專利名稱：一種優(yōu)化露天礦山邊坡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于露天礦山邊坡工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于GIS的三維極限平衡分析方法。
背景技術(shù)：
對大型露天礦山，提高邊坡角是充分回收資源、減少剝離量、降低生產(chǎn)成本的重要手段?，F(xiàn)階段的邊坡穩(wěn)定性分析和優(yōu)化廣泛采用二維極限平衡分析方法，忽略了邊坡的三維效應(yīng)，結(jié)果一般偏于保守而增加工程造價。研究表明，在同樣的條件下，邊坡的三維安全系數(shù)比二維安全系數(shù)大10-30％。此外，邊坡的穩(wěn)定性問題取決于呈復(fù)雜空間分布狀態(tài)的地形、地層、巖土力學(xué)參數(shù)及地下水等因素，但這些信息很難在一般邊坡穩(wěn)定性分析程序中得到有效的分析管理及數(shù)據(jù)更新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對我國露天礦山邊坡最終邊坡角國內(nèi)比國外低約5度的實際情況，考慮邊坡的三維效應(yīng)，目的是利用能提供一個公用平臺來處理復(fù)雜空間信息的地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，對邊坡進行優(yōu)化，減少剝巖量，降低生產(chǎn)剝采比。
GIS是一個進行數(shù)據(jù)捕獲、輸入、操作、轉(zhuǎn)換、可視化、合并、檢索、分析、模型化及輸出的系統(tǒng)。GIS提供一種多功能的工具進行空間數(shù)據(jù)分析和表現(xiàn)，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)均存儲于空間數(shù)據(jù)庫中，大大縮短了數(shù)據(jù)準備和處理的時間，并且GIS能處理來自不同數(shù)據(jù)源的信息，GIS數(shù)據(jù)形式成為空間數(shù)據(jù)處理的較好的基本數(shù)據(jù)形式。
盡管許多工程師和研究人員都知道GIS技術(shù)，但其強大的分析能力和潛能還未被深知。大多相關(guān)的研究及應(yīng)用局限于大區(qū)域(小比例尺)的課題，如土地利用分析、區(qū)域環(huán)境分析及流域水文分析等。實際上在小規(guī)模(大比例尺)的工程中的應(yīng)用也是可能的。
對于邊坡三維問題，其穩(wěn)定性取決于復(fù)雜空間分布的地形、地層、巖土力學(xué)參數(shù)及地下水等因素，但這些空間分布的信息很難在一般的邊坡穩(wěn)定分析程序中進行有效的分析管理，數(shù)據(jù)的更新也十分繁瑣。而GIS恰好提供了一個公用的平臺來處理這些復(fù)雜的空間信息。
本發(fā)明基于COM(Component Object Model)技術(shù)開發(fā)一個GIS擴展模塊，采用Hovland三維模型、Hungr三維模型、二維Janbu模型的三維擴展Hungr三維模型、Lam和Fredlund三維模型、陳祖煜三維模型。這幾個模型均是基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的算法，這樣便于數(shù)據(jù)更新和比較分析研究。
本發(fā)明包括邊坡的GIS數(shù)據(jù)模型的建立、基于GIS的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡分析模型的建立、基于GIS三維模型的算法實現(xiàn)與邊坡優(yōu)化。
GIS擴展模塊可以鑲嵌在GIS軟件ArcGIS(ESRI的GIS的軟件)中運行，也可以鑲嵌到其它基于COM技術(shù)的GIS軟件。由于ArcGIS本身也是基于COM技術(shù)(ArcObjects)開發(fā)的，因此可以用任何COM開發(fā)語言在GIS中開發(fā)各種專業(yè)擴展模塊。其所有的數(shù)據(jù)處理均在ArcGIS中處理，只是最終的邊坡三維安全系數(shù)計算利用擴展模塊。
Hovland的三維模型，在其中考慮地震荷載的作用。該模型假定各柱體單元側(cè)邊的受力為零，雖然有其局限性和誤差，但由于其三維安全系數(shù)可以直接計算，其計算結(jié)果作為其它模型的初始值將大大提高迭代計算的效率。
Hungr于1987提出的二維Bishop模型的三維擴展模型。由于安全系數(shù)是隱式的，需要進行迭代計算。
Hungr于1989提出的二維Janbu模型的三維擴展模型，同樣需要進行迭代計算。
Lam和Fredlund于1993提出的三維模型，用該模型的計算方法可以將二維Spencer模型及二維Morgenstern-Price模型擴展為三維模型。
