ ， 其中 B 一 丢 2 1 一 1 1 3 1 2 ； 一 号 Ⅳ I Ⅳ 一 [ ‘ 。 ’ 2 ， ‘ 。 3 ， ⋯， ‘ 。 ’ N ] 4 求出a 后解方程式 3 得白化形式微分方程的 解为 圣 “ |]} 1 ∞ 1 一 詈 e 詈 圣 ‘ 。 ．]} 1 面 ‘ ．]} 1 一 ‘ ’ ．]} ．]}0， 1 ， 2， ⋯， Ⅳ 5 其中 ‘。 1 ‘。 0 。 2 ． 1 ． 3 求还原数列 为了得到原始数列的预测值， 还需将生成数列 的预测值做累减， 从而还原为原始值， 即 膏 ‘ ∞ ．]} 莺 1 ’ ．]} 一 ‘ ．]} 一1 6 式中 0 ’ 后 原始数列预测值； j} 为生成数列的预测值。 2 ． 1 ． 4 G M 1 ， 1 模型的误差与精度检验 设给 定 原始 数 列 为 ，预 测 数 值 为 圣 ∞ ’ ， 则其相对误差 e 为 7 式中 e 预测值与原始值的相对误差； ∞ ．]} 原始数列值； 莺 0 ．]} 预测数列值。 灰色模型 的精度通 常用后验差 方法检验， G M 1 ， 1 模型的精度等级见表 1 。 表 1 G M 1 ， 1 模型精度等级 表 1 中， C越小越好， C小表示残差方差S 小， 表明预测误差离散性小。 若原始数据离散性大， 而预 测值离散性不大， 则预测显然是好的。 P 大说明误差 较小的概率大， 也就是误差精度高。 模型的精度级别 m 口 { P所在的级别， c所在的级别} 。 2 ． 2 算例分析 采场边坡变形实测值见表2 。 表2 采场边坡变形实测值 测数变形 ra m 测数变形 ra m 测数变形 m m 1 S． B 4 4 6． 1 7 6 4． 2 2 2 2． 1 7 5 2． 6 4 7 3． 9 4 3 7． 6 3 由表 2 构造原始数列 0 X ‘ 。 { ‘ 。 1 ， ‘ 。 ’ 2 ， ‘。 3 ， ‘。 ’ 4 ， ‘ 。 5 ， ‘ 。 ’ 6 ， 。 7 } { 5 8 ． 4， 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4 ， 4 2 ． 2 ， 3 9 ． 4} 对原始数据一次累加 1 一 A G O 得 x ‘ ’{ 1 ， ‘ 2 ， ‘ 3 ， ‘ ’ 4 ， ‘ 5 ， ‘ ’ 6 ， ‘ 7 } { 5 8 ． 4 ， 8 0 ． 1 ， 1 5 6 ． 4， 2 1 8 ． 1 ， 2 4 4 ． 5 ， 2 8 6 ． 7 ， 3 2 6 ． 1 } 构造 向量 y Ⅳ和矩阵 B B 一 69 ． 2 5 1 1 8． 2 5 1 8 7． 2 5 231 ． 3 2 65． 6 3 0 6 ． 4 Y N[ ‘ 。 2 ， ‘ 。 3 ， ‘ 。 ’ 4 ] [ 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4 ，4 2 ] 求系数向量 矗 a[ 。 ， “ ] B B B 将 Y 和 B代人上式 ， 得 a 0 ． 0 ． 2 71 4】 把 X ∞ 1 和 矗代入公式 5 得边坡变形的灰 色预测模型 j }1 一1 7 8 41 e - o ． 。 ” 1 8 4 2 5 依次算出J}7 ， 8 ， 9 ， 1 0的预测值数列 ， 再 把 】 ’ 用累减生成的方法得到原始数列的预测值 盅 们， 并用此模型预测后 4次的变形量， X ‘ 们、 ‘ 们、 X‘ 、 “ 值和相对误差见表 3 ， 实际变形量与模拟 值的对比如图 l 所示。 