一种矿山边坡稳定性分区的计算方法与流程

本发明涉及一种矿山边坡分区方法，具体涉及一种矿山边坡稳定性分区的计算方法，属于矿山开采。

背景技术：

1、金属矿山露天开采必将形成长大的高陡边坡，大型金属露天矿山开采边坡长达数公里，高达几百米，有些甚至超过千米，矿山开采边坡的安全稳定性问题一直是露天采矿重点关注的课题。工程地质分区对边坡稳定性研究具有实用价值，通过对金属露天矿山工程地质分区，可以有效了解区域内的地质条件，为边坡稳定性分析和地质灾害防治提供重要的依据。通常情况下边坡稳定性计算分区是在大量边坡调查资料上凭借分区者的工程经验完成，具有一定的主观性，其分类方法具有非标准化、非量化的特点，不同工作者分区结果相差较大，以往分区方法不仅难以标准化推广，而且对于缺乏经验的工作者，可能导致分区过多引起繁重的计算工作和不必要的工程投入，也可能导致分区过少，计算结果代表性不足，导致原本危险的边坡区域漏掉了分析，给采矿生产带来重大安全隐患。

2、现有技术中，在对边坡工程地质充分调查和分析的基础上，依据边坡高度、岩体结构特征、水文地质条件、边坡的破坏模式等，根据个人经验对边坡工程进行地质分区。或者采用数学分析方法，如：人工选取影响边坡工程计算分区的因素，采用层次分析法进行分类，但选取的影响因素不统一，分类的数量缺乏判别标准，本质上仍然属于经验法范畴，因此具有经验法的缺点，不利于标准化、科学化推广应用。

3、形成适合金属矿山露天开采边坡稳定性标准化分区的计算方法，提高边坡稳定性计算分析结果可靠性，是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中，对于矿山边坡稳定性分区依据人工经验进行分区计算带来的技术问题，本发明提供了一种矿山边坡稳定性分区计算的标准化定量分析方法，把影响边坡稳定性计算分区的因素定量化、标准化，设计了适合于矿山边坡稳定性分区计算的统一量化方法，归纳了11个影响金属露天矿山边坡稳定性计算的因素，提出了按多维空间归一化距离划分稳定性分区计算法，定义了分区数判别标准，选取s-c曲线拐点对应的分区数作为边坡稳定性分区计算数量，由此确定出最终分区。将分区数量的确定明确化，消除经验法带来的偏差，减少边坡工程不必要的工程地质勘查工作，提高边坡稳定性计算剖面的代表性，消除因计算剖面选择不当带来的边坡稳定性判别结果失真现象。

2、根据本发明提供的实施方案，提供一种一种矿山边坡稳定性分区的计算方法。

3、一种矿山边坡稳定性分区的计算方法，该方法包括以下步骤：

4、(1)选择边坡稳定性分区的影响因素xj；

5、(2)在拟定开采的矿山境界范围内，根据矿山的勘探线选取样品点i；构建包含影响因素的原始样品点影响因素xi，j，并对样品点i的位置做好标记；

6、(3)对步骤(2)构建的原始样品点影响因素xi，j进行正规化处理，得到正规化的样品点影响因素xi，j’；

7、(4)计算样品点之间影响因素的距离di～i’，形成原始样品点距离矩阵d0；

8、(5)将步骤(4)的原始样品点距离矩阵d0中，距离最小的两个正规化的样品点影响因素xi，j’进行合并，获得新样品点影响因素xi，j’,new；并将该两个正规化的样品点影响因素对应的样品点分为一组，为合并后的样品点；

9、(6)定义判别标准：计算判别因子s，s为组内合并后的新样品点影响因素xi，j’,new与其他正规化的样品点影响因素xi，j’之间距离的平方和；

10、(7)按照步骤(4)的方法计算合并后样品点的新样品点影响因素xi，j’,new与其他样品点的正规化样品点影响因素xi，j’间的距离，构成新的距离矩阵d1；

11、(8)重复步骤(5)至步骤(7)，每合并一次，形成一个新的分组，计算不同分组时的判别因子s；直至计算出所有样品点合并为一个组的判别因子s；

12、(9)作出不同分组时判别因子s与对应分组数的曲线图，寻找曲线图上斜率的变化拐点，拐点对应的分组数为最佳分组数，分组数对应的分组情况为样品点的最佳稳定性分区。

