专利名称：一种优化露天矿山边坡的方法
技术领域：
本发明属于露天矿山边坡工程技术领域，特别涉及一种基于GIS的三维极限平衡分析方法。
背景技术：
对大型露天矿山，提高边坡角是充分回收资源、减少剥离量、降低生产成本的重要手段。现阶段的边坡稳定性分析和优化广泛采用二维极限平衡分析方法，忽略了边坡的三维效应，结果一般偏于保守而增加工程造价。研究表明，在同样的条件下，边坡的三维安全系数比二维安全系数大10-30％。此外，边坡的稳定性问题取决于呈复杂空间分布状态的地形、地层、岩土力学参数及地下水等因素，但这些信息很难在一般边坡稳定性分析程序中得到有效的分析管理及数据更新。
发明内容
本发明针对我国露天矿山边坡最终边坡角国内比国外低约5度的实际情况，考虑边坡的三维效应，目的是利用能提供一个公用平台来处理复杂空间信息的地理信息系统(GIS)技术，对边坡进行优化，减少剥岩量，降低生产剥采比。
GIS是一个进行数据捕获、输入、操作、转换、可视化、合并、检索、分析、模型化及输出的系统。GIS提供一种多功能的工具进行空间数据分析和表现，其相应的数据均存储于空间数据库中，大大缩短了数据准备和处理的时间，并且GIS能处理来自不同数据源的信息，GIS数据形式成为空间数据处理的较好的基本数据形式。
尽管许多工程师和研究人员都知道GIS技术，但其强大的分析能力和潜能还未被深知。大多相关的研究及应用局限于大区域(小比例尺)的课题，如土地利用分析、区域环境分析及流域水文分析等。实际上在小规模(大比例尺)的工程中的应用也是可能的。
对于边坡三维问题，其稳定性取决于复杂空间分布的地形、地层、岩土力学参数及地下水等因素，但这些空间分布的信息很难在一般的边坡稳定分析程序中进行有效的分析管理，数据的更新也十分繁琐。而GIS恰好提供了一个公用的平台来处理这些复杂的空间信息。
本发明基于COM(Component Object Model)技术开发一个GIS扩展模块，采用Hovland三维模型、Hungr三维模型、二维Janbu模型的三维扩展Hungr三维模型、Lam和Fredlund三维模型、陈祖煜三维模型。这几个模型均是基于统一的数据结构和统一的算法，这样便于数据更新和比较分析研究。
本发明包括边坡的GIS数据模型的建立、基于GIS的边坡稳定三维极限平衡分析模型的建立、基于GIS三维模型的算法实现与边坡优化。
GIS扩展模块可以镶嵌在GIS软件ArcGIS(ESRI的GIS的软件)中运行，也可以镶嵌到其它基于COM技术的GIS软件。由于ArcGIS本身也是基于COM技术(ArcObjects)开发的，因此可以用任何COM开发语言在GIS中开发各种专业扩展模块。其所有的数据处理均在ArcGIS中处理，只是最终的边坡三维安全系数计算利用扩展模块。
Hovland的三维模型，在其中考虑地震荷载的作用。该模型假定各柱体单元侧边的受力为零，虽然有其局限性和误差，但由于其三维安全系数可以直接计算，其计算结果作为其它模型的初始值将大大提高迭代计算的效率。
Hungr于1987提出的二维Bishop模型的三维扩展模型。由于安全系数是隐式的，需要进行迭代计算。
Hungr于1989提出的二维Janbu模型的三维扩展模型，同样需要进行迭代计算。
Lam和Fredlund于1993提出的三维模型，用该模型的计算方法可以将二维Spencer模型及二维Morgenstern-Price模型扩展为三维模型。
陈祖煜等开发的三维模型，该模型可以说是二维Spencer模型的三维扩展。同样需要进行迭代计算。
由于所有模型均是基于统一的数据结构和统一的算法，安全系数计算所需的输入数据为统一的，所以多个模型的比较计算基本不会影响计算时间。
运用基于GIS的边坡稳定性三维极限平衡分析方法对不同的边坡方案进行比较，则安全系数最小但大于1.15的方案为最优方案。
采用基于GIS的三维极限平衡分析方法，是矿山减少剥岩量，增大最终边坡角，降低采矿成本、提高经济效益的切实可行的有效途径之一，具有广泛应用前景。
本发明对采场边坡进行优化，可以大幅度减少剥岩量，降低生产剥采比。
图1.等高线和(或)标高点转化为栅格数据形式，图1a表示从等高线或三维线及三维多边形和(或)标高点转化为栅格数据形式的示意图。图1b表示一实际地块与栅格数据的关系。