陳祖煜等開發(fā)的三維模型，該模型可以說是二維Spencer模型的三維擴展。同樣需要進行迭代計算。
由于所有模型均是基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的算法，安全系數(shù)計算所需的輸入數(shù)據(jù)為統(tǒng)一的，所以多個模型的比較計算基本不會影響計算時間。
運用基于GIS的邊坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析方法對不同的邊坡方案進行比較，則安全系數(shù)最小但大于1.15的方案為最優(yōu)方案。
采用基于GIS的三維極限平衡分析方法，是礦山減少剝巖量，增大最終邊坡角，降低采礦成本、提高經(jīng)濟效益的切實可行的有效途徑之一，具有廣泛應(yīng)用前景。
本發(fā)明對采場邊坡進行優(yōu)化，可以大幅度減少剝巖量，降低生產(chǎn)剝采比。


圖1.等高線和(或)標高點轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)形式，圖1a表示從等高線或三維線及三維多邊形和(或)標高點轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)形式的示意圖。圖1b表示一實際地塊與柵格數(shù)據(jù)的關(guān)系。
圖2.實際邊坡和其GIS數(shù)據(jù)集圖3.滑體的三維圖及某一柱體的三維結(jié)構(gòu)4.計算程序流程5.邊坡穩(wěn)定三維分析模型與ArcGISTM統(tǒng)合概念6.一個三維模型用于邊坡安全系數(shù)計算的具體流程圖點為1，等高線為2，插值為3，柵格數(shù)據(jù)為4，柵格數(shù)據(jù)集為5，實際滑體為6，抽象為GIS數(shù)據(jù)層為7，地面為8，斷層面為9，層面2為10，層面1為11，地下水為12，滑面為13，矢量數(shù)據(jù)層為14，柵格數(shù)據(jù)集為15，空間分析為16，地層1為17，地層2為18，地層3為19，地層4為20，地表為21。
具體實施例方式
某露天鐵礦的最大凹陷開采深度為430m(-350m水平)，最終邊坡最大垂直高度為660m。一方面，提高邊坡角是充分回收資源、降低生產(chǎn)成本、增加開采效益的重要手段之一。對大型露天礦，邊坡角提高1°，就可減少剝離量數(shù)千萬噸，經(jīng)濟效益十分顯著。另一方面，隨著邊坡的加高加陡，開采難度和采場破壞概率越來越大，開采安全性越來越差。為了解決這一對矛盾，必須進行邊坡設(shè)計優(yōu)化研究，在保證安全的前提下，盡可能提高邊坡角，減少剝離量。
該礦邊坡的優(yōu)化采用基于GIS的三維極限平衡分析方法，即建立GIS數(shù)據(jù)模型→建立基于GIS的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡分析模型→基于GIS三維模型的算法實現(xiàn)→邊坡優(yōu)化。具體表現(xiàn)為1、GIS數(shù)據(jù)模型主要建立與邊坡穩(wěn)定性相關(guān)的工程地質(zhì)、地理條件及水文地質(zhì)信息等在GIS中的表現(xiàn)形式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及空間數(shù)據(jù)分析的方法等。地層、結(jié)構(gòu)面和地下水位等與邊坡相關(guān)的信息在GIS中通過GIS數(shù)據(jù)層來表示的，它們可以是柵格數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)的三種基本形式是點線面(Point，Line，Polygon)，其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。每一種幾何形式在GIS中可以有其特有的圖象表現(xiàn)形式，如可以用一條蘭色的線來表示一條河流，也可以用一塊蘭色的面集(Polygon)來表現(xiàn)河流的邊界線。利用GIS空間分析功能，矢量數(shù)據(jù)均可以轉(zhuǎn)化為基于某一屬性的柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)是用均勻分割的柵格來表示的，一個柵格數(shù)據(jù)集代表一個屬性值，如高程等。對于一個邊坡，可以用一組柵格數(shù)據(jù)集分別表示地面高程、各地層、不連續(xù)面、地下水及物理力學(xué)參數(shù)等。