13、在本发明中，步骤(1)中所述影响因素xj为矿山的勘探线剖面的物理参数；j∈[1，11]；影响因素xj包括：

14、x1：边坡高度，勘探线剖面边坡高度实际值，m；

15、x2：边坡破坏类型，其取值为：平面破坏为1、楔体破坏为2、圆弧破坏为3、倾倒破坏为4，无量纲；

16、x3：边坡形态，其取值为：线性边坡为1、凸边坡为2、凹边坡为3，无量纲；

17、x4：水文地质条件，勘探线剖面与矿山水位线之间的距离与边坡高度实际值x1的比值，无量纲；

18、x5：样品点所在勘探线剖面上，矿山边坡内，岩体内聚力面积加权平均值，mpa；

19、x6：样品点所在勘探线剖面上，矿山边坡内，岩体内摩擦角面积加权平均值，°；

20、x7：边坡主要岩性组数量，勘探线剖面内的岩性组数量，组；

21、x8：边坡曲率影响，其取值为：有曲率影响取1，无曲率影响取2，无量纲；

22、x9：是否存在构造层，其取值为：有构造层取1，无构造层取2，无量纲；

23、x10：主要结构面与边坡的关系，其取值为：顺坡取1，反坡取2，无量纲；

24、x11：边坡影响范围内是否有附加荷载，其取值为：有附加荷载取1，无附加荷载取2，无量纲。

25、在本发明中，步骤(2)中构建包含影响因素的原始样品点影响因素xi，j，选取n个样品点，i∈[1，n]。

26、作为优选，在拟定开采的矿山境界范围内，通过对矿山进行勘探，有m条勘探线，每一条勘探线的剖面上至少设有一个样品点；即m≥n。

27、在本发明中，步骤(3)中所述正规化处理具体为：

28、

29、其中：xi，j’为第i个样品点、第j个影响因素的正规化样品点影响因素；xi，j为第i个样品点、第j个影响因素的原始样品点影响因素；n为样品点数量；i为样品号；j为影响因素；min为最小值；max为最大值。

30、在本发明中，步骤(4)具体为：

31、(401)计算样品点之间影响因素的距离di～i’，具体为：

32、

33、其中：di～i’为第i个样品点与第i’个样品点的影响因素的距离di～i’；i和i’为样品号；j为影响因素；xi，j’为第i个样品点、第j个影响因素的正规化样品点影响因素；xi,,j’为第i’个样品点、第j个影响因素的正规化样品点影响因素；i’∈[1，n]；

34、(402)构建原始样品点距离矩阵d0，具体为：根据计算获得的样品点之间影响因素的距离di～i’，形成距离矩阵d0；

35、

36、在本发明中，步骤(5)中获得新样品点影响因素xi，j’,new具体为：将步骤(4)的原始样品点距离矩阵d0中，距离最小的两个正规化的样品点影响因素xi，j’采用距离平均法进行合并；

37、

38、其中：i和i’为原始样品点距离矩阵d0中影响因素的距离最小的两个样品点。

39、在本发明中，步骤(6)中判别因子s：

40、

41、其中：c为分组数，c∈[1，n]。

42、在本发明中，步骤(7)中新的距离矩阵d1：

43、

44、在本发明中，步骤(8)中计算不同分组时的判别因子s：重复步骤(5)至步骤(7)，每重复一次，形成一个新的分组，每个分组计算获得一个判别因子s，一共形成n种分组情况，n种不同分组对应的判别因子s。

45、在本发明中，步骤(9)中，根据n组分组情况和对应的判别因子s，绘制判别因子s与对应分组数的曲线图，曲线图上斜率拐点对应的分组数为最佳分组数，分组数对应的分组情况为样品点的最佳稳定性分区。

46、作为优选，该方法还包括步骤(10)：根据步骤(5)至步骤(8)的分组计算过程，作出树状图谱；根据步骤(9)计算得到的最佳分组数，在树状图谱上相应组数位置做水平线，水平线以下的分组数量即为分区数量，水平线以下的组内的样品点组合即为最佳的矿山边坡稳定性分区。

