深凹露天矿与浅露天矿开采的时空原理课件

深凹露天矿与浅露天矿开采的时空原理深凹露天矿与浅露天矿开采的时空原理 张世雄张世雄 2009年6月8日 徐州徐州 中国矿业大学中国矿业大学 深凹露天矿开采的空间与时间原理深凹露天矿开采的空间与时间原理 浅露天矿开采的空间与时间原理浅露天矿开采的空间与时间原理 露天矿快速排土护坡理论露天矿快速排土护坡理论 露天矿精细开采的理念露天矿精细开采的理念 1 1 深凹露天矿开采的时空原理深凹露天矿开采的时空原理 根据对自然界与岩土工程的长期观察、根据对自然界与岩土工程的长期观察、思考与研究，报告人提出了思考与研究，报告人提出了 深凹露天矿开采的空间与时间原理深凹露天矿开采的空间与时间原理 浅露天矿开采的空间与时间原理浅露天矿开采的空间与时间原理 1.1 1.1 深凹露天矿的特点深凹露天矿的特点 非金属深凹露天矿具有明显的空间非金属深凹露天矿具有明显的空间力学特点，典型的代表是金刚石矿，它力学特点，典型的代表是金刚石矿，它们具有通常人们们具有通常人们想象不到想象不到的的陡边坡角陡边坡角。原生金刚石矿以金伯利岩管的形式原生金刚石矿以金伯利岩管的形式产出，近乎垂直，水平剖面呈圆形或椭产出，近乎垂直，水平剖面呈圆形或椭圆形，上部露天开采，形成巨大的陡圆圆形，上部露天开采，形成巨大的陡圆锥形深坑。锥形深坑。世界上最大的岩土开挖工程世界上最大的岩土开挖工程俄俄罗斯和平金刚石矿的景观令人震撼！罗斯和平金刚石矿的景观令人震撼！显然，经过理论研究与工业试验，显然，经过理论研究与工业试验，金刚石矿有利于边坡岩体稳定性的空间金刚石矿有利于边坡岩体稳定性的空间原理可以推广到其他深凹露天矿，从而原理可以推广到其他深凹露天矿，从而合理加陡露天矿边坡角，节约巨大的废合理加陡露天矿边坡角，节约巨大的废石剥离量。石剥离量。1.2 1.2 传统露天矿边坡角确定方法存在局限传统露天矿边坡角确定方法存在局限性与保守性性与保守性 最终边坡角的确定对露天矿的生产、最终边坡角的确定对露天矿的生产、安全与经济效益有很大影响。安全与经济效益有很大影响。较小的边坡角，将增加剥岩量，使较小的边坡角，将增加剥岩量，使剥采比增大。剥采比增大。从经济效果考虑，希望边坡角尽可能从经济效果考虑，希望边坡角尽可能大些；然而，过大的边坡角将导致边坡大些；然而，过大的边坡角将导致边坡失稳，影响矿山正常生产。失稳，影响矿山正常生产。因此，露天矿的最终边坡角，要同因此，露天矿的最终边坡角，要同时满足安全稳定条件和开采技术条件的时满足安全稳定条件和开采技术条件的要求，并尽可能地加陡。要求，并尽可能地加陡。通通常常是是假假定定岩岩体体只只承承受受自自重重应应力力作作用用且且处处于于平平面面应应变变状状态态，用用极极限限平平衡衡方方法法判判断断岩岩体体的的稳稳定定性性，在在岩岩性性相相同同的的情情况况下下，通通常常确确定定的的最最终终边边坡坡角角为为一一定定值值（通通常常在在30305353范围内）。范围内）。这种方法由于没有考虑边坡的空间这种方法由于没有考虑边坡的空间几何形状和边坡形成的时间长短等因素几何形状和边坡形成的时间长短等因素对边坡稳定性的影响，因此，它主要适对边坡稳定性的影响，因此，它主要适用于深度较浅的在水平面上呈直线形的用于深度较浅的在水平面上呈直线形的边坡。边坡。专专家家指指出出，与与国国外外同同类类矿矿山山相相比比，我我国国大大型型露露天天矿矿山山的的边边坡坡角角普普遍遍缓缓5左左右右，而而一一个个年年产产3001000万万t的的矿矿山山，边边坡坡角角每每提提高高1，就就可可以以减减少少剥剥离离量量0.51.5亿亿t，节节约约投投资资13亿元。亿元。大事故大事故河北邢台县尚汪庄石膏矿区河北邢台县尚汪庄石膏矿区2019.11.62019.11.63737特别重大事故特别重大事故宜昌市兴山县胜凤磷矿宜昌市兴山县胜凤磷矿2019.7.272019.7.273 3较大事故较大事故湖南石门县天德石膏矿湖南石门县天德石膏矿2019.8.192019.8.199 9较大事故较大事故陕西勉县茶店磷矿陕西勉县茶店磷矿2019.7.22019.7.23 3较大事故较大事故 1.3 1.3 深凹露天矿有利于边坡稳定的空间深凹露天矿有利于边坡稳定的空间与时间特性逐渐为人们认识和重视与时间特性逐渐为人们认识和重视 前前苏苏联联学学者者费费申申科科在在2020世世纪纪6060年年代代提提出出岩岩石石边边坡坡在在垂垂直直剖剖面面上上可可采采取取凸凸形形边边坡坡的的概概念念，建建议议用用极极限限平平衡衡法法调调整整边边坡坡的的形形状状使使之之上上缓缓下下陡陡，以以适适应应上上部部岩岩石石风化层稳定性较差的情况。风化层稳定性较差的情况。19701970年年PiteauPiteau等等人人研研究究了了南南非非4 4个个大大型型金金刚刚石石矿矿边边坡坡曲曲率率半半径径对对边边坡坡稳稳定定性性的的影影响响，发发现现开开采采后后处处于于自自然然平平衡衡状状态态的的边边坡坡，其其平平均均边边坡坡角角随随边边坡坡在在水水平平面面上曲率半径的减小而增加。上曲率半径的减小而增加。曲曲率率半半径径为为10001000英英尺尺时时平平均均边边坡坡角角为为27.327.3，而而曲曲率率半半径径为为200200英英尺尺时时平平均均边边坡角上升到坡角上升到39.539.5。