露天礦無人駕駛礦用卡車排土邊緣警戒線更新方法

樵永鋒，張 偉

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118000）

0 引言

現代工業(yè)體系當中，礦產的重要性無法代替，隨著工業(yè)體系的不斷發(fā)展以及完善，礦產以及礦產的開采對工業(yè)的影響已經越發(fā)凸顯。在我國礦產的開發(fā)力度不斷加大，作為一種開采優(yōu)勢較為顯著的形式，露天礦區(qū)依然存在爆破安全隱患、滑坡風險以及機械失靈等風險。

1 排土場分析

1.1 巖性分析

本文將露天礦區(qū)的巖體分為硬性、中硬以及軟性3種類型，該種分級的依據為巖體破碎難度較大時其穩(wěn)定程度較高，這一分級方法稱為普氏分級。這一標準當中作為參照的為巖石的堅硬度（f），這一系數的影響因素較多，目前普遍采用的計算標準為根據單項抗壓強度（σc）進行計算，計算公式如式（1）所示。

根據計算計算結果，礦區(qū)的巖體強度按如表1 所示進行劃分。

表1 礦區(qū)巖體強度等級

本文案例當中，大峰為硬巖，巖體強度大于15MPa；魏家峁為中硬巖，巖體強度在6MPa～15MPa；蒙東西二為軟巖，巖體強度不大于6MPa。

1.2 硬性排土場分析

大峰礦體露出的部分，由上至下分別為：4.97m 第四系巖層、33.99m 中侏羅系巖組、190.21m 下侏羅系巖組、上三疊系巖組。

礦區(qū)的排土場硬度較高，滑坡一般為圓弧滑坡的形式。案例礦區(qū)的內摩擦角度35°、黏聚力25kPa、每立方米重量1.86t。該礦區(qū)排土場的穩(wěn)定范圍為8 級以下地震、500kPa 以下動載荷加載[1]。

1.3 軟性排土場分析

蒙東西二的露出部分，表層為第四系圖層，西幫厚15～20m，東北幫厚5m 左右；第三系上新流的厚度約為50.22m，分布于整個礦區(qū)；底部厚443.92m 的勝利組、錫林組。礦區(qū)表層較為疏松部分的物理力學性質為：①亞砂土，視密度為1.73g/cm3、比重2.7g/cm3、自然抗壓為0.24MPa。②泥礫，亞砂土，視密度為1.97g/cm3、比重2.64g/cm3、自然抗壓為0.5MPa。其中五煤頂板、六煤頂板以及六煤的普氏系數分別為0.59、0.65、1.5。

1.4 中硬巖排土場分析

魏家峁的巖層呈現較為顯著的節(jié)理發(fā)育形態(tài)，礦區(qū)的剝離物當中，57%屬于黃土，43%屬于巖石，黃土部分每立方米重量1.97t，巖石部分每立方米的平均重量為2.35t，整體平均重量1.845t。該礦區(qū)的內摩擦角為23°。

在剝離物的處理方面，該礦區(qū)同樣采用了自動行駛卡車以及推土機聯合作業(yè)的形式，其中70%的剝離物推翻至排土場以下，30%的部分使用推土機直接推翻。其中夏季主要推土機單獨作業(yè)的比例提高，增長至50%[2]。

2 自動駕駛卡車后輪受力分析

2.1 車輛類型

礦區(qū)能夠實現自動駕駛的車輛屬于自卸卡車，為礦區(qū)專用的卡車類型，其載重普遍能夠達到20t 以上，該種類型的卡車根據使用的場景。

車輛的控制參數包括軸距、輪距以及長寬高等，質量的主要參數則包括滿額載重量、燃料以及防凍液等加滿未載重情況下車輛的空車質量。則滿額質量的計算公式如式（2）所示。

式中：ma——車輛重量；mo——整車整備質量；me——裝載質量；mf——駕駛員體重。

2.2 卸料機制

物料在松散堆積的情況下能夠自然形成的內摩擦角即為該類型物料的自然安息角，這一角度的大小對卸載能夠形成較為顯著的影響。自然安息角分為靜安息角以及動安息角，靜安息角即該類型的物料處于靜止狀態(tài)時保持的安息角，動安息角則為物料處于運動狀態(tài)下的安息角[3]。

2.3 質心分析

車輛卸載模型如圖1 時，其質心A 的坐標計算公式如式（3）和式（4）所示。

圖1 車輛傾斜模型

2.4 軸荷分配

根據牛頓定律可知車輛的滿額重量與車輛的前后輪所受的軸荷應當相等；根據杠桿原理則能夠確定車輛軸荷與該位置所受的反作用力必然相等。由此可知車輛的軸荷分配情況如圖2 所示。