维普资讯 阳雨平， 等 露天铝土矿边坡稳定性预测研究及其控制技术 3 7 图 1 边坡变形量实测值与模拟值的对比 表3 原始数据、 预测数据及相对误差单位 x 1 0 i n l n 埘 数x C ’ ‘ O j c o 相对误差 ％ 1 5 8 ． 4 58 ． 4 5 8． 4 5 8． 4 0 2 8 O ． 1 1 0 6 ． 0 9 9 9 9 2 1 ． 7 4 7 ． 6 9 9 9一l 1 9 ． 8 2 ％ 3 1 5 6． 4 1 5 2． 5 2 44 l 6． 3 4 5． 1 8 3 3 4 0． 7 8％ 4 21 8 ． 1 1 9 7． 7 0 7 7 61 ． 7 4 6． 4 2 4 5 2 4． 7 6％ 5 2 4 4 ． 5 2 4 1 ． 6 8 31 2 6． 4 4 3 ． 9 7 5 4 6 6． 5 7％ 6 2 8 6 ． 7 2 8 4 ． 4 8 2 6 4 2． 2 4 2． 7 9 9 5 1 ． 4 2％ 7 3 2 6 ． 1 3 2 6． 1 3 9 7 3 9． 4 41 ． 6 5 5 3 5 ． 7 2％ 8 3 6 6 ． 6 7 9 5 4 0． 0 0 0 9 4 0 6． 1 3 7 2 3 9． 4 5 7 7 1 O 4 4 4 ． 5 3 9 9 3 8． 4 0 2 7 1 1 4 8 1 ． 9 1 5 9 3 7． 3 7 6 0 计算得出 C0 ． 9 6 5 6 ， P 0 ． 4 2 8 6 ， 根据表 1可 知， 此模型精度等级为4级， 其精度不高， 有必要对 模型结果进行修正。在此采用区间预测法中的发展 带模型修正。 构造新的序列 xl 。 。 5 8 ． 4 ， 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4 ， 4 2 ． 2 ， 3 9 ． 4 戈 5 8 ． 4， 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4 ， 4 2 ． 2 戈 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4， 4 2 ． 2， 3 9 ． 4 z 2 1 ． 7 ， 7 6 ． 3 ， 6 1 ． 7 ， 2 6 ． 4， 4 2 ． 2 建立 G M 1 ， 1 模型群 ， b l a 2 x 1 a 3 x 1 b 3 ，-6 4 可得基本预测值 。 ’ 8 0 ． 5 4 2 ． 8 2 5 21 7 ． 4 1 8 2 3 0 ． 1 2 1 7 ‘ 。 ’ 9 0 ． 5 4 2 ． 1 51 2 ． 9 9 42 7 ． 5 7 2 2 知 ‘ 。 ’ 1 0 0 ． 5 4 1 ． 5 0 1 39 ． 6 9 4 1 2 5 ． 5 9 7 7 ‘ 。 ’ 1 1 0 ． 5 4 0 ． 8 5 4 97 ． 2 3 2 2 4 ． 0 4 3 5 发展带模型计算结果见表 4 。原始序列原值与 发展带模拟值对比见图 2 ， 一次累加生成序列 1 原值与发展带模型模拟值对比见图3 ， 原模型与发 展带模型预测值对比见图4 。 表4 发展带预测模型原值、 预测值计算结果 单位 l O I I I 1 1 1 从图3可知， 一次累加序列原值与发展带模拟 最高值相近， 图4也反映出原模型预测值与发展带 预测值最高值相近， 结合原始数据反应的趋势和工 程安全的需要， 可将发展带模型预测的最高值作为 最终的预测结果。 3 边坡破坏模式确定 建立符合实际的滑坡灾变模型是深入研究采 场、 排土场滑坡机理， 科学评价边坡稳定性的关键环 节。边坡的破坏模式按破坏机理可分为 4种类型 平面破坏类型； 楔体破坏； 圆弧形破坏； 倾倒破坏。 