我我国国学学者者从从20世世纪纪70年年代代开开始始注注意意到到边边坡坡形形状状与与时时间间对对稳稳定定性性的的影影响响，认认识识到到当当边边坡坡在在水水平平面面上上向向采采场场凹凹进进时时，边边坡坡岩岩体体的的侧侧向向受受到到压压应应力力作作用用，比比较较稳定。稳定。在在垂垂直直剖剖面面上上，凸凸形形边边坡坡具具有有上上缓缓下下陡陡的的外外形形，符符合合露露天天矿矿形形成成的的时时间间特特点点，可可以以少少剥剥离离岩岩石石多多采采矿矿石石，是是适适用用于深露天矿边坡的断面形状。于深露天矿边坡的断面形状。报报告告人人2019年年在在中中国国矿矿业业杂杂志志上上提提出出了了凹凹陷陷露露天天矿矿边边坡坡少少剥剥离离技技术术的的时时空原理，其主要依据是：空原理，其主要依据是：（1）地质依据）地质依据 地表浅层岩体受到亿万年的风化与人类地表浅层岩体受到亿万年的风化与人类活动的破坏，强度削弱较严重，稳定性较活动的破坏，强度削弱较严重，稳定性较差；随着岩体赋存深度的增加，上述破坏差；随着岩体赋存深度的增加，上述破坏的影响下降，岩体强度削弱较少，稳定性的影响下降，岩体强度削弱较少，稳定性较好。较好。（2）受生产爆破影响的时间不同）受生产爆破影响的时间不同 下部边坡受生产爆破和开挖后风化作用下部边坡受生产爆破和开挖后风化作用对其稳定性削弱的程度明显低于上部。对其稳定性削弱的程度明显低于上部。（3）小曲率半径原理小曲率半径原理 曲率半径较小的圆拱具有较好的稳曲率半径较小的圆拱具有较好的稳定性，随着开采深度的增加，露天坑的定性，随着开采深度的增加，露天坑的曲率半径逐渐减小。曲率半径逐渐减小。（4）端部作用原理）端部作用原理 把把坑坑底底看看作作深深凹凹露露天天矿矿边边坡坡的的端端部部，此此端端部部对对矿矿坑坑下下部部边边坡坡的的应应力力具具有有转转移移承承受受作作用用，并并对对下下部部边边坡坡的的位位移移具具有有牵牵制阻碍作用，有利于提高边坡的稳定性。制阻碍作用，有利于提高边坡的稳定性。报报告告人人在在自自然然界界与与工工程程界界找找到到许许多多例例证：证：BiswasBiswas的的研研究究表表明明，风风化化的的煤煤柱柱强强度度比未受风化影响的强度降低比未受风化影响的强度降低5050以上；以上；大大家家熟熟知知，自自然然崩崩落落的的岩岩洞洞顶顶部部多多呈呈拱拱形形，小小曲曲率率半半径径的的拱拱桥桥与与建建筑筑物物拱拱顶顶比比大曲率半径的承载能力高；大曲率半径的承载能力高；RassamRassam的研究表明，在水平面上，把的研究表明，在水平面上，把高废石堆堆成内凹的形状，其边坡极限稳高废石堆堆成内凹的形状，其边坡极限稳定角至少比堆成直线形的大定角至少比堆成直线形的大2 2；塌塌陷陷坑坑通通常常呈呈上上大大下下小小的的喇喇叭叭形形；放放矿矿漏漏斗斗呈呈喇喇叭叭形形；疏疏水水井井附附近近地地下下水水位位线线也呈类似形状下降；也呈类似形状下降；端端部部作作用用可可看看成成把把一一个个圆圆筒筒的的一一端端封封闭，封闭端的刚度与稳定性显然提高。闭，封闭端的刚度与稳定性显然提高。我我国国一一些些露露天天矿矿在在深深部部开开采采中中已已出出现改变设计加陡边坡角的实例，如：现改变设计加陡边坡角的实例，如：白白银银有有色色金金属属公公司司1号号露露天天采采场场设设计计边边坡坡角角为为46，生生产产中中实实现现了了最最下下部部5个个台台阶阶并并段段，高高度度增增加加到到62m，边边坡坡角角提高到提高到60，该边坡开挖后多年保持稳定；，该边坡开挖后多年保持稳定；大大冶冶铁铁矿矿东东露露天天坑坑坑坑底底部部分分边边坡坡角角已达已达90。通通过过研研究究，为为合合理理加加陡陡深深凹凹露露天天矿矿边边坡坡角角找找到到理理论论根根据据，寻寻找找科科学学的的确确定定边边坡坡角角的的方方法法，把把现现在在看看似似“违违规规”的的加加陡陡下下部部边边坡坡角角的的行行为为合合法法化化，编编制制相相应应的的确确定定规规则则，会会取取得得巨巨大大的的经经济济效效益益与社会效益。与社会效益。1.4 1.4 国外的研究进展国外的研究进展 2019 2019年乌兹别克科学院地震研究所年乌兹别克科学院地震研究所贝科夫采夫等在俄文矿业工程杂志贝科夫采夫等在俄文矿业工程杂志上发表的上发表的“深凹露天矿边帮合理形状的深凹露天矿边帮合理形状的确定确定”论文，认为理想的深凹露天矿应论文，认为理想的深凹露天矿应是满足是满足R R（Z Z）=ach(Z/b)=ach(Z/b)的双曲线余弦的双曲线余弦的旋转锥体，式中的旋转锥体，式中Z Z为边坡的垂高，为边坡的垂高，a a、b b为按特殊方法确定的系数，为按特殊方法确定的系数，chch为双曲线为双曲线余弦，余弦，R R为为Z Z高度的边坡水平半径。高度的边坡水平半径。称称按按此此式式确确定定的的边边帮帮轮轮廊廊线线可可使使边边帮帮下下段段的的边边坡坡角角加加大大到到50506060，在在穆穆伦伦陶陶金金矿矿床床露露天天矿矿的的设设计计中中已已采采用用了了这种新方法。这种新方法。与与传传统统方方法法相相比比，在在不不扩扩大大地地表表境境界界的的情情况况下下，开开采采深深度度可可比比原原设设计计增增大大200200250250m m，即增加即增加20203030。