圖2 車輛軸荷

根據上述模型得出式（5）和式（6）。

式中：G——滿額重量；F1——前輪軸荷；F2——后輪軸荷；OA——前輪距質心距離；OB——后輪距質心距離；g——重力加速度。

不同載重情況時車輛卸載時的后輪載荷情況分別為：載重32t，后輪載荷45.8t；載重91t，后輪載荷126.65t；載重220t，后輪載荷255.86t。

2.5 接地面積

車輛與地面接觸的輪胎形態(tài)不同的情況下，其輪胎所受載荷向地面?zhèn)鲗У男问揭约氨壤瑯哟嬖谳^大的差別，對其造成直接影響為輪胎與地面接觸的面積。

3 安全距離分析

3.1 穩(wěn)定性影響因素

通過極限分析的方法，能夠確定對排土場穩(wěn)定性有一定影響的因素如下。

（1）輪胎與地面的接觸形式，包括橢圓形、圓形以及矩形，其中矩形在高載重車輛中更為適用。

（2）載荷區(qū)域寬度，一般32t 卡車為0.36m，91t 為0.56m，220t 為0.78m。

（3）載荷大小方面，載荷區(qū)的增大能夠造成安全系數的降低，載荷寬度的增加對安全系數的影響較小，能夠忽略。

（4）載荷與坡頂距離增加時，安全系數能夠同步增長，載荷距離坡頂較近時變化較為明顯，距離較遠時變化較為輕微。

3.2 分析方法

（1）費倫紐斯法，不考慮兩側作用力，要求正應力以及剪應力與地面平行。

（2）簡化畢肖普法，忽略豎向作用，規(guī)定滑面切向力，則確定滑面危險圓心，使用4.5H 法，能夠通過極限分析對滑面的受力等情況進行范圍劃定。

3.3 極限分析

極限分析能夠根據極限平衡的直接求解或極限荷載、安全系數等分析進行，其中后者的使用較為普遍使用該種方法對極限的上下極進行計算，得到相對模糊的范圍值，即可得到極限的近似值。

3.4 坡頂載荷安全距離

計算極限的上限值時，首先需要假定：①排土場的巖土屬于優(yōu)質塑性材料的類型。②巖土滿足應力內外凸的屈服方程。③相關聯流動能夠作用于巖土。符合以上條件時，巖土的流程呈現剛性，在進行破壞計算時，確定巖土的內部能量損耗大于外部即可。

根據上述不同巖土臺階的高度，根據上段計算要求能夠確定，硬巖環(huán)境中內摩擦角應當為35°，黏聚力需要達到25kPa，單位立方米的重量應當為1.85t；中硬巖環(huán)境中內摩擦角應當為30°，黏聚力需要達到20kPa，單位立方米的重量應當為1.88t。

3.5 雨季、爆破安全距離

雨季持續(xù)性降雨造成的腐蝕影響，爆破過程中排土場的整體結構均能夠受到不同程度的破壞。雨季短時間內降水總量較大的情況下，排水速度無法滿足快速排水的需要，因此排土場邊緣在腐蝕的影響以及作用下可能出現松動的情況；爆破造成的振動以及振動波對排土場造成的整體性影響，導致排土場整體性結構出現一定程度的松動，邊緣區(qū)域出現松動以及掉落的情況[4]。因此為避免雨季以及爆破造成的排土場松動帶來的影響，任何露天礦區(qū)均不適于進行邊緣式的排土，而應當使用場地排土的形式，避免巖土松動帶來強度較低的危害。

4 FLAC3D 模擬分析

4.1 FLAC3D 概述

FLAC3D 是巖土分析使用的一款專業(yè)型的軟件，其能夠對相對復雜環(huán)境當中的坡體邊緣穩(wěn)定性情況進行分析。其內置的庫倫-摩爾模型能夠對巖土的邊坡等進行分析。在進行土坡極限平衡的計算式，需要遵循MohrˉCoulomb 準則，設定Fs 為安全系數，則滑面的抗剪強度與實際比值計算如式（7）所示。

強度折減時粘聚力C 與內摩擦角φ 均出現一定的折減，折減后的粘聚力以及內摩擦角反復計算后能夠獲得穩(wěn)定狀態(tài)的參數值。

4.2 軟性環(huán)境安全距離驗證

根據蒙東西二的實際情況，模型的左右高度分別為40m 以及20m，頂部以及底部的長度則分別為60m和107m，右側坡腳的距離為40m。荷載范圍的單元大小0.2m×2m×4m，其他為5m×2m×4m，共計1550 個單元體，2276 個節(jié)點。

4.3 中硬環(huán)境安全距離驗證

根據實際情況，模型的左右高度分別為50m 以及25m，頂部以及底部的長度則分別為60m 和167m，右側坡腳的距離為75m。通過模型模擬結果可知，32t 車輛最大剪應力為0.0014MPa，最大位移0.8cm，安全系數1.32，不存在滑坡的風險，且安全距離符合要求；91t 車輛的安全系數為1.35，荷載區(qū)的最大剪應力為9×10-4MPa，為形成完整的貫穿區(qū)，坡面位移為1.6cm，存在一定的局部滑坡的風險，安全距離合理[5]。

4.4 硬性環(huán)境安全距離驗證

根據大峰的實際情況，模型的左右高度分別為64m 以及32m，頂部以及底部的長度則為80m 和196m，右側坡腳的距離為75m。通過模型模擬結果可知，32t 車輛的最大剪應力1.2×10-3MPa，最大位移0.1cm，安全系數1.33，無滑坡風險，安全距離合理；91t車輛最大剪應力6.0×10-3MPa，安全系數1.37，無滑坡風險，安全距離合理；220t 車輛位移1.7cm，安全系數1.3，安全系數1.37，無滑坡風險。

5 結語

警戒線的確定以及更新，需要根據車輛的載重、所處礦區(qū)的巖體硬度作為基礎參考因素確定。本文選擇3個典型礦區(qū)進行分析，為如何實現更新提供了一定的參考。