基于物元模型的露天礦邊坡穩定性評價

江文武　胡培源　廖明萍　雷春輝

(江西理工大學資源與環境工程學院)

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·安全·環保·

基于物元模型的露天礦邊坡穩定性評價

江文武胡培源廖明萍雷春輝

(江西理工大學資源與環境工程學院)

露天礦開采時邊坡穩定性影響因素繁多，穩定性難以評判。以物元理論為基礎，選取巖石力學性質、環境因素、地形地貌和巖體結構4個方面，建立露天礦山邊坡穩定性評價模型，并以德興銅礦為例，對其進行了露天邊坡穩定性評價。通過指標的確定及邊坡工程收集的數據分析表明，物元模型方法對露天礦邊坡穩定性評價是有效可行的。

露天礦邊坡穩定性評價物元模型

露天礦山開采邊坡穩定性分析評價是礦山巖土工程領域的一個重要課題，也是邊坡工程的核心問題。國內外專家學者致力于邊坡穩定性分析評價及相關理論研究，獲得諸多成果。如圖解法、工程類比法、極限平衡法、數值分析法、可靠度分析法、模糊分級綜合分析法等，概括起來為定性、定量分析評價方法及非確定性分析評價方法。由于影響邊坡穩定性的因素多，且各因素的復雜性與不確定性，使得常規的定性、定量(如工程類比法、極限平衡法)分析評價結果不十分理想，而不確定分析評價方法(如模糊分級綜合分析法)與實際情況存在較大的差距。本文運用物元理論，結合10個方面的影響因素，建立了評價露天邊坡穩定性的物元模型，以福建某鎢礦露天礦為例，對其邊坡穩定性進行評價[1-2]。

1　物元模型原理

物元模型由我國數學家蔡文1983年提出，從最初的物元分析到現在的可拓學，已奠定其理論體系。物元分析是研究解決矛盾規律的方法，是系統科學、思維科學和數學交叉的邊緣學科。通過物元變換，把解決問題的過程形式化，從而建立起相應的物元模型，根據物元要素的發散性、可擴性、相關性、蘊含性和共軛性對物元進行拓展，使事物的矛盾得到解決[3-6]。

2　評價模型的構建

2.1確定物元矩陣

設有某一事物N有n個特征C1,C2,…,Cn，C所對應的量值為V，則稱N為物元，C為事元，V為關系元[6]，建立n維物元矩陣R=(N,C,V)，將邊坡穩定性作為待評價目標事物，因素層指標作為事元，建立邊坡穩定性物元矩陣：

(1)

2.2確定經典域和節域

將每一評價指標分為若干等級，并確定其取值范圍，屬于同一等級的取值范圍就是經典域，各個指標取值范圍的集合，即經典域的集合就是節域。

在邊坡穩定性評價中，根據所選取的評價指標，并結合以往的研究成果，把邊坡穩定性分為5個等級，即穩定、較穩定、基本穩定、不穩定、極不穩定[8]。影響邊坡穩定性的因素眾多，以RQD、容重(kN/m3)、地應力(MPa)、日最大降雨量(mm)、最大地震烈度、邊坡坡度(°)、邊坡高度(m)、巖體結構特征、粘聚力(MPa)10個評價指標作為事物的特征[9]，結合物元模型理論，可以確定邊坡穩定性的經典域和節域，見表1。

2.3確定關聯度

用關聯函數計算關聯度：

(2)

式中，Kj(Vi)為評價指標Ci關于其等級j的關聯度；Vi為評價指標Ci的值；aji,bji為評價指標Ci在等級j時經典域的下限、上限；aui,bui為評價指標Ci節域的下限、上限。

2.4確定評價效果

計算綜合關聯度：

表1　邊坡穩定性的經典域和節域

(3)

根據關聯度最大的原則確定邊坡穩定性，即若：

(4)