通过数值分析和现场调查， 确定孝义铝矿采场 边坡的破坏形式主要有两种形式， 一种为层面问的 剪切应力失衡， 导致滑体沿着圆弧滑动面破坏， 另外 一 种为台阶的底部被超挖， 导致的边坡体倾倒破坏。 孝义铝矿排土场边坡的破坏主要是圆弧形破坏。 维普资讯 3 8 矿 业 研 究 与 开 发 图2 原始序列原值与发展带模拟值对比 6 0 4 0 邑 3 o 删 装 2 0 l 0 l 9 7 6 l 9 7 8 l { 8 0 1 98 2 1 9 84 1 9 8 6 l 9 } 3 f ； 年 份 图3 一次累加序列原值与发展带模拟值对比 7 6 重 s 嘲 4 3 边坡稳定性控制措施很多， 归纳起来可分为两 大类 一类是战略防治， 一类是战术防治。所谓战略 防治是指在边坡发生失稳之前采取预防性措施 ， 而 战术防治是指在边坡建设过程中由于各种原因发生 失稳而采取的治理措施。战略防治具有长期性、 区 域性， 应优先采用， 但战术防治也必不可少。就孝义 铝矿而言， 对其边坡的稳定控制可采取如下的战略 防治与战术防治措施。 4 ． 1 战略防治措施 1 改进岩土堆置形状和排弃顺序。影响排土 场稳定性的主要因素有排弃物的物理力学性质、 场 址地形坡度与地基条件、 排弃物与地基的水文特征、 堆置形状与参数、 岩土排弃顺序等。根据排弃物的 物理力学性质与地形条件， 采用多台阶覆盖式排土 场 ， 压坡脚式排土场和护堤式排土场。 2 合理选择阶段高度。排土场的阶段高度受 排土场的综合技术经济指标和稳定性所控制。技术 经济合理的阶段高度应保证排土场建设费用最低。 一 般认为， 露天铝土矿的排土场在地表坡顶界限水 平以上的阶段高度不应超过 2 0 m 。 3 改善地基条件 、 增大基底摩 擦力。由力学 分析可知， 排土场基地岩层的摩擦力比排弃物 自身 的力学强度对稳定性的影响显著。对于山坡型和沟 谷型排土场， 在岩石排弃前， 应进行地基处理， 以便 增大排土场底部的摩擦阻力。地基处理方法有 清 除场址地表植被； 用爆破法形成一系列土坑； 将地基 挖掘成阶梯状 ； 在场址 内用坚硬 岩石 预先堆置一系 列抗滑块石坝 。 4 预防暴雨水害、 拦挡泥石流。尽可能将排 土场场地布置在汇水面积很小的地点， 并且在排土 场场址的坡上修筑排水沟， 拦截暴雨洪水和其他途 径流水进入排土场。在排弃物堆址之前， 在地基上 铺设一层大块岩石， 以便使大气降水从排土场底部 渗出疏干。 4 ． 2 战术防治措施 1 疏水。水对边坡稳 定性 具有重要的影响， 因此尽量减小地表水向边坡岩体渗透， 并设法排出 边坡岩体中的地下水。 2 机械加固。包括预应力锚杆 索 加固边 坡、 抗滑桩加固边坡、 抗滑挡墙护坡。 3 削坡减载和压脚。削坡减载是削去边坡上 部台阶的岩体以减小下滑力， 适用于推移式滑动变 形边坡的稳坡。压脚稳坡是在边坡坡脚堆筑散体， 借以支撑滑体或增加滑体下部滑动面上的摩擦力， 从而提高滑体的稳定性。 4 控制爆破。爆破对边坡稳定性的危害， 主 要是过度破碎引起周围岩体产生程度不等的破坏， 从而影响工程围岩及边坡岩体的稳定条件。因此， 合理地设计爆破参数以及应用特殊的爆破技术是防 下转第 7 6页 维普资讯 7 6 矿 业 研 究 与 开 发 2 0 0 6 ， 2 6 6 截止， 下降， 使 ， 此时 D触发器又输出高电 平， T h 和 T L 又导通， 则绕组电流 厶重新上升， 此过 程一直重复。恒频脉冲频率较高， 使得 基本保持 在 值， 且 ， 0 波顶比较平稳。若有较大的阶梯上 升时， T 和 T L 导通的时间较长， 直到 v A 为止； 若有较大的阶梯下降时， T 和T 截止的时间较长， 直到 为止。