47、根据本发明提供的第二种实施方案，将第一种实施方案中所述的计算方法用于计算露天矿山边坡稳定性分区计算。

48、本发明提供的技术方案针对矿山边坡稳定性分区计算时采用经验法造成的分区结果差别大，可能引起漏掉危险性区域的问题，分区无统一量化方法，计算分区数量难以确定的问题。设计了适合于金属露天矿山边坡稳定性计算分区的统一量化方法，归纳了11个影响金属露天矿山边坡稳定性计算的因素，提出了按多维空间归一化距离划分稳定性计算分区法，定义了分区数判别标准(计算判别因子)，选取s-c曲线拐点对应的分区数作为边坡稳定性计算分区数量，由此确定出最终分区。

49、本发明通过确定影响矿山边坡的影响因素，将影响因素结合归一化方法，确定了分区方法、矿山区的分区数。在本发明中，首先确定影响矿山边坡稳定的11个影响因素，通过影响因素、选择归一化方法，得出矿山边坡稳定性分区的方法和具体的分区数。

50、在本发明中，影响因素x1为为样品点所在勘探线剖面边坡的实际高度值，根据勘探可以获得。

51、影响因素x2为矿山实际开采时，样品点所在为剖面开采对边坡的破坏类型；如果是平面开采，取值为1；如果是程楔体开采，取值为2；如果是圆弧形状开采，取值为3，如果无规则开采，可能造成在样品点位置的边坡倾倒性破坏，取值为4。

52、影响因素x3为样品点所在位置的边坡形态。所述边坡形态包括线性边坡、凸边坡、凹边坡；根据矿山边坡的外表形态即可获知。如果是线性边坡取值为1、如果是凸边坡取值为2、如果是凹边坡取值为3。

53、影响因素x4为样品点所在位置边坡的水文地质条件。所述水文地质条件是指边坡内岩体中心位置(勘探线剖面位置)与整个矿山水位线之间的距离比例。其值等于样品点所在位置勘探线剖面与整个矿山水位线之间的距离÷边坡高度实际值x1的比值。

54、影响因素x5为样品点所在勘探线剖面位置上，矿山边坡内，岩体内聚力面积加权平均值。所述岩体内聚力是指矿山内粘土颗粒之间的胶结作用和静电引力产生的作用力。影响因素x5的值为该位置内，岩体内聚力基于勘探线剖面所在位置矿山边坡的面积加权平均值。岩体内聚力可以通过矿山取样，在实验室内检测该位置岩体的岩体内聚力，然后测量样品点所在勘探线剖面位置的矿山边坡面积，计算获得岩体内聚力基于面积的加权平均值。

55、影响因素x6为样品点所在勘探线剖面位置上，矿山边坡内，岩体内摩擦角面积加权平均值。所述岩体内摩擦角是指岩石破坏极限平衡时剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力形成的夹角。影响因素x5的值为该位置内，岩体内摩擦角基于勘探线剖面所在位置矿山边坡的面积加权平均值。岩体内摩擦角可以通过矿山取样，在实验室内检测该位置岩体的岩体内摩擦角，然后测量样品点所在勘探线剖面位置的矿山边坡面积，计算获得岩体内摩擦角基于面积的加权平均值。

56、影响因素x7为样品点所在位置勘探线剖面内的岩性组数量。所述岩性组是指岩性在横向、纵向上的组合排列关系。根据该矿山的岩性图可获得。

57、影响因素为x8为样品点所在位置边坡是否有曲率影响。有曲率影响取值为1，无曲率影响取值为2。所述曲率影响是指边坡的平直程度；如果边坡的横向为直线，表示无曲率影响；如果边坡在横向方向上弯曲，表示有曲率影响。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。

58、影响因素x9为样品点所在位置矿山是否有构造层。有构造层取值为1，无构造层取值为2。所述构造层为是指矿山在一定的构造发展阶段中所形成的地质体的组合。构造层具有一定的构造形态，一定的沉积建造、岩浆建造、变质建造及有关矿产；如果存在构造层，相邻构造层以区域性不整合或假整合接触。

59、影响因素x10为样品点所在位置矿山的整体结构与边坡的关系。顺坡取值为1，反坡取值为2。所述顺坡为纵向坡度向外的边坡。所示反坡为纵向坡度向内的边坡。

60、影响因素x11为样品点所在位置的边坡影响范围内是否有附加荷载。有附加荷载取值为1，无附加荷载取值为2。所述附加荷载是指样品点所在位置的边坡影响范围内的构筑物、建筑物等能够产生的附加荷载。