用地形的柵格數(shù)據(jù)來說明GIS柵格數(shù)據(jù)模型。數(shù)值地形(DEM)的柵格數(shù)據(jù)形式是將連續(xù)的地表標高用均勻分布的微小柵格單元來表示，一個柵格有一個標高值，即在一個柵格范圍內(nèi)用一個正方形平面代表一塊地表面。當柵格單元足夠小時，這種柵格數(shù)據(jù)形式即可代表復(fù)雜的連續(xù)的地表面形狀。一般來說，最初得到的地面標高數(shù)值往往表現(xiàn)為等高線和(或)標高點，在GIS中這兩種形式的標高數(shù)值可以很方便地轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)形式，如圖1。如果等高線和(或)標高點的精度和密度足夠，可以直接生成TIN(Triangleated Irregular Network)后轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)形式；而對于原始數(shù)據(jù)本身不足而又希望獲得連續(xù)的地表面時可采用GIS中提供的多種插值方法插值后形成柵格數(shù)據(jù)。在柵格數(shù)據(jù)模型中，用柵格單元的值來代表一種屬性。一般來說，柵格數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的單元大小，單元的方向由X-Y軸決定，單元的邊界平行于X-Y軸，柵格呈現(xiàn)正方形。柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用單元大小、行列數(shù)和左下角的坐標來描述。
2、基于GIS的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡分析模型對于一個實際邊坡如圖2所示，采用GIS空間分析功能，所有的輸入數(shù)據(jù)(如地面標高、傾斜方向、傾斜角、地下水、地層面、滑動面及呈現(xiàn)空間分布的物理力學(xué)參數(shù))均可以轉(zhuǎn)化為柵格單元的形式。因此如果采用一個基于柱體單元的三維模型，就可以推導(dǎo)出一個基于柵格數(shù)據(jù)的三維模型來計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。如圖3所示，用一個三維柵格柱體單元(對應(yīng)于每一個柵格單元)可以描述地面、地層、滑動面等各類與穩(wěn)定性分析有關(guān)的地理地質(zhì)信息。
3、基于GIS三維模型的算法實現(xiàn)上述的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡模型的算法均在一個基于GIS的程序中得以實現(xiàn)。具體操作步驟如圖4。該程序基于COM技術(shù)開發(fā)完成。其用戶界面表現(xiàn)為一GIS軟件的擴展模塊，這樣一來數(shù)據(jù)處理可以直接利用GIS功能。所有與邊坡有關(guān)的空間分布信息均抽象為GIS柵格數(shù)據(jù)層，利用多個三維模型可以比較計算邊坡三維安全系數(shù)。另外，用一個Polygon數(shù)據(jù)集來表示滑體的范圍，地震水平加速度系數(shù)和加固效果的水平方向總力保存在其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)中?；嫔系牧W(xué)參數(shù)采用Polygon數(shù)據(jù)集來表示，對于不同的力學(xué)參數(shù)分區(qū)，可用不同的Polygon來表示。
該法可使各地質(zhì)分區(qū)總體邊坡角分別提高1°～6°，可減少剝巖量3000多萬噸，此外，根據(jù)分析結(jié)果，提出的合理的邊坡設(shè)計方案和穩(wěn)定性維護措施，司保證礦山開采過程中邊坡的穩(wěn)定，避免由于邊坡失穩(wěn)造成的停產(chǎn)和安全事故損失，提高生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于優(yōu)化采用基于GIS的三維極限平衡分析方法，即建立GIS數(shù)據(jù)模型→建立基于GIS的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡分析模型→基于GIS三維模型的算法實現(xiàn)→邊坡優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于GIS的三維極限平衡分析方法采用了Hovland三維模型、Hungr三維模型、二維Janbu模型的三維擴展Hungr三維模型、Lam和Fredlund三維模型、陳祖煜三維模型；Hovland的三維模型，在其中考慮地震荷載的作用，模型假定各柱體單元側(cè)邊的受力為零，其三維安全系數(shù)可以直接計算，其計算結(jié)果作為其它模型的初始值；Hungr三維模型是二維Bishop模型的三維擴展；二維Janbu模型的三維擴展，是Hungr(1989)提出的；Lam和Fredlund三維模型，是1993提出的，可以將二維Spencer模型及二維Morgenstern-Price模型擴展為三維模型；陳祖煜三維模型，是二維Spencer模型的三維擴展。
