露天矿无人驾驶矿用卡车排土边缘警戒线更新方法

樵永锋，张 伟

（丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118000）

0 引言

现代工业体系当中，矿产的重要性无法代替，随着工业体系的不断发展以及完善，矿产以及矿产的开采对工业的影响已经越发凸显。在我国矿产的开发力度不断加大，作为一种开采优势较为显著的形式，露天矿区依然存在爆破安全隐患、滑坡风险以及机械失灵等风险。

1 排土场分析

1.1 岩性分析

本文将露天矿区的岩体分为硬性、中硬以及软性3种类型，该种分级的依据为岩体破碎难度较大时其稳定程度较高，这一分级方法称为普氏分级。这一标准当中作为参照的为岩石的坚硬度（f），这一系数的影响因素较多，目前普遍采用的计算标准为根据单项抗压强度（σc）进行计算，计算公式如式（1）所示。

根据计算计算结果，矿区的岩体强度按如表1 所示进行划分。

表1 矿区岩体强度等级

本文案例当中，大峰为硬岩，岩体强度大于15MPa；魏家峁为中硬岩，岩体强度在6MPa～15MPa；蒙东西二为软岩，岩体强度不大于6MPa。

1.2 硬性排土场分析

大峰矿体露出的部分，由上至下分别为：4.97m 第四系岩层、33.99m 中侏罗系岩组、190.21m 下侏罗系岩组、上三叠系岩组。

矿区的排土场硬度较高，滑坡一般为圆弧滑坡的形式。案例矿区的内摩擦角度35°、黏聚力25kPa、每立方米重量1.86t。该矿区排土场的稳定范围为8 级以下地震、500kPa 以下动载荷加载[1]。

1.3 软性排土场分析

蒙东西二的露出部分，表层为第四系图层，西帮厚15～20m，东北帮厚5m 左右；第三系上新流的厚度约为50.22m，分布于整个矿区；底部厚443.92m 的胜利组、锡林组。矿区表层较为疏松部分的物理力学性质为：①亚砂土，视密度为1.73g/cm3、比重2.7g/cm3、自然抗压为0.24MPa。②泥砾，亚砂土，视密度为1.97g/cm3、比重2.64g/cm3、自然抗压为0.5MPa。其中五煤顶板、六煤顶板以及六煤的普氏系数分别为0.59、0.65、1.5。

1.4 中硬岩排土场分析

魏家峁的岩层呈现较为显著的节理发育形态，矿区的剥离物当中，57%属于黄土，43%属于岩石，黄土部分每立方米重量1.97t，岩石部分每立方米的平均重量为2.35t，整体平均重量1.845t。该矿区的内摩擦角为23°。

在剥离物的处理方面，该矿区同样采用了自动行驶卡车以及推土机联合作业的形式，其中70%的剥离物推翻至排土场以下，30%的部分使用推土机直接推翻。其中夏季主要推土机单独作业的比例提高，增长至50%[2]。

2 自动驾驶卡车后轮受力分析

2.1 车辆类型

矿区能够实现自动驾驶的车辆属于自卸卡车，为矿区专用的卡车类型，其载重普遍能够达到20t 以上，该种类型的卡车根据使用的场景。

车辆的控制参数包括轴距、轮距以及长宽高等，质量的主要参数则包括满额载重量、燃料以及防冻液等加满未载重情况下车辆的空车质量。则满额质量的计算公式如式（2）所示。

式中：ma——车辆重量；mo——整车整备质量；me——装载质量；mf——驾驶员体重。

2.2 卸料机制

物料在松散堆积的情况下能够自然形成的内摩擦角即为该类型物料的自然安息角，这一角度的大小对卸载能够形成较为显著的影响。自然安息角分为静安息角以及动安息角，静安息角即该类型的物料处于静止状态时保持的安息角，动安息角则为物料处于运动状态下的安息角[3]。

2.3 质心分析

车辆卸载模型如图1 时，其质心A 的坐标计算公式如式（3）和式（4）所示。

图1 车辆倾斜模型

2.4 轴荷分配

根据牛顿定律可知车辆的满额重量与车辆的前后轮所受的轴荷应当相等；根据杠杆原理则能够确定车辆轴荷与该位置所受的反作用力必然相等。由此可知车辆的轴荷分配情况如图2 所示。