此法已获该国专利。此法已获该国专利。该该文文未未介介绍绍新新方方法法的的原原理理和和公公式式中中系系数数的的特特殊殊确确定定方方法法，只只讨讨论论了了平平面面上上为为圆圆形形的的理理想想露露天天矿矿，只只给给出出了了一一个个圆圆形形边边坡坡合合理理形形状状的的数数学学表表达达式式，没没有有说说明明它它的的来来历历，未未介介绍绍从从力力学学上上进进行行的的研研究究，说说这这种种新新方方法法可可用用于于深深凹凹露露天天矿矿和和超超深深凹凹露露天天矿矿的的边边坡坡设设计计中中，并并表表明明研研究工作仍在继续进行中。究工作仍在继续进行中。由于矿床千差万别，形态各异，用由于矿床千差万别，形态各异，用1 1 2 2个个参参数数确确定定的的旋旋转转锥锥体体是是无无法法描描述述众多矿山边坡的合理形状的。众多矿山边坡的合理形状的。1.5 1.5 国内研究的进展国内研究的进展 多年来，申请人带领的课题组在本多年来，申请人带领的课题组在本领域的研究已取得重要进展，表现在以领域的研究已取得重要进展，表现在以下几个方面。下几个方面。1.5.1 运用弹性理论证明了小曲率半径原理运用弹性理论证明了小曲率半径原理（1 1）模型的建立与公式推导）模型的建立与公式推导 对对深深凹凹边边坡坡的的空空间间受受力力状状况况进进行行了了分分析析。把把空空间间凸凸形形边边坡坡取取出出一一个个圆圆环环岩岩体体，建建立立模模型型进进行研究。行研究。建建立立了了环环岩岩体体下下滑滑时时其其环环向向应应力力与与下下滑滑增增量量之之间间的的关关系系，进进而而推推导导出出深深凹凹边边坡坡的的临临界界稳稳定定边边坡坡角角与与岩岩体体的的容容重重、内摩擦角内摩擦角 、粘聚力、粘聚力 c 和内径和内径 r 的关系为：的关系为：（1）该式反应出当深凹边坡的水平半径该式反应出当深凹边坡的水平半径越小（随开挖深度的增加而减小）或环越小（随开挖深度的增加而减小）或环向岩体的内摩擦角和粘聚力越大，临界向岩体的内摩擦角和粘聚力越大，临界稳定边坡角越大。稳定边坡角越大。当边坡的水平半径趋向无穷大时，临当边坡的水平半径趋向无穷大时，临界稳定边坡角趋向于岩体的内摩擦角，界稳定边坡角趋向于岩体的内摩擦角，这与传统直线形边坡稳定性分析方法相这与传统直线形边坡稳定性分析方法相同。同。引引用用库库伦伦准准则则作作为为环环状状岩岩体体达达到到临临界界溃溃屈状屈状态态的破坏判据，可推的破坏判据，可推导导出出当当 时时，边边坡坡角角可可达达9090度度，这这就就是是圆圆形形竖竖井井无无需需支支护护井井壁壁保保持持稳稳定的最大直径的定的最大直径的弹弹性力学解答。性力学解答。该式从理论上反映了深凹边坡符合该式从理论上反映了深凹边坡符合上缓下陡的几何特征。上缓下陡的几何特征。在此基础上，由临界稳定边坡角与在此基础上，由临界稳定边坡角与边坡水平曲率半径、岩体力学性质参数的边坡水平曲率半径、岩体力学性质参数的关系式推导得到在理想条件下确定深凹露关系式推导得到在理想条件下确定深凹露天矿凸曲线边坡的公式。天矿凸曲线边坡的公式。运运用用本本方方法法与与传传统统方方法法确确定定的的直直线线形形边边坡坡相相比比较较，对对于于边边坡坡顶顶部部半半径径均均为为800800m m、底底部部半半径径为为100100m m的的露露天天矿矿，凸凸曲曲线线形形边边坡坡比比4545角角的的直直线线形形边边坡坡减减少少废废石石剥剥离量离量2.792.7910108 8m m3 3。（2 2）推导出在平面上为椭圆形的深凹）推导出在平面上为椭圆形的深凹露天矿，在岩性相同的条件下，在椭圆露天矿，在岩性相同的条件下，在椭圆的长轴端处的稳定边坡角最大，在短轴的长轴端处的稳定边坡角最大，在短轴端处最小端处最小 这这与与我我国国金金川川等等露露天天矿矿边边坡坡的的倾倾倒倒滑移区所处的位置相符。滑移区所处的位置相符。进进而而在在边边坡坡上上各各点点稳稳定定性性相相同同的的条条件件下下，提提出出了了确确定定在在平平面面上上呈呈椭椭圆圆形形边边坡的临界稳定坡面形状的方法。坡的临界稳定坡面形状的方法。用用该该法法确确定定的的一一个个底底部部长长轴轴半半径径为为150m、短短半半径径为为100m、坡坡高高500m的的椭椭圆圆形形深深凹凹露露天天矿矿边边坡坡，与与传传统统边边坡坡稳稳定定理理论论确确定定的的边边坡坡相相比比，可可减减少少废废石石剥剥离离量量1.1108m3。考考虑虑滑滑移移体体两两侧侧岩岩体体的的阻阻力力等等作作用用的的情情况况，对对传传统统边边坡坡稳稳定定系系数数算算法法进进行行修修改改，推推导导出出适适合合于于深深凹凹边边坡坡的的稳稳定定性性系数的算式。系数的算式。（3 3）推导出表征深凹露天矿边坡深）推导出表征深凹露天矿边坡深度和曲率半径的微分方程度和曲率半径的微分方程 椭椭圆圆形形深深凹凹露露天天矿矿的的边边坡坡轮轮廓廓非非常常复杂，它由一系列台阶组成。复杂，它由一系列台阶组成。为为了了简简化化力力学学分分析析，考考虑虑水水平平面面为为椭椭圆圆形形的的深深凹凹边边坡坡，它它的的垂垂直直断断面面为为凸凸形形，并并假假定定岩岩石石为为均均质质连连续续各各向向同同性性的的弹弹性性材材料料，岩岩体体承承受受自自重重应应力力和和水水平平构构造应力的共同作用。