61、在本发明中，样品点选取在矿山勘探线的剖面上。作为优选，每一条勘探线上至少选取一个样品点。

62、在本发明中，通过对样品点影响因素进行正规化处理，考虑到不同样品点的单位不同，取值范围不同，为了消除不同单位和不同取值范围的影响，将数值进行正规化处理，便于后续采用归一化方法的准确性。

63、在本发明中，运用归一化处理方法，通过计算各样品点影响因数之间的距离，构建距离矩阵，然后计算距离矩阵中各样品点影响因数之间的距离平方和，获得一个判别因子。然后将距离矩阵中距离最小的两个影响因素合并(样品点合并成一组)，再计算合并后样品点的影响因素与其他样品点影响因素之间的距离，构建新的距离矩阵，然后计算新的距离矩阵中各样品点影响因数之间的距离平方和，获得第二个判别因子。……迭代合并、计算样品点的影响因子，获得与样品点数相同的n影响因子，也对应获得n种分组(样品点组合，即分期)情况。n个判别因子与n种分组(分区)情况对应，绘制判别因子-分组数的曲线图，通过曲率变化获得曲率拐点，曲率拐点对应的分组数即为最佳分组数，曲率拐点对应分组数内的样品点分组情况即为最佳稳定性分区情况(根据影响因素距离的不断迭代，按照计算分组合并的样品点情况即为组内合并样品点的情况，合并为一组的样品点即为同一个分区)。

64、在本发明中，通过绘制判别因子s-分组数c的曲线图，可以得出不同分组情况下，组内判别因子s(影响因素距离的平方和)的变化趋势。如果变化趋势较大，说明该分组情况的分区代表性较差，基于该分组情况下的分区不利于矿山开采的边坡稳定性。如果曲率变化趋势(曲率变化率)较小，说明继续分组，不会改变组内判别因子s(影响因素距离的平方和)的变化趋势；即，目前的分组情况足以在满足矿山边坡稳定性的情况下代表整个边坡，代表性足够。如果继续增加分组，代表性有所增加；但是矿山开采的分区目标是满足边坡稳定性的前行下，尽量减少分区，从而节约开采成本和提高开采效率。

65、采用本发明提供的矿山边坡稳定性分区的计算方法，通过判别因子s-分组数c的曲线图，获得该曲线图的曲率变化拐点，低于拐点的分组数说明代表性不够，采用低于拐点的分组数不利于矿山边坡的稳定性开采；拐点对应的分组数足以满足矿产稳定性开采的分区要求；高于拐点对应的分组数的分组，将大大提高开采成本和影响开采效率，失去分区计算的意义。

66、在本发明的优选方案中，可以在计算各样品点影响因数之间的距离、合并距离最近的样品点、形成新的距离矩阵、迭代计算时，根据每一次合并的情况，绘制树状图谱，可以清晰的看出合并情况、分组情况，在迭代计算中，从树状图谱可以清晰的得出分组数和组内样品点的组合情况。然后根据判别因子-分组数的曲线图，得出最佳分组数，根据分组数在树状图谱中得到对应的分组情况(组内样品点的组合情况)，即可直接得出基于稳定性的矿山开采分区情况。根据计算获得的分区情况，按照样品点对应的位置和组合，进行区域划分，然后按区域进行开采。

67、与现有技术相比较，本发明提出的技术方案具有以下有益技术效果：

68、1、本发明的技术方案将工程师对矿边坡稳定性分区计算的经验量化、统一，构建了矿山边坡稳定性分区计算模型，提出了统一的方法，将边坡分区明确确定，提高了分区计算的准确性，加深了对矿山边坡稳定性分区计算的认识，提高了分区计算的准确性，降低了边坡稳定性分析风险。

69、2、采用本发明的技术方案，减少边坡工程不必要的工程地质勘查工作，提高边坡稳定性计算剖面的代表性，消除了因计算剖面选择不当带来的边坡稳定性判别结果失真现象。

70、3、将本发明的技术方案用于金属露天矿边坡稳定性分区，准确性和可靠性大大由于人工经验或现有技术中的稳定性分区计算方法。