深凹露天礦與淺露天礦開采的時(shí)空原

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1、深凹露天礦與淺露天礦開采的時(shí)空原理張世雄2009年6月8日徐州?中國礦業(yè)大學(xué)?深凹露天礦開采的空間與時(shí)間原理?淺露天礦開采的空間與時(shí)間原理?露天礦快速排土護(hù)坡理論?露天礦精細(xì)開采的理念1深凹露天礦開采的時(shí)空原理根據(jù)對自然界與巖土工程的長期觀察、思考與研究，報(bào)告人提出了?深凹露天礦開采的空間與時(shí)間原理?淺露天礦開采的空間與時(shí)間原理1.1深凹露天礦的特點(diǎn)非金屬深凹露天礦具有明顯的空間力學(xué)特點(diǎn)，典型的代表是金剛石礦，它們具有通常人們想象不到的陡邊坡角。原生金剛石礦以金伯利巖管的形式產(chǎn)出，近乎垂直，水平剖面呈圓形或橢圓形，上部露天開采，形成巨大的陡

2、圓錐形深坑。世界上最大的巖土開挖工程——俄羅斯和平金剛石礦的景觀令人震撼！顯然，經(jīng)過理論研究與工業(yè)試驗(yàn)，金剛石礦有利于邊坡巖體穩(wěn)定性的空間原理可以推廣到其他深凹露天礦，從而合理加陡露天礦邊坡角，節(jié)約巨大的廢石剝離量。1.2傳統(tǒng)露天礦邊坡角確定方法存在局限性與保守性最終邊坡角的確定對露天礦的生產(chǎn)、安全與經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。較小的邊坡角，將增加剝巖量，使剝采比增大。從經(jīng)濟(jì)效果考慮，希望邊坡角盡可能大些；然而，過大的邊坡角將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，影響礦山正常生產(chǎn)。因此，露天礦的最終邊坡角，要同時(shí)滿足安全穩(wěn)定條件和開采技術(shù)條件的要求，并盡可能地加陡。通常是

3、假定巖體只承受自重應(yīng)力作用且處于平面應(yīng)變狀態(tài)，用極限平衡方法判斷巖體的穩(wěn)定性，在巖性相同的情況下，通常確定的最終邊坡角為一定值（通常在30°～53°范圍內(nèi)）。這種方法由于沒有考慮邊坡的空間幾何形狀和邊坡形成的時(shí)間長短等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，因此，它主要適用于深度較淺的在水平面上呈直線形的邊坡。專家指出，與國外同類礦山相比，我國大型露天礦山的邊坡角普遍緩5°左右，而一個(gè)年產(chǎn)300～1000萬t的礦山，邊坡角每提高1°，就可以減少剝離量0.5～1.5億t，節(jié)約投資1～3億元。大事故河北邢臺縣尚汪莊石膏礦區(qū)2005.11.637特別重大事故宜昌

4、市興山縣勝鳳磷礦2006.7.273較大事故湖南石門縣天德石膏礦2006.8.199較大事故陜西勉縣茶店磷礦2008.7.23較大事故1.3深凹露天礦有利于邊坡穩(wěn)定的空間與時(shí)間特性逐漸為人們認(rèn)識和重視前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)申科在20世紀(jì)60年代提出巖石邊坡在垂直剖面上可采取凸形邊坡的概念，建議用極限平衡法調(diào)整邊坡的形狀使之上緩下陡，以適應(yīng)上部巖石風(fēng)化層穩(wěn)定性較差的情況。1970年P(guān)iteau等人研究了南非4個(gè)大型金剛石礦邊坡曲率半徑對邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)開采后處于自然平衡狀態(tài)的邊坡，其平均邊坡角隨邊坡在水平面上曲率半徑的減小而增加。曲率半徑為100

5、0英尺時(shí)平均邊坡角為27.3°，而曲率半徑為200英尺時(shí)平均邊坡角上升到39.5°。我國學(xué)者從20世紀(jì)70年代開始注意到邊坡形狀與時(shí)間對穩(wěn)定性的影響，認(rèn)識到當(dāng)邊坡在水平面上向采場凹進(jìn)時(shí)，邊坡巖體的側(cè)向受到壓應(yīng)力作用，比較穩(wěn)定。在垂直剖面上，凸形邊坡具有上緩下陡的外形，符合露天礦形成的時(shí)間特點(diǎn)，可以少剝離巖石多采礦石，是適用于深露天礦邊坡的斷面形狀。報(bào)告人1998年在《中國礦業(yè)》雜志上提出了凹陷露天礦邊坡少剝離技術(shù)的時(shí)空原理，其主要依據(jù)是：（1）地質(zhì)依據(jù)地表淺層巖體受到億萬年的風(fēng)化與人類活動(dòng)的破壞，強(qiáng)度削弱較嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差；隨著巖體賦存深度

6、的增加，上述破壞的影響下降，巖體強(qiáng)度削弱較少，穩(wěn)定性較好。（2）受生產(chǎn)爆破影響的時(shí)間不同下部邊坡受生產(chǎn)爆破和開挖后風(fēng)化作用對其穩(wěn)定性削弱的程度明顯低于上部。（3）小曲率半徑原理曲率半徑較小的圓拱具有較好的穩(wěn)定性，隨著開采深度的增加，露天坑的曲率半徑逐漸減小。（4）端部作用原理把坑底看作深凹露天礦邊坡的端部，此端部對礦坑下部邊坡的應(yīng)力具有轉(zhuǎn)移承受作用，并對下部邊坡的位移具有牽制阻礙作用，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。報(bào)告人在自然界與工程界找到許多例證：Biswas的研究表明，風(fēng)化的煤柱強(qiáng)度比未受風(fēng)化影響的強(qiáng)度降低50％以上；大家熟知，自然崩落的巖洞

7、頂部多呈拱形，小曲率半徑的拱橋與建筑物拱頂比大曲率半徑的承載能力高；Rassam的研究表明，在水平面上，把高廢石堆堆成內(nèi)凹的形狀，其邊坡極限穩(wěn)定角至少比堆成直線形的大2°；塌陷坑通常呈上大下小的喇叭形；放礦漏斗呈喇叭形；疏水井附近地下水位線也呈類似形狀下降；端部作用可看成把一個(gè)圓筒的一端封閉，封閉端的剛度與穩(wěn)定性顯然提高。我國一些露天礦在深部開采中已出現(xiàn)改變設(shè)計(jì)加陡邊坡角的實(shí)例，如：白銀有色金屬公司1號露天采場設(shè)計(jì)邊坡角為46°，生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了最下部5個(gè)臺階并段，高度增加到62m，邊坡角提高到60°，該邊坡開挖后多年保持穩(wěn)定；大冶鐵礦東露天坑

8、坑底部分邊坡角已達(dá)90°。通過研究，為合理加陡深凹露天礦邊坡角找到理論根據(jù)，尋找科學(xué)的確定邊坡角的方法，把現(xiàn)在看似“違規(guī)”的加陡下部邊坡角的行為合法化，編制相應(yīng)的確定規(guī)則，會取得