图2.实际边坡和其GIS数据集图3.滑体的三维图及某一柱体的三维结构4.计算程序流程5.边坡稳定三维分析模型与ArcGISTM统合概念6.一个三维模型用于边坡安全系数计算的具体流程图点为1，等高线为2，插值为3，栅格数据为4，栅格数据集为5，实际滑体为6，抽象为GIS数据层为7，地面为8，断层面为9，层面2为10，层面1为11，地下水为12，滑面为13，矢量数据层为14，栅格数据集为15，空间分析为16，地层1为17，地层2为18，地层3为19，地层4为20，地表为21。
具体实施例方式
某露天铁矿的最大凹陷开采深度为430m(-350m水平)，最终边坡最大垂直高度为660m。一方面，提高边坡角是充分回收资源、降低生产成本、增加开采效益的重要手段之一。对大型露天矿，边坡角提高1°，就可减少剥离量数千万吨，经济效益十分显著。另一方面，随着边坡的加高加陡，开采难度和采场破坏概率越来越大，开采安全性越来越差。为了解决这一对矛盾，必须进行边坡设计优化研究，在保证安全的前提下，尽可能提高边坡角，减少剥离量。
该矿边坡的优化采用基于GIS的三维极限平衡分析方法，即建立GIS数据模型→建立基于GIS的边坡稳定三维极限平衡分析模型→基于GIS三维模型的算法实现→边坡优化。具体表现为1、GIS数据模型主要建立与边坡稳定性相关的工程地质、地理条件及水文地质信息等在GIS中的表现形式、数据结构、数据库设计及空间数据分析的方法等。地层、结构面和地下水位等与边坡相关的信息在GIS中通过GIS数据层来表示的，它们可以是栅格数据或矢量数据。矢量数据的三种基本形式是点线面(Point，Line，Polygon)，其相应的属性数据保存在数据库中。每一种几何形式在GIS中可以有其特有的图象表现形式，如可以用一条兰色的线来表示一条河流，也可以用一块兰色的面集(Polygon)来表现河流的边界线。利用GIS空间分析功能，矢量数据均可以转化为基于某一属性的栅格数据。栅格数据是用均匀分割的栅格来表示的，一个栅格数据集代表一个属性值，如高程等。对于一个边坡，可以用一组栅格数据集分别表示地面高程、各地层、不连续面、地下水及物理力学参数等。
用地形的栅格数据来说明GIS栅格数据模型。数值地形(DEM)的栅格数据形式是将连续的地表标高用均匀分布的微小栅格单元来表示，一个栅格有一个标高值，即在一个栅格范围内用一个正方形平面代表一块地表面。当栅格单元足够小时，这种栅格数据形式即可代表复杂的连续的地表面形状。一般来说，最初得到的地面标高数值往往表现为等高线和(或)标高点，在GIS中这两种形式的标高数值可以很方便地转化为栅格数据形式，如图1。如果等高线和(或)标高点的精度和密度足够，可以直接生成TIN(Triangleated Irregular Network)后转为栅格数据形式；而对于原始数据本身不足而又希望获得连续的地表面时可采用GIS中提供的多种插值方法插值后形成栅格数据。在栅格数据模型中，用栅格单元的值来代表一种属性。一般来说，栅格数据采用统一的单元大小，单元的方向由X-Y轴决定，单元的边界平行于X-Y轴，栅格呈现正方形。栅格数据的数据结构可用单元大小、行列数和左下角的坐标来描述。
2、基于GIS的边坡稳定三维极限平衡分析模型对于一个实际边坡如图2所示，采用GIS空间分析功能，所有的输入数据(如地面标高、倾斜方向、倾斜角、地下水、地层面、滑动面及呈现空间分布的物理力学参数)均可以转化为栅格单元的形式。因此如果采用一个基于柱体单元的三维模型，就可以推导出一个基于栅格数据的三维模型来计算边坡的稳定安全系数。如图3所示，用一个三维栅格柱体单元(对应于每一个栅格单元)可以描述地面、地层、滑动面等各类与稳定性分析有关的地理地质信息。
3、基于GIS三维模型的算法实现上述的边坡稳定三维极限平衡模型的算法均在一个基于GIS的程序中得以实现。具体操作步骤如图4。该程序基于COM技术开发完成。其用户界面表现为一GIS软件的扩展模块，这样一来数据处理可以直接利用GIS功能。所有与边坡有关的空间分布信息均抽象为GIS栅格数据层，利用多个三维模型可以比较计算边坡三维安全系数。另外，用一个Polygon数据集来表示滑体的范围，地震水平加速度系数和加固效果的水平方向总力保存在其相应的属性数据中。滑面上的力学参数采用Polygon数据集来表示，对于不同的力学参数分区，可用不同的Polygon来表示。
