深凹露天矿与浅露天矿开采的时空原

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1、深凹露天矿与浅露天矿开采的时空原理张世雄2009年6月8日徐州•中国矿业大学•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•露天矿快速排土护坡理论•露天矿精细开采的理念1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、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•浅露天矿开采的空间与时间原理1.1深凹露天矿的特点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，它们具有通常人们想象不到的陡边坡角。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圆形，上部露天开采，形成巨大的陡

2、圆锥形深坑。世界上最大的岩土开挖工程——俄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，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，从而合理加陡露天矿边坡角，节约巨大的废石剥离量。1.2传统露天矿边坡角确定方法存在局限性与保守性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。较小的边坡角，将增加剥岩量，使剥采比增大。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失稳，影响矿山正常生产。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要求，并尽可能地加陡。通常是

3、假定岩体只承受自重应力作用且处于平面应变状态，用极限平衡方法判断岩体的稳定性，在岩性相同的情况下，通常确定的最终边坡角为一定值（通常在30°～53°范围内）。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边坡。专家指出，与国外同类矿山相比，我国大型露天矿山的边坡角普遍缓5°左右，而一个年产300～1000万t的矿山，边坡角每提高1°，就可以减少剥离量0.5～1.5亿t，节约投资1～3亿元。大事故河北邢台县尚汪庄石膏矿区2005.11.637特别重大事故宜昌

4、市兴山县胜凤磷矿2006.7.273较大事故湖南石门县天德石膏矿2006.8.199较大事故陕西勉县茶店磷矿2008.7.23较大事故1.3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前苏联学者费申科在20世纪60年代提出岩石边坡在垂直剖面上可采取凸形边坡的概念，建议用极限平衡法调整边坡的形状使之上缓下陡，以适应上部岩石风化层稳定性较差的情况。1970年Piteau等人研究了南非4个大型金刚石矿边坡曲率半径对边坡稳定性的影响，发现开采后处于自然平衡状态的边坡，其平均边坡角随边坡在水平面上曲率半径的减小而增加。曲率半径为100

5、0英尺时平均边坡角为27.3°，而曲率半径为200英尺时平均边坡角上升到39.5°。我国学者从20世纪70年代开始注意到边坡形状与时间对稳定性的影响，认识到当边坡在水平面上向采场凹进时，边坡岩体的侧向受到压应力作用，比较稳定。在垂直剖面上，凸形边坡具有上缓下陡的外形，符合露天矿形成的时间特点，可以少剥离岩石多采矿石，是适用于深露天矿边坡的断面形状。报告人1998年在《中国矿业》杂志上提出了凹陷露天矿边坡少剥离技术的时空原理，其主要依据是：（1）地质依据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，稳定性较差；随着岩体赋存深度

6、的增加，上述破坏的影响下降，岩体强度削弱较少，稳定性较好。（2）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对其稳定性削弱的程度明显低于上部。（3）小曲率半径原理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，露天坑的曲率半径逐渐减小。（4）端部作用原理把坑底看作深凹露天矿边坡的端部，此端部对矿坑下部边坡的应力具有转移承受作用，并对下部边坡的位移具有牵制阻碍作用，有利于提高边坡的稳定性。报告人在自然界与工程界找到许多例证：Biswas的研究表明，风化的煤柱强度比未受风化影响的强度降低50％以上；大家熟知，自然崩落的岩洞

7、顶部多呈拱形，小曲率半径的拱桥与建筑物拱顶比大曲率半径的承载能力高；Rassam的研究表明，在水平面上，把高废石堆堆成内凹的形状，其边坡极限稳定角至少比堆成直线形的大2°；塌陷坑通常呈上大下小的喇叭形；放矿漏斗呈喇叭形；疏水井附近地下水位线也呈类似形状下降；端部作用可看成把一个圆筒的一端封闭，封闭端的刚度与稳定性显然提高。我国一些露天矿在深部开采中已出现改变设计加陡边坡角的实例，如：白银有色金属公司1号露天采场设计边坡角为46°，生产中实现了最下部5个台阶并段，高度增加到62m，边坡角提高到60°，该边坡开挖后多年保持稳定；大冶铁矿东露天坑

8、坑底部分边坡角已达90°。通过研究，为合理加陡深凹露天矿边坡角找到理论根据，寻找科学的确定边坡角的方法，把现在看似“违规”的加陡下部边坡角的行为合法化，编制相应的确定规则，会取得