这样通过控制开关管的开通时 间达到恒频脉冲调宽细分的目的。 图 4 恒频 脉宽调 制信号电路 2 ． 4 检测及保护电路 在步进电机驱动中， 为提高驱动系统工作的可 靠性 ， 保护环节至关重要， 主要有过压保护和过流 保护。故障中任何一种或几种故障同时出现时， 均 可立即封锁所有相控制信号， 达到保护驱动系统和 步进电机的目的 。 1 过压保护电路。过压保护电路主要用于防 止由过压对功率场效应管造成的损坏。当功率管截 止时， 电机绕组的电感产生很高的反压。如果不采 取措施， 这个反压会击穿其他器件， 把二极管和电阻 串联后并在绕组上， 以释放绕组上电感存储的能量。 同时电路中采用 P 6 K E 2 o o A顺态抑制二极管作保 上接第3 8页 止边坡破坏的重要步骤， 例如缓冲爆破、 预裂爆破和 光面爆破等， 其关键是使最后一排炮孔后面的岩石 即边坡岩石破坏尽可能小。 5 改变滑移带土岩的性质。边坡岩体中存在 的软弱带或软弱层面控制着滑坡的发生。设法提高 这些弱带或层的强度， 进而从根本上防治滑坡。主 护， 它响应速度极快、 嵌位电压稳定、 体积小、 价格 低， 当电压超过 P 6 I E 2 o o A额定电压时， P 6 I E 2 o o A 迅速反向击穿， 由高阻态变成低阻态， 并把干扰脉冲 嵌位于规定值， 从而保证功率场效应管不受损坏， 嵌 位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需 要的时间。嵌位时间极短 仅 1 n s ， 所能承受的顺 态脉冲电流值高达几 l O 安培。 2 过流保护电路。过流检测电路用于防止电 流检测电路失效造成大功率场效应管过流和过热损 坏。电路中以比较器和取样电阻等构成过流保护电 路， 其中步进电机相电流是通过一个串接在步进电 机绕组回路的小阻值水泥电阻来检测， 将电阻上的 压降与比较器的参考电压相比较得到控制信号。当 电流过大时取样电阻上的电压比参考电压高， 则输 出低电平， 切断各相的脉冲信号， 使各功率管关断， 防止了大功率管因过流而造成的损坏。 3 结 论 利用现场可编程逻辑器件 F P G A， 在 M A X P L U S I I 开发环境下 ， 设计了一种具 有细分功能的步 进电机驱动器。硬件相对简单， 设计灵活且可实现 多种控制功能； 利用场效应管作为功率驱动开关管， 使步进电机获得了更高的性能， 具有较好的动态和 静态驱动特性。试验证明， 此系统功能满足设计要 求 ， 控制灵活， 集成度高。驱动器在减小了体积、 降 低开发成本的同时， 又增加了稳定性和可靠性， 电机 无失步现象， 具有较好的动态和静态驱动特性， 有效 地提高步进电动机系统的运行效果。 参考文献 [ 1 ] 邱望标 ， 罗杰， 李政敏． 基于 P L C软件环分的步进电机高低 压驱动[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 5 ， 2 ． [ 2 ] 罗防， 翁良科。 尹仕． 基于V e fi l o g H D L描述的多用途步 进电机控制芯片的设计[ J ] ．电子技术应用， 2 0 0 2 ， 2 8 8 ． [ 2 ] 程浩．三相混合时步进电机细分驱动器的研制[ D ] ． 浙江 浙江大学 ， 2 0 0 1 ． 要方法有滑动面爆破法和注浆法。滑动面爆破就是 在滑动面附近进行松动爆破， 以破坏滑动面的连续 性， 使滑带的内摩擦角提高。注浆法是用注浆管在 一 定的压力下， 使浆液 如水泥浆 进入岩体裂隙 中， 通过浆液的固结在破碎的或有贯通裂隙的岩体 中形成稳定的骨架， 并以浆液置换岩体裂隙中的地 下水， 堵塞地下水的通道。 维普资讯