造应力的共同作用。含含有有椭椭圆圆形形孔孔的的板板受受与与长长轴轴成成 角角的的均均布布拉拉力力q 的的弹弹性性理理论论解解为为：法法向向应应力力 ，式中：式中：，、分别为椭圆孔的长、短半轴。分别为椭圆孔的长、短半轴。假定水平应力为深度假定水平应力为深度z z的一次函数，即的一次函数，即 q q=+z z，和和是是和和当当地地地地应应力力情情况况有有关关的的常常数数；据据此此先先推推导导出出在在板板的的x轴轴和和y轴轴方方向向上上分分别别承承受受均均布布拉拉应应力力q和和 q的的应应力力表表达达式式，再再把把两两式式叠叠加加，得得到到在在水水平平地地应应力力作作用用下下的的环环向向应力，应力，再再把把它它与与自自重重应应力力叠叠加加，得得到到表表达达深深凹凹露露天天矿矿实实际际受受力力状状况况的的表表达达式式，将将此此式式代代入入表表达达边边坡坡上上处处于于极极限限平平衡衡受受力力状状况况的的微微元元体体的的平平衡衡方方程程式式，可可得得到到表表征征深深凹凹露露天天矿矿边边坡坡深深度度和和曲曲率率半半径的微分方程为径的微分方程为:（2）式中：式中：求求解解这这个个微微分分方方程程很很困困难难，但但对对具具体体参参数数赋赋值值后后，可可以以简简化化为为代代数数方方程程求求解解，从从而而得得到到合理的边坡形状曲线。合理的边坡形状曲线。对对该该公公式式的的具具体体解解析析，得得到到一一些些很很有有意意义义的的表表达达，如如在在深深凹凹边边坡坡的的下下部部，甚甚至至许许可可出出现现超超过过90的的反反凹凹边边坡坡，自自然然界界与与工工程程界界确确实实存存在这种现象。在这种现象。1.5.2 运用数值模拟方法证明小曲率半径原运用数值模拟方法证明小曲率半径原理与端部作用原理理与端部作用原理（1 1）计算模型的建立）计算模型的建立 运运用用三三维维有有限限元元计计算算分分析析了了在在自自重重应应力力作作用用下下，100m100m、500m500m、1000m1000m的的圆圆柱柱形形贯贯通通开开挖挖和和非非贯贯通通开开挖挖（非非贯贯通通开开挖挖模模拟拟了了露露天天坑坑具有底部的情况）岩体应力变化的情况。具有底部的情况）岩体应力变化的情况。运运用用Algor Algor FEASFEAS程程序序建建立立有有限限元元计计算算模模型型进进行行计计算算。有有限限元元计计算算模模型型模模拟拟的的是是一一个个长长宽宽高高尺尺寸寸为为1000010000m m10000m10000m6000m6000m的的均均质质各各向向同同性性岩岩体体，直直角角坐坐标标原原点点位位于于模模型型中中轴轴线线距距上上表表面面10001000m m处处，XYXY平平面面为为水水平平面面。模模型型除除上上表表面面无无约约束束外外，其其余余5 5个个表表面面受受垂垂直直于于该该面面的的位位移移约约束束。模模型型划划分分为为1008010080个个六六面面体体单单元元，1093310933个节点。个节点。（2 2）端部作用原理的模拟计算研究）端部作用原理的模拟计算研究 贯通开挖的模拟贯通开挖的模拟 在在该该模模型型中中央央分分别别进进行行100m100m、500m500m和和1000m1000m的全高程（的全高程（60006000m m）的贯通开挖。的贯通开挖。下下图图表表示示了了三三种种直直径径贯贯通通开开挖挖的的应应力力等等值值线线图图，该该图图为为对对称称剖剖面面左左侧侧的的局局部部，其其4 4角角标标示示了了坐坐标标值值，图图内内数数字字为为应应力力等等值值线线的的应应力力值。值。图图6 6 100m100m（上）、上）、500m500m（中）和中）和1000m1000m（下）贯通开挖的下）贯通开挖的11等值线图（左）和等值线图（左）和33等值线图（右）等值线图（右）由由上上图图左左边边可可以以看看到到，开开挖挖后后最最大大主主应应力力1 1的分布取决于自重应力，应力分布平稳。的分布取决于自重应力，应力分布平稳。上图右边表示了上述三种直径贯通开挖时上图右边表示了上述三种直径贯通开挖时的最小主应力的最小主应力3 3在开挖直径在开挖直径3 3倍范围的岩体内，倍范围的岩体内，产生了非常剧烈的压降。产生了非常剧烈的压降。非贯通开挖的模拟非贯通开挖的模拟 在在相相同同平平面面坐坐标标分分别别进进行行上上述述直直径径从从10001000m m高程到高程到0 0m m高程的非贯通开挖。高程的非贯通开挖。图图7 7 100m100m（上）、上）、500m500m（中）和中）和1000m1000m（下）非贯通开挖的下）非贯通开挖的11等值线图（左）和等值线图（左）和33等值线图（右）等值线图（右）图图7 7左左表表示示了了三三种种非非贯贯通通开开挖挖的的1 1分分布布等等值值线。线。100m100m非非贯贯通通开开挖挖，圆圆柱柱壁壁500500m m高高程程至至0 0m m高高程程之之间间出出现现1 1小小幅幅上上升升。圆圆柱柱体体底底部部0 0m m水水平平至至-500500m m高程范围内高程范围内1 1出现小幅下降。出现小幅下降。500m500m的的非非贯贯通通开开挖挖，上上述述变变化化扩扩大大，圆圆柱柱体体底底部部岩岩体体出出现现较较大大范范围围的的压压降降区区，圆圆柱柱体体底底面面中中心心的的1 1由由2727MPaMPa下下降降到到8 8MPaMPa，压压降降范范围围往往下延伸到下延伸到-1000-1000m m左右。