5个台阶规模的稳定性分析工具(bench scale stability)

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1 引言

由于全球采矿市场的竞争越来越激烈，因此采矿工程师不断努力降低整体的采矿成本。在露天采矿工业中，这意味着在确保最大矿石回收率的同时，使用尽可能陡的边坡角度，从而实现最低的剥采比。边坡角越大，剥采费用越低，但同时安全系数越低，因此需要作边坡的优化设计。

露天矿边坡设计需要进行台阶规模(bench scale)、坡道规模(inter-ramp scale)和整体规模(overall scale)的分析。整体规模分析确保了采矿资源的合理确定性，而台阶规模分析和坡间规模分析直接与人员和设备安全相关，首先从台阶(Bench)边坡的优化设计开始，因为这是任何露天矿边坡设计的基石。整体规模分析通常使用极限平衡法或数值模拟方法，而台阶规模分析和坡道规模分析通常以不连续数据为基础，很少使用连续性分析方法评价台阶的稳定性, 使用连续性分析方法(例如SLIDE, FLAC)有时会导致安全系数太小, 不能真实地评价台阶的稳定性。

本文总结了台阶规模稳定性分析的5个主要工具，这些工具大部分在过去的文章中讨论过，他们分别是RocPlane, Swedge, Fracman, KATS和SBlock。CSIRO的Siromodel不在本文讨论之内。

2 评价准则

采矿工程边坡通常使用安全系数进行稳定性评价，普遍接受的安全系数是1.2~1.3, 安全系数既可以使用极限平衡法计算也可以使用强度折减法计算。由于岩体几何和物理力学性质的随机性，使用破坏概率(POF)准则评价边坡稳定性也逐渐引入到实践的边坡设计中。Hoek (2007)[Hoek, E. (2007). Practical Rock Engineering. 341p] 强调了破坏概率POF在边坡稳定评价的重要性以及POF的计算方法，这种方法合并到Rocscience的软件中。Read and Stacey (2009) 提出了一个具体的评价准则，如下图所示。

3 数据收集

不论使用哪一种工具，在进入详细设计和分析阶段之前，必须进行了大量的工程地质工作，以便为分析提供必要的数据。数据收集和解释过程虽然耗时但极为重要，其质量和完整性是设计成功的关键。主要的数据收集过程如下:

(1) 调查区域地质、区域断层和矿石的成矿成因，这些因素通常确定了采场不同的岩性和结构域。这个工作需要工程地质学家的密切配合。

(2) 根据水文地质学的知识调查地下水流动对边坡整体稳定性的影响。这个工作需要水文地质学家的密切配合。

(3) 不同区域和岩石类型的结构控制着台阶设计和边坡整体稳定性，因此需要详细调查节理的性质, 按照工程岩体分类方法(RMR, Q-System, GSI)中的指标进行定量描述。对不同区域的岩体进行分组。

(4) 对每一分组内的岩体选择合适的岩石试验进行岩石力学试验。

4 分析工具

下面简要总结了目前可得到的5个台阶设计分析工具。

(1) RocPlane

RocPlane(V4.009)是Rocscience开发的平面滑动稳定性分析软件，【岩石边坡工程课程---平面滑动(Planar Sliding/Wedge)稳定性分析(C7)】，其理论基础是极限平衡法，RocPlane带有台阶设计功能，详情参看【露天矿概率台阶设计与损失距离(back-break distance)】。

(2) SWedge

SWedge是Rocscience开发的楔形破坏边坡稳定性分析软件，【[重要]岩石边坡工程课程---楔形滑动(Wedge Sliding)分析(C8)】，SWedge包括了台阶设计功能，允许用户评估台阶角度范围内台阶楔形体的稳定性。为此有两种设计方法可供选择：边坡设计的管理方法和定量危险评估方法。通过使用管理方法，用户能够评估破坏的楔形体数量和每个台阶角度所需的最小台面宽度。而对于定量评估，用户能够估计形成不同楔形尺寸的可能性(发生概率)和这种楔形将滑动的可能性(滑动概率)，从而提供对不同保护(backbreak)距离破坏概率的估计。这两种方法都提供了关于台阶破坏的宝贵信息，帮助用户选择最佳的台阶角度。通过累积频率分析(CFA)计算可接受的破坏概率，从而确定台阶的边坡角度。

(3) Fracman

由Golder Associates(WSP的子公司) 开发的Fracman(V8.0)使用DFN可以同时分析多个楔形体(Rock Wedge)的稳定性，也可以分析块体尺寸决定台阶宽度【Fracman的岩土模块---主要功能和参考文献】。研究结果表明，与传统的确定性和伪概率方法相比，使用FracMan的DFN方法可以产生更现实的或最佳的矿坑边坡设计。应该注意的是，尽管DFN方法能更好地代表岩体结构，并能产生最佳台阶设计，但只有当生成的DFN几何形状在统计学上与它要模拟的实际断裂网络相同或相似，才能充分发挥DFN模型捕捉随机变化的潜力。

(4) KATS

KATS(Kinematic Analysis Tools for Slopes)是Itasca公司(巴西office)开发的一个工具【露天矿边坡运动学分析工具KATS (Kinematic Analysis Tools for Slopes)】，该工具通过考虑场地的构造地质和节理特性，进行台阶规模分析和坡道规模分析。KATS旨在评估不同结构组与特定边坡方向相互作用时形成的日光楔(daylighting wedges)和平面破坏(planar failures)所引起的不稳定性。KATS主要应用于台阶规模(bench-berm scale)和坡道间尺度(inter-ramp scale)的运动学分析。通过单一的自动化过程，KATS可以对边坡进行概率或确定性评估。分析结果有坡肩损失(loss of crest)、溢出长度(spill lengths)、台阶坡面角(bench face angle)分布等。

(5) SBlock

SBlock由原SRK Consulting的工程师Esterhuizen【采矿岩石力学奖: SME Rock Mechanics Award (1968-2022)】开发，SBlock使用了Goodman和石根华的关键块(Keyblock)原理和节理统计来模拟台阶块体，自动评价平面破坏和楔形破坏，同时也能进行rockfall分析。

[1] (2004) SBLOCK V2.01, User Guide and Reference Manual

[2] (2011) Slope Optimization for the Hypogene Project at Carmen de Andacollo Pit, Chile

[2] (2013) Bench berm design using probabilistic key block analysis

[3] (2013) Slope design at Cuajone Pit, Peru

[4] (2018) Key Geotechnical Characterisation Parameters for Transition Rock Mass in Deep Weathered Deposits and Their Influence on Bench Stability

[5] (2019) Importance of Bench-Marking and Back Analyses in Rock Mechanics

来源：计算岩土力学

System 断裂岩土理论控制试验

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首次发布时间：2023-02-27

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