3.如權(quán)利要求1或2所述優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于本發(fā)明基于COM技術(shù)開發(fā)一個GIS擴展模塊，GIS擴展模塊鑲嵌在GIS軟件ArcGIS中運行。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于與邊坡穩(wěn)定性相關(guān)的工程地質(zhì)、地理條件及水文地質(zhì)信息在GIS數(shù)據(jù)模型中的表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及空間數(shù)據(jù)分析的方法等；地層、結(jié)構(gòu)面和地下水位等與邊坡相關(guān)的信息在GIS中是通過GIS數(shù)據(jù)層來表示的，它們可以是柵格數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)的三種基本形式是點線面，其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，每一種幾何形式在GIS中可以有其特有的圖象表現(xiàn)形式；利用GIS空間分析功能，矢量數(shù)據(jù)均可以轉(zhuǎn)化為基于某一屬性的柵格數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)是用均勻分割的柵格來表示的，一個柵格數(shù)據(jù)集代表一個屬性值，對于一個邊坡，可以用一組柵格數(shù)據(jù)集分別表示地面高程、各地層、不連續(xù)面、地下水及物理力學(xué)參數(shù)等。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于采用GIS空間分析功能，所有的地面標高、傾斜方向、傾斜角、地下水、地層面、滑動面及呈現(xiàn)空間分布的物理力學(xué)參數(shù)輸入數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為柵格單元的形式，對應(yīng)于每一個三維柵格柱體單元可以用來描述一種地面、地層、滑動面等各類與穩(wěn)定性分析有關(guān)的地理地質(zhì)信息。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，其特征在于邊坡穩(wěn)定三維極限平衡模型的算法均在一個基于GIS的程序中得以實現(xiàn)，該程序基于COM技術(shù)開發(fā)完成，其用戶界面表現(xiàn)為一GIS軟件的擴展模塊，數(shù)據(jù)處理可以直接利用GIS功能，所有與邊坡有關(guān)的空間分布信息均抽象為GIS柵格數(shù)據(jù)層，利用多個三維模型比較計算邊坡三維安全系數(shù)。
全文摘要
一種優(yōu)化露天礦山邊坡的方法，屬于露天礦山邊坡工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由建立GIS數(shù)據(jù)模型起→建立基于GIS的邊坡穩(wěn)定三維極限平衡分析模型→基于GIS三維模型的算法實現(xiàn)→邊坡優(yōu)化，采用GIS空間分析功能，將與邊坡穩(wěn)定性相關(guān)的工程地質(zhì)、地理條件及水文地質(zhì)信息在GIS數(shù)據(jù)模型中的表現(xiàn)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及空間數(shù)據(jù)分析的方法等；通過GIS數(shù)據(jù)層來表示地層、結(jié)構(gòu)面和地下水位等與邊坡相關(guān)的信息，所有的地面標高、傾斜方向、傾斜角、地下水、地層面、滑動面及呈現(xiàn)空間分布的物理力學(xué)參數(shù)輸入數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為柵格單元的形式，對應(yīng)于每一個三維柵格柱體單元可以用來描述一種地面、地層、滑動面等各類與穩(wěn)定性分析有關(guān)的地理地質(zhì)信息。用本方法對邊坡進行優(yōu)化，可減少剝巖量，降低生產(chǎn)剝采比。
文檔編號G06F19/00GK1598857SQ20041000959
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月21日
發(fā)明者謝謨文, 蔡美峰, 譚文輝 申請人:北京科技大學(xué)