左右。1000m1000m开开挖挖把把上上述述变变化化进进一一步步扩扩大大，圆圆柱柱体体底底面面中中心心的的1 1下下降降到到4 4MPaMPa以以下下，其其下下部部应应力力降降低区的范围扩展到低区的范围扩展到-1500-1500m m以下。以下。图图7 7右为三种非贯通开挖的右为三种非贯通开挖的3 3等值线图。等值线图。非非贯贯通通开开挖挖总总体体上上引引起起了了圆圆柱柱壁壁和和圆圆柱柱底底面面附附近近3 3的的下下降降，但但圆圆柱柱壁壁上上的的3 3下下降降值值只只有有贯贯通通开开挖挖的的一一半半左左右右，且且越越接接近近圆圆柱柱底底，下下降降的的幅幅度度值值越越小，甚至出现小幅上升。小，甚至出现小幅上升。圆圆柱柱体体下下方方岩岩体体出出现现压压降降区区，100m100m开开挖挖下下方方3 3为为正正值值，500m500m开开挖挖下下方方最最大大拉拉应应力力为为2.42.4MPaMPa，1000m1000m开挖最大拉应力则达到开挖最大拉应力则达到5.15.1MPaMPa。研研究究表表明明，该该底底部部岩岩体体阻阻止止了了在在无无端端部部（贯贯通通开开挖挖）情情况况下下圆圆柱柱壁壁3 3迅迅速速下下降降的的情情况况，同同时时（1 1-3 3）的的差差值值减减小小，且且在在端端部部下下方方出出现现3 3逐逐渐渐下下降降现现象象，证证明明了了露露天天坑坑底底部部具具有有有有利于改变深部边坡应力分布的端部作用原理。利于改变深部边坡应力分布的端部作用原理。（3 3）小曲率半径端原理的模拟计算研究）小曲率半径端原理的模拟计算研究 计计 算算 分分 析析 了了 底底 部部 直直 径径 分分 别别 为为 100m100m、500m500m、1000m1000m、边边坡坡角角为为5050、高高度度为为500500m m的的倒倒截截头头圆圆锥锥开开挖挖的的应应力力分分布布，研研究究表表明明，随随着着开开挖挖范范围围的的扩扩大大，1 1和和3 3的的下下降降范范围围、下下降降的的幅幅值值、（1 1-3 3）的的值值均均扩扩大大，不不利利于于边边坡的稳定，证明了小曲率半径原理。坡的稳定，证明了小曲率半径原理。1.5.3现场研究取得进展现场研究取得进展 20192019年年20192019年年，武武汉汉理理工工大大学学在在金金堆堆城城钼钼业业公公司司完完成成了了金金堆堆城城凹凹陷陷露露天天矿矿边边坡坡形形状状力力学学优优化化研研究究。该该项项目目通通过过对对金金堆堆城城深深凹凹露露天天矿矿边边坡坡岩岩体体物物理理力力学学性性质质现现场场调调查查研研究究、边边坡坡岩岩体体声声波波测测试试研研究究、边边坡坡岩岩体体内内部部位位移移监监测测系系统统的的建建立立与与监监测测研研究究、深深凹凹边边坡坡位位移移反反分分析析研研究究、爆爆破破震震动动对对金金堆堆城城露露天天边边坡坡稳稳定定性性影影响响测测试试研研究究、露露天天矿矿边边坡坡渗渗流流与与应应力力耦耦合合分分析析研研究、金堆城深凹边坡形状力学优化研究。究、金堆城深凹边坡形状力学优化研究。采采用用“凹凹陷陷露露天天矿矿边边坡坡少少剥剥离离技技术术的的时时空空原原理理”的的弹弹性性力力学学分分析析方方法法优优化化研研究究后后所所选选取取的的边边坡坡形形状状与与原原始始设设计计的的边边坡坡进进行行剥剥离离量量对对比比，可可以以减减少少废废石石剥剥离离量量1.491.4910107 7m m3 3，取取边边坡坡的的剥剥离离费费用用为为2525元元/m m3 3，可可节节约约剥剥离离费费用用37003700万万元元，将将为为金金堆堆城城钼钼业业公公司司带带来来巨巨大大的的经经济济效效益益和和社社会效益。会效益。1.5.4 时间原理的研究有待深入时间原理的研究有待深入 报报告告人人提提出出的的时时间间原原理理基基于于地地质质依依据据与与开开挖后受爆破与风化影响时间的不同，即：挖后受爆破与风化影响时间的不同，即：地地表表浅浅层层岩岩体体受受到到亿亿万万年年的的风风化化与与人人类类活活动的破坏，强度削弱较严重，稳定性较差；动的破坏，强度削弱较严重，稳定性较差；随随着着岩岩体体赋赋存存深深度度的的增增加加，上上述述破破坏坏的的影影响下降，岩体强度削弱较少，稳定性较好；响下降，岩体强度削弱较少，稳定性较好；受受生生产产爆爆破破影影响响的的时时间间不不同同：下下部部边边坡坡受受生生产产爆爆破破和和开开挖挖后后风风化化作作用用对对其其稳稳定定性性削削弱弱的的程度明显低于上部。程度明显低于上部。时时间间原原理理的的基基础础是是有有依依据据的的。这这些些研研究究需需要要的的试试验验、理理论论研研究究的的时时间间跨跨度度较较长长，较较难难，有有待深入研究。待深入研究。2 浅露天矿开采的时空原理浅露天矿开采的时空原理 这这里里的的浅浅露露天天矿矿，指指覆覆盖盖层层较较浅浅、在在水水平平面面上上延延伸伸较较大大的的水水平平或或缓缓倾倾斜斜矿矿床床，以以煤煤矿矿、石石膏膏矿、磷矿、锰矿等沉积矿床为代表。矿、磷矿、锰矿等沉积矿床为代表。2.1 2.1 浅露天矿的特点浅露天矿的特点 浅露天矿的特点是，如果一次开挖到最低浅露天矿的特点是，如果一次开挖到最低标高，就许可剥离废石内排。