图2 车辆轴荷

根据上述模型得出式（5）和式（6）。

式中：G——满额重量；F1——前轮轴荷；F2——后轮轴荷；OA——前轮距质心距离；OB——后轮距质心距离；g——重力加速度。

不同载重情况时车辆卸载时的后轮载荷情况分别为：载重32t，后轮载荷45.8t；载重91t，后轮载荷126.65t；载重220t，后轮载荷255.86t。

2.5 接地面积

车辆与地面接触的轮胎形态不同的情况下，其轮胎所受载荷向地面传导的形式以及比例同样存在较大的差别，对其造成直接影响为轮胎与地面接触的面积。

3 安全距离分析

3.1 稳定性影响因素

通过极限分析的方法，能够确定对排土场稳定性有一定影响的因素如下。

（1）轮胎与地面的接触形式，包括椭圆形、圆形以及矩形，其中矩形在高载重车辆中更为适用。

（2）载荷区域宽度，一般32t 卡车为0.36m，91t 为0.56m，220t 为0.78m。

（3）载荷大小方面，载荷区的增大能够造成安全系数的降低，载荷宽度的增加对安全系数的影响较小，能够忽略。

（4）载荷与坡顶距离增加时，安全系数能够同步增长，载荷距离坡顶较近时变化较为明显，距离较远时变化较为轻微。

3.2 分析方法

（1）费伦纽斯法，不考虑两侧作用力，要求正应力以及剪应力与地面平行。

（2）简化毕肖普法，忽略竖向作用，规定滑面切向力，则确定滑面危险圆心，使用4.5H 法，能够通过极限分析对滑面的受力等情况进行范围划定。

3.3 极限分析

极限分析能够根据极限平衡的直接求解或极限荷载、安全系数等分析进行，其中后者的使用较为普遍使用该种方法对极限的上下极进行计算，得到相对模糊的范围值，即可得到极限的近似值。

3.4 坡顶载荷安全距离

计算极限的上限值时，首先需要假定：①排土场的岩土属于优质塑性材料的类型。②岩土满足应力内外凸的屈服方程。③相关联流动能够作用于岩土。符合以上条件时，岩土的流程呈现刚性，在进行破坏计算时，确定岩土的内部能量损耗大于外部即可。

根据上述不同岩土台阶的高度，根据上段计算要求能够确定，硬岩环境中内摩擦角应当为35°，黏聚力需要达到25kPa，单位立方米的重量应当为1.85t；中硬岩环境中内摩擦角应当为30°，黏聚力需要达到20kPa，单位立方米的重量应当为1.88t。

3.5 雨季、爆破安全距离

雨季持续性降雨造成的腐蚀影响，爆破过程中排土场的整体结构均能够受到不同程度的破坏。雨季短时间内降水总量较大的情况下，排水速度无法满足快速排水的需要，因此排土场边缘在腐蚀的影响以及作用下可能出现松动的情况；爆破造成的振动以及振动波对排土场造成的整体性影响，导致排土场整体性结构出现一定程度的松动，边缘区域出现松动以及掉落的情况[4]。因此为避免雨季以及爆破造成的排土场松动带来的影响，任何露天矿区均不适于进行边缘式的排土，而应当使用场地排土的形式，避免岩土松动带来强度较低的危害。

4 FLAC3D 模拟分析

4.1 FLAC3D 概述

FLAC3D 是岩土分析使用的一款专业型的软件，其能够对相对复杂环境当中的坡体边缘稳定性情况进行分析。其内置的库伦-摩尔模型能够对岩土的边坡等进行分析。在进行土坡极限平衡的计算式，需要遵循MohrˉCoulomb 准则，设定Fs 为安全系数，则滑面的抗剪强度与实际比值计算如式（7）所示。

强度折减时粘聚力C 与内摩擦角φ 均出现一定的折减，折减后的粘聚力以及内摩擦角反复计算后能够获得稳定状态的参数值。

4.2 软性环境安全距离验证

根据蒙东西二的实际情况，模型的左右高度分别为40m 以及20m，顶部以及底部的长度则分别为60m和107m，右侧坡脚的距离为40m。荷载范围的单元大小0.2m×2m×4m，其他为5m×2m×4m，共计1550 个单元体，2276 个节点。

4.3 中硬环境安全距离验证

根据实际情况，模型的左右高度分别为50m 以及25m，顶部以及底部的长度则分别为60m 和167m，右侧坡脚的距离为75m。通过模型模拟结果可知，32t 车辆最大剪应力为0.0014MPa，最大位移0.8cm，安全系数1.32，不存在滑坡的风险，且安全距离符合要求；91t 车辆的安全系数为1.35，荷载区的最大剪应力为9×10-4MPa，为形成完整的贯穿区，坡面位移为1.6cm，存在一定的局部滑坡的风险，安全距离合理[5]。

4.4 硬性环境安全距离验证

根据大峰的实际情况，模型的左右高度分别为64m 以及32m，顶部以及底部的长度则为80m 和196m，右侧坡脚的距离为75m。通过模型模拟结果可知，32t 车辆的最大剪应力1.2×10-3MPa，最大位移0.1cm，安全系数1.33，无滑坡风险，安全距离合理；91t车辆最大剪应力6.0×10-3MPa，安全系数1.37，无滑坡风险，安全距离合理；220t 车辆位移1.7cm，安全系数1.3，安全系数1.37，无滑坡风险。

5 结语

警戒线的确定以及更新，需要根据车辆的载重、所处矿区的岩体硬度作为基础参考因素确定。本文选择3个典型矿区进行分析，为如何实现更新提供了一定的参考。