則邊坡穩定性屬于等級j。

3　模型應用

3.1工程背景

德興銅礦是國內目前最大的有色金屬露天礦，年降水量約1 900mm，每年7—9月份為雨季，多年平均最大24h降水量167mm。現已形成最終邊坡的礦區邊坡線總長超過100km，最終邊坡角52°，臺階高12m。開采過程中，邊坡的穩定性直接關系到礦山開采安全問題，有必要對其邊坡穩定性做出分析評價。

3.2建立模型及效果評價

根據上述模型，對德興銅礦露天邊坡穩定性進行定量分析及綜合評價。首先測量影響邊坡穩定性因素的實際指標值，見表2。

表2　德興銅礦露天邊坡穩定性各指標值

根據式(1)、式(2)進行編程，并運用Matlab分別計算出各指標的關聯度、綜合關聯度，見表3，表4。

根據式(4)，Kj(R)=

4　結　論

(1)從巖石力學性質、環境因素、地貌地形和巖體結構4個方面對邊坡穩定性進行評價，并對具體的影響因素進行識別，主要有RQD、容重、地應力、日最大降雨量、地震烈度、邊坡坡度、

表3　德興銅礦露天邊坡穩定性各指標關聯度

表4　德興銅礦露天邊坡坡穩定性綜合關聯度

邊坡高度、巖體結構特征、粘聚力、內摩擦角10個因素，由此建立邊坡穩定性評價指標體系，綜合考慮了邊坡工程中的各種不確定性因素，是以后建立綜合評價模型的方向。

(2)建立了露天邊坡穩定性評價物元模型，并根據具體邊坡穩定性實例，得出該邊坡為較穩定型，與實際情況相吻合，說明物元模型方法對評價邊坡穩定性是有效可行的。

[1]王潤生,李存國,郭立穩.基于可拓理論的高陡邊坡穩定性評價[J].礦業安全與環保,2008,35(6):25-28.

[2]史俊偉，陳章良，孫玉峰，等.充填開采控制地表沉陷可靠性模糊綜合評判[J].中國鎢業,2015,30(4):21-25.

[3]蔡文.物元模型及其應用[M].北京:科學技術文獻出版社，1994.

[4]DuboisD,PradeH.FuzzySetsandSystems，TheoryandApplications[M].NewYork:AcademicPress, 1998.

[5]朱維偉.基于可拓學的公路邊坡穩定性評價與防治策略研究 [D].南京：南京林業大學,2013.

[6]余文質.基于不確定性分析方法的邊坡穩定性評價及預測[D].成都：成都理工大學,2008.

[7]趙曉罡.基于可拓算法的鍋爐汽包水位控制研究[D].西安：西安科技大學,2011.

[8]張樹東.研山鐵礦邊坡穩定性影響因素分析及控制技術[J].金屬礦山，2015，468(6):139-143.

[9]田浩,王衛中.CSMR分類法在松銅高速巖質邊坡穩定性評價中應用 [J].中國水運,2015,15(5):332-334.

StabilityEvaluationoftheOpen-pitSlopeBasedonMatter-elementModel

JiangWenwuHuPeiyuanLiaoMingpingLeiChunhui

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology)

Theinfluencefactorsofopen-pitslopestabilityarecomplex,itisverydifficulttoconductstabilityevaluationofopen-pitslope.Basedonmatter-elementtheory,thefactorsofmechanicsproperties,environmentalfactors,topographyandrockmassstructureareselectedtoestablishthestabilityevaluationmodelofopen-pitslope.TheDexingcoppermineistakenastheresearchexample,theslopeofDexingcoppermineisevaluatedbasedonthestabilityevaluationmodel.ThedeterminationoftheevaluationindicatorsandtheactualcollectedmeasueddataoftheslopeofDexingcoppermineshowthatthematterelementmodelestablishedinthispaperissuitabletoconductstabilityevaluationoftheopen-pitslope.

Open-pitslope,Stabilityevaluation,Matter-elementmodel

2016-01-07)

江文武(1975—)，男，副教授，研究生導師，341000 江西省贛州市章貢區客家大道156號。