本理论适合于此标高，就许可剥离废石内排。本理论适合于此类矿山。类矿山。2.2 2.2 浅露天矿的时空原理浅露天矿的时空原理 浅露天矿的时空原理是密切相关的，浅露天矿的时空原理是密切相关的，即有计划地把矿体划分为较小的采剥单即有计划地把矿体划分为较小的采剥单元，迅速完成该单元的剥离、采矿与剥元，迅速完成该单元的剥离、采矿与剥离废石充填，使得该部分最终边坡的存离废石充填，使得该部分最终边坡的存在时间最短，从而可加陡最终边坡角，在时间最短，从而可加陡最终边坡角，减少废石剥离量，减少边坡的维护工作减少废石剥离量，减少边坡的维护工作量。量。2.3 浅露天矿的时间原理浅露天矿的时间原理 露天矿的时间原理受到采矿科技工露天矿的时间原理受到采矿科技工作者的广泛关注。作者的广泛关注。才庆祥教授等认为，对于以汽车运输为主才庆祥教授等认为，对于以汽车运输为主的水平或近水平露天煤矿，一般都会采用内排的水平或近水平露天煤矿，一般都会采用内排方式，那么端帮边坡就会有一个从形成、暂时方式，那么端帮边坡就会有一个从形成、暂时存在到被掩埋的动态变化过程，通过实施相应存在到被掩埋的动态变化过程，通过实施相应的采矿技术措施可以进一步减小端帮边坡端帮的采矿技术措施可以进一步减小端帮边坡端帮暴露时间，为保证二次设计的端帮边坡的稳定暴露时间，为保证二次设计的端帮边坡的稳定性和靠帮开采的顺利实施提供技术支撑。性和靠帮开采的顺利实施提供技术支撑。时时效效边边坡坡作作为为代代表表一一种种露露天天矿矿边边坡坡分分析析的的理理念念，是是用用动动态态的的参参数数对对露露天天矿矿边边坡坡进进行行评评价价与与设设计计，指指通通过过若若干干露露天天采采矿矿技技术术措措施施，缩缩短短边边坡坡暴暴露露时时间间，提提高高设设计计帮帮坡坡角角，既既能能体体现现综综合效益，又能保证露天矿采场帮坡的稳定。合效益，又能保证露天矿采场帮坡的稳定。时效边坡突破了传统边坡的概念，考虑工时效边坡突破了传统边坡的概念，考虑工程的时间性，在传统的露天开采中将边坡设计程的时间性，在传统的露天开采中将边坡设计的永久性过渡到设计的时效性，提高端帮的帮的永久性过渡到设计的时效性，提高端帮的帮坡角，为实现靠帮开采提供理论支持坡角，为实现靠帮开采提供理论支持。才才庆庆祥祥教教授授等等分分析析了了内内排排压压帮帮对对端端帮帮稳稳定定性性的的影影响响，进进而而提提出出了了边边坡坡时时效效性性及及边边坡坡稳稳定定判判断断准准则则，在在安安家家岭岭露露天天煤煤矿矿研研究究了了内内排排前前后后的边坡稳定性，结论是：的边坡稳定性，结论是：由由于于内内排排压压帮帮，使使得得边边坡坡的的高高度度减减小小，在在相相同同边边坡坡角角情情况况下下，边边坡坡高高度度越越小小，边边坡坡的的稳稳定定性性越好。越好。同同时时，压压帮帮内内排排最最下下一一个个台台阶阶高高度度对对时时效效边边坡坡影影响响较较大大，压压帮帮高高度度越越大大，端端帮帮暴暴露露时时间间越越短短，稳定性系数提高越大；稳定性系数提高越大；内内排排场场可可以以减减少少排排土土运运距距和和提提高高端端帮帮的的稳稳定定系系数数，安安太太堡堡露露天天煤煤矿矿端端帮帮边边坡坡角角可可以以提提高高到到4242；当当边边坡坡在在内内排排压压帮帮下下,边边坡坡稳稳定定性性系系数数提提高高到到1.31.31.41.4，在暴露时间内完全可以保证稳定。，在暴露时间内完全可以保证稳定。2.4 露天矿开采的快速排土护坡 2.4.1露天矿传统的废石排放与生态恢复 迄迄今今为为止止，国国内内外外矿矿床床露露天天开开采采工工艺艺中中的的废废石石剥剥离离、废废石石的的运运输输与与排排放放、废废石石场场的的复复垦垦与与绿绿化化、边边坡坡的的维维护护等等几几个个重重要要环环节节是是相相对对独独立立的的，多多独独立立进进行行设设计计、施施工工与与管管理理，指指导导思思想想是是满满足足上上下下工工艺艺环环节节之之间间的的产产能能要要求求并并降降低低成本。成本。通通常常露露天天矿矿山山开开采采是是从从一一端端向向另另一一端端连连续续推推进进，形形成成较较大大范范围围的的岩岩土土体体扰扰动动与与地地面面环环境境破破坏坏，开开采采过过程程中中形形成成的的最最终终边边坡坡可可能能存存在在几几年年甚甚至至几几十十年年，需需要要完完成成大大量量的的边边坡坡维维护护工工作作，耗耗费费大大量量资资金金，还还可可能能出出现现滑滑坡坡等等工工程程地地质质灾灾害，带来生命与财产的损失。害，带来生命与财产的损失。图8 露天矿剥离废石的坑内排放示意图 在露天矿内排方面有大量报道。在露天矿内排方面有大量报道。如如徐徐志志远远等等介介绍绍了了平平朔朔煤煤炭炭工工业业公公司司安安太太堡堡露露天天矿矿把把露露天天坑坑东东部部剥剥离离的的岩岩土土运运到到西西部部全全压压帮帮内内排排，解解决决分分区区开开采采无无固固定定帮帮可可供供运运输输的的问题；问题；顾顾正正洪洪等等介介绍绍了了近近水水平平矿矿床床内内排排重重要要技技术术参数的确定。参数的确定。这这些些报报道道主主要要是是考考虑虑满满足足露露天天采采矿矿的的工工艺艺要要求求和和节节约约废废石石运运输输成成本本，没没有有把把它它们们与与最最终终边坡的及时、完全、最终的治理结合起来。