一种露天矿边坡形状优化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种露天矿边坡形状优化设计方法，对一定坡高H，通过不断增大坡角α，当由滑移线场理论计算得到的极限状态下的边坡坡面形状曲线与边坡坡面线相交于坡脚时，判断边坡处于极限平衡状态，此时的坡角α为极限坡角αcr，将一系列的坡高H和极限坡角αcr拟合便得到露天矿边坡最优坡面形状，该形状为凸曲线，改变了极限平衡法单一直线开挖形式，与空间力学原理相对比，可以减少矿石剥离量，提高生产效益，延长矿山寿命，该方法为露天矿边坡形状优化设计提供了一个新的分析途径。

An optimum design method of slope shape in open pit mine

The present invention provides a kind of open pit slope shape optimization design method of slope height H, by increasing the slope angle, when the limit state is obtained by the theory of slip line field under the slope