该法可使各地质分区总体边坡角分别提高1°～6°，可减少剥岩量3000多万吨，此外，根据分析结果，提出的合理的边坡设计方案和稳定性维护措施，司保证矿山开采过程中边坡的稳定，避免由于边坡失稳造成的停产和安全事故损失，提高生产效率。
权利要求
1.一种优化露天矿山边坡的方法，其特征在于优化采用基于GIS的三维极限平衡分析方法，即建立GIS数据模型→建立基于GIS的边坡稳定三维极限平衡分析模型→基于GIS三维模型的算法实现→边坡优化。
2.如权利要求1所述优化露天矿山边坡的方法，其特征在于GIS的三维极限平衡分析方法采用了Hovland三维模型、Hungr三维模型、二维Janbu模型的三维扩展Hungr三维模型、Lam和Fredlund三维模型、陈祖煜三维模型；Hovland的三维模型，在其中考虑地震荷载的作用，模型假定各柱体单元侧边的受力为零，其三维安全系数可以直接计算，其计算结果作为其它模型的初始值；Hungr三维模型是二维Bishop模型的三维扩展；二维Janbu模型的三维扩展，是Hungr(1989)提出的；Lam和Fredlund三维模型，是1993提出的，可以将二维Spencer模型及二维Morgenstern-Price模型扩展为三维模型；陈祖煜三维模型，是二维Spencer模型的三维扩展。
3.如权利要求1或2所述优化露天矿山边坡的方法，其特征在于本发明基于COM技术开发一个GIS扩展模块，GIS扩展模块镶嵌在GIS软件ArcGIS中运行。
4.如权利要求1或2或3所述优化露天矿山边坡的方法，其特征在于与边坡稳定性相关的工程地质、地理条件及水文地质信息在GIS数据模型中的表现形式是数据结构、数据库设计及空间数据分析的方法等；地层、结构面和地下水位等与边坡相关的信息在GIS中是通过GIS数据层来表示的，它们可以是栅格数据或矢量数据；矢量数据的三种基本形式是点线面，其相应的属性数据保存在数据库中，每一种几何形式在GIS中可以有其特有的图象表现形式；利用GIS空间分析功能，矢量数据均可以转化为基于某一属性的栅格数据；栅格数据是用均匀分割的栅格来表示的，一个栅格数据集代表一个属性值，对于一个边坡，可以用一组栅格数据集分别表示地面高程、各地层、不连续面、地下水及物理力学参数等。
5.如权利要求1或2或3或4所述优化露天矿山边坡的方法，其特征在于采用GIS空间分析功能，所有的地面标高、倾斜方向、倾斜角、地下水、地层面、滑动面及呈现空间分布的物理力学参数输入数据均转化为栅格单元的形式，对应于每一个三维栅格柱体单元可以用来描述一种地面、地层、滑动面等各类与稳定性分析有关的地理地质信息。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述优化露天矿山边坡的方法，其特征在于边坡稳定三维极限平衡模型的算法均在一个基于GIS的程序中得以实现，该程序基于COM技术开发完成，其用户界面表现为一GIS软件的扩展模块，数据处理可以直接利用GIS功能，所有与边坡有关的空间分布信息均抽象为GIS栅格数据层，利用多个三维模型比较计算边坡三维安全系数。
全文摘要
一种优化露天矿山边坡的方法，属于露天矿山边坡工程技术领域。本发明由建立GIS数据模型起→建立基于GIS的边坡稳定三维极限平衡分析模型→基于GIS三维模型的算法实现→边坡优化，采用GIS空间分析功能，将与边坡稳定性相关的工程地质、地理条件及水文地质信息在GIS数据模型中的表现成数据结构、数据库设计及空间数据分析的方法等；通过GIS数据层来表示地层、结构面和地下水位等与边坡相关的信息，所有的地面标高、倾斜方向、倾斜角、地下水、地层面、滑动面及呈现空间分布的物理力学参数输入数据均转化为栅格单元的形式，对应于每一个三维栅格柱体单元可以用来描述一种地面、地层、滑动面等各类与稳定性分析有关的地理地质信息。用本方法对边坡进行优化，可减少剥岩量，降低生产剥采比。
文档编号G06F19/00GK1598857SQ20041000959
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月21日 优先权日2004年9月21日
发明者谢谟文, 蔡美峰, 谭文辉 申请人:北京科技大学