边坡的及时、完全、最终的治理结合起来。在露天矿排土场复垦方面有大量报道。在露天矿排土场复垦方面有大量报道。如才庆祥等介绍了露天矿剥离与土地复垦如才庆祥等介绍了露天矿剥离与土地复垦一体化作业优化研究；一体化作业优化研究；杨选民介绍了印度加亚昆达姆褐煤露天矿杨选民介绍了印度加亚昆达姆褐煤露天矿土地复垦措施；土地复垦措施；Dietrich,Norman L.介绍了欧洲矿山复垦介绍了欧洲矿山复垦反映的文化与地区的多样化。反映的文化与地区的多样化。这些报道，也没有把它们与细分区域的快这些报道，也没有把它们与细分区域的快速生态环境恢复结合起来。速生态环境恢复结合起来。2.4.2 新理论的指导思想 新新理理论论旨旨在在细细分分开开采采区区域域，使使露露天天矿矿开开挖挖引起的地层扰动与破坏范围最小；引起的地层扰动与破坏范围最小；使使用用剥剥离离废废石石作作为为充充填填护护坡坡材材料料，变变废废为为宝；废石就近充填，节约运输成本；宝；废石就近充填，节约运输成本；快快速速排排土土完完成成护护坡坡，使使最最终终边边坡坡的的临临空空时时间间短短，可可加加适适度度加加陡陡边边坡坡角角，减减少少剥剥采采比比与与边边坡维坡维 护费用，减少边坡滑塌的几率；护费用，减少边坡滑塌的几率；及及早早完完成成排排土土区区域域的的绿绿化化或或混混凝凝土土覆覆盖盖，实现露天矿的低成本环保绿色开采。实现露天矿的低成本环保绿色开采。2.4.3 理论依据（1）局限的理念）局限的理念 改改变变大大范范围围开开挖挖矿矿岩岩体体的的传传统统方方式式，把把生生产产循循环环限限制制在在生生产产工工艺艺允允许许且且成成本本低低的的最最小小范范围，实现对生态环境影响最小，并恢复最快。围，实现对生态环境影响最小，并恢复最快。（2）精细生产的理念）精细生产的理念 精精细细生生产产起起源源于于日日本本丰丰田田公公司司，从从一一般般意意义义上上讲讲，精精细细生生产产指指对对一一切切资资源源的的占占用用少少，对对一一切切资资源源的的利利用用率率高高。资资源源包包括括土土地地、矿矿产产、原料、材料、设备、人员、时间和资金等。原料、材料、设备、人员、时间和资金等。精细的含义包括质量。精细的含义包括质量。质质量量高高的的产产品品在在消消耗耗同同样样多多的的物物化化劳劳动动和和活活劳劳动动的的条条件件下下，可可以以提提供供更更好好的的功功能能、更更可可靠的性能和更长的使用寿命。靠的性能和更长的使用寿命。精精细细生生产产的的基基本本原原理理是是：不不断断改改进进，消除对资源的浪费，协力工作，沟通。消除对资源的浪费，协力工作，沟通。精精细细生生产产的的主主要要内内容容包包括括工工厂厂现现场场管管理理、新新产产品品开开发发、与与用用户户的的关关系系、与与供供应应厂家的关系等方面。厂家的关系等方面。显显然然，汽汽车车制制造造行行业业精精细细生生产产的的原原理理对对采采掘掘业业是是适适用用的的，本本理理论论具具有有使使露露天天矿矿开采精细化的理念。开采精细化的理念。采掘业应该迈入精细开采的时代了！采掘业应该迈入精细开采的时代了！（3）岩石力学的基本理论）岩石力学的基本理论 岩岩石石力力学学边边坡坡治治理理“压压脚脚”理理论论的的发发展展 在在岩岩石石力力学学与与工工程程上上，人人们们常常在在稳稳定定性性不不能能满满足足安安全全要要求求的的边边坡坡的的上上部部进进行行岩岩土土开开挖挖并并运运走走，从从而而削削减减边边坡坡上上部部的负荷，称为削顶。的负荷，称为削顶。在在边边坡坡的的中中部部采采用用合合适适的的手手段段如如锚锚杆、锚索或抗滑桩进行加固。杆、锚索或抗滑桩进行加固。在在边边坡坡的的下下部部排排放放岩岩土土压压住住坡坡脚脚，增加抗滑力。增加抗滑力。它它们们是是当当前前综综合合治治理理边边坡坡、避避免免滑滑塌塌的最有效的措施与方法。的最有效的措施与方法。本理论把本理论把“压脚压脚”往上发展，即不往上发展，即不但压脚，还逐渐但压脚，还逐渐“压腰压腰”、“压胸压胸”，甚至甚至“压脸压脸”，用剥离的废石与表土，用剥离的废石与表土，全面压住高陡的最终边坡，使之形成稳全面压住高陡的最终边坡，使之形成稳定的缓坡或平地，消除最终边坡滑塌的定的缓坡或平地，消除最终边坡滑塌的安全隐患。安全隐患。缩短风化与人为破坏对边坡岩体缩短风化与人为破坏对边坡岩体稳定性影响的时间稳定性影响的时间 以以较较小小的的开开采采单单元元生生产产与与回回填填，可可以以缩缩短短最最终终边边坡坡的的临临空空时时间间，减减少少风风化化与与生生产产爆爆破破对对边边坡坡岩岩体体稳稳定定性性的的削削弱弱，得得以以适适当当加加陡陡最最终终边边坡坡角角，降降低低剥剥采采比比，从而降低生产成本。从而降低生产成本。（4）运输功最小理论）运输功最小理论 剥剥离离废废石石坑坑内内排排放放的的运运距距只只有有外外排排的的几几分分之之一一，为为实实现现废废石石运运输输功功最最小小打打下了良好的基础。下了良好的基础。（5）环境保护与生态恢复理论）环境保护与生态恢复理论 利用矿山环境工程、恢复生态学、利用矿山环境工程、恢复生态学、水土保持工程学、植物学的理论与方法，水土保持工程学、植物学的理论与方法，保护环境并快速恢复生态。保护环境并快速恢复生态。