樵永鋒，張 偉

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118000）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)體系當(dāng)中，礦產(chǎn)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(chǎn)以及礦產(chǎn)的開采對工業(yè)的影響已經(jīng)越發(fā)凸顯。在我國礦產(chǎn)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(fēng)險以及機械失靈等風(fēng)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中作為參照的為巖石的堅硬度（f），這一系數(shù)的影響因素較多，目前普遍采用的計算標(biāo)準(zhǔn)為根據(jù)單項抗壓強度（σc）進行計算，計算公式如式（1）所示。

根據(jù)計算計算結(jié)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(dāng)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(nèi)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(xué)性質(zhì)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(shù)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(xiàn)較為顯著的節(jié)理發(fā)育形態(tài)，礦區(qū)的剝離物當(dāng)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(nèi)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(lián)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?qū)崿F(xiàn)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(jù)使用的場景。

車輛的控制參數(shù)包括軸距、輪距以及長寬高等，質(zhì)量的主要參數(shù)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(zhì)量。則滿額質(zhì)量的計算公式如式（2）所示。

式中：ma——車輛重量；mo——整車整備質(zhì)量；me——裝載質(zhì)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(nèi)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?fàn)顟B(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(zhì)心分析

車輛卸載模型如圖1 時，其質(zhì)心A 的坐標(biāo)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(jù)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(yīng)當(dāng)相等；根據(jù)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(jù)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(zhì)心距離；OB——后輪距質(zhì)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?dǎo)的形式以及比例同樣存在較大的差別，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?qū)挾?，一?2t 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(shù)的降低，載荷寬度的增加對安全系數(shù)的影響較小，能夠忽略。

（4）載荷與坡頂距離增加時，安全系數(shù)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(cè)作用力，要求正應(yīng)力以及剪應(yīng)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(jù)極限平衡的直接求解或極限荷載、安全系數(shù)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(zhì)塑性材料的類型。②巖土滿足應(yīng)力內(nèi)外凸的屈服方程。③相關(guān)聯(lián)流動能夠作用于巖土。符合以上條件時，巖土的流程呈現(xiàn)剛性，在進行破壞計算時，確定巖土的內(nèi)部能量損耗大于外部即可。

根據(jù)上述不同巖土臺階的高度，根據(jù)上段計算要求能夠確定，硬巖環(huán)境中內(nèi)摩擦角應(yīng)當(dāng)為35°，黏聚力需要達到25kPa，單位立方米的重量應(yīng)當(dāng)為1.85t；中硬巖環(huán)境中內(nèi)摩擦角應(yīng)當(dāng)為30°，黏聚力需要達到20kPa，單位立方米的重量應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)均能夠受到不同程度的破壞。雨季短時間內(nèi)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(xiàn)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(dǎo)致排土場整體性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的松動，邊緣區(qū)域出現(xiàn)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(yīng)當(dāng)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?qū)ο鄬?fù)雜環(huán)境當(dāng)中的坡體邊緣穩(wěn)定性情況進行分析。其內(nèi)置的庫倫-摩爾模型能夠?qū)r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(zhǔn)則，設(shè)定Fs 為安全系數(shù)，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(nèi)摩擦角φ 均出現(xiàn)一定的折減，折減后的粘聚力以及內(nèi)摩擦角反復(fù)計算后能夠獲得穩(wěn)定狀態(tài)的參數(shù)值。

4.2 軟性環(huán)境安全距離驗證

根據(jù)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(cè)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(jù)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(cè)坡腳的距離為75m。通過模型模擬結(jié)果可知，32t 車輛最大剪應(yīng)力為0.0014MPa，最大位移0.8cm，安全系數(shù)1.32，不存在滑坡的風(fēng)險，且安全距離符合要求；91t 車輛的安全系數(shù)為1.35，荷載區(qū)的最大剪應(yīng)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(fēng)險，安全距離合理[5]。

4.4 硬性環(huán)境安全距離驗證

根據(jù)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(cè)坡腳的距離為75m。通過模型模擬結(jié)果可知，32t 車輛的最大剪應(yīng)力1.2×10-3MPa，最大位移0.1cm，安全系數(shù)1.33，無滑坡風(fēng)險，安全距離合理；91t車輛最大剪應(yīng)力6.0×10-3MPa，安全系數(shù)1.37，無滑坡風(fēng)險，安全距離合理；220t 車輛位移1.7cm，安全系數(shù)1.3，安全系數(shù)1.37，無滑坡風(fēng)險。

5 結(jié)語

警戒線的確定以及更新，需要根據(jù)車輛的載重、所處礦區(qū)的巖體硬度作為基礎(chǔ)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(xiàn)更新提供了一定的參考。