（6）矿山系统工程）矿山系统工程 利利用用矿矿山山系系统统工工程程的的理理论论与与方方法法，系系统统研研究究各各工工艺艺环环节节的的内内在在联联系系，提提出出新新的的优优化化组组合合工工艺艺，并并在在边边坡坡维维护护理理论论与与方方法法上上取取得得突突破破，尽尽快快恢恢复复生生态态环环境境，大大幅幅降降低低生生产产成成本本，取取得得良良好好的的经经济济效效益与社会效益。益与社会效益。2.4.4工艺步骤 （1）在在矿矿体体的的一一端端或或中中部部用用常常规规的的方方法法进进行行废废石石剥剥离离，把把废废石石排排放放到到外外排排土土场场，开开采采剥剥离离出出的的矿矿体体，形形成成满满足足最最小小尺尺寸寸的的初始采剥工作面。初始采剥工作面。（2）在采剥推进方向上，把采剥范围）在采剥推进方向上，把采剥范围划分为左帮区、中区和右帮区，在满足划分为左帮区、中区和右帮区，在满足采剥作业要求最小尺寸与低成本的条件采剥作业要求最小尺寸与低成本的条件下，把每个区分为若干个分段。下，把每个区分为若干个分段。（3）首先进行左、右两帮区第一分）首先进行左、右两帮区第一分段的剥离与采矿，第一分段中区的采剥段的剥离与采矿，第一分段中区的采剥适度跟进，剥离的废石在矿坑内部排放，适度跟进，剥离的废石在矿坑内部排放，用于露天矿后部边坡及两帮部分边坡的用于露天矿后部边坡及两帮部分边坡的压坡，从坡脚一直压到坡顶，完成后部压坡，从坡脚一直压到坡顶，完成后部边坡的永久护坡治理。边坡的永久护坡治理。（4）对对于于完完成成边边坡坡治治理理的的分分段段，立立即即复垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态。复垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态。（5）第第二二步步是是进进行行左左、右右帮帮区区第第二二分分段段的的剥剥离离与与开开采采，剥剥离离的的废废石石用用于于第第一一分分段段边边坡坡的的护护坡坡回回填填，中中区区采采剥剥工工作作面面适适度度跟跟进进，剥剥离离废废石石用用于于其其后后方方采采空空区区就就近近回回填填，回回填填到到位位的的地地段段立立即即复复垦垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态。绿化或混凝土覆盖，恢复生态。（6）从第二步起，进入正常的生）从第二步起，进入正常的生产循环，如此分段推进，直至矿山开采产循环，如此分段推进，直至矿山开采完毕，生态恢复也进行完毕。完毕，生态恢复也进行完毕。对对于于从从中中部部形形成成初初始始采采剥剥工工作作面面的的矿矿山山，可可以以形形成成两两个个采采剥剥工工作作面面，采采用用上述工艺，反向推进。上述工艺，反向推进。2.4.5主要工艺变革 （1）快速开挖一段最终边坡）快速开挖一段最终边坡 把把露露天天矿矿的的最最终终边边坡坡划划为为若若干干段段，快快速速完完成成一一段段露露天天最最终终边边坡坡的的开开挖挖，及及其附近矿体的最终开采。其附近矿体的最终开采。（2）迅速回填实现一段最终边坡的）迅速回填实现一段最终边坡的护坡护坡 一一旦旦完完成成一一段段最最终终边边坡坡的的开开挖挖，立立即即把把附附近近剥剥离离的的废废石石与与表表土土排排放放到到开开挖挖出出来来的的这这段段最最终终边边坡坡上上，尽尽快快从从下下往往上上压压坡坡，形形成成新新的的稳稳定定的的废废石石缓缓坡坡，从从而而实现最终边坡的快速与永久治理。实现最终边坡的快速与永久治理。排排土土工工作作需需根根据据排排土土体体的的稳稳定定、恢恢复复生生态态环环境境等等的的要要求求，按按照照需需要要的的种种类类与数量，在指定的地点有计划地排放。与数量，在指定的地点有计划地排放。（3）快速恢复生态环境）快速恢复生态环境 完完成成排排土土护护坡坡后后，改改良良土土壤壤，尽尽快快植草造林，恢复良好的生态环境。植草造林，恢复良好的生态环境。如如此此循循环环，实实现现矿矿山山的的高高效效、安安全全、低成本的环保开采。低成本的环保开采。2.4.6 应用前景应用前景 本本理理论论有有大大量量研研究究工工作作要要做做，在在煤煤炭炭露露天天矿矿有有最最广广泛泛的的应应用用前前景景，可可在在条条件件合适的非金属与金属矿山应用。合适的非金属与金属矿山应用。快快速速排排土土护护坡坡与与生生态态恢恢复复的的露露天天矿矿开开采采工工艺艺已已获获中中华华人人民民共共和和国国知知识识产产权权局局颁颁发发的的发发明明专专利利证证书书（专专利利号号：ZL 2019 1 0019707.2）。）。话外话外 2009年，才庆祥教授申报特大型年，才庆祥教授申报特大型露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论研究露天煤矿高陡时效边坡稳定性理论研究国家自然科学基金重点项目，得到评国家自然科学基金重点项目，得到评审人好评。审人好评。参考文献1.,.-.,2000(7)：10112.张富民.采矿设计手册（1），矿山地质卷（上）.北京：中国建筑工业出版社，1989，9169523.李宝祥.金属矿床露天开采.北京：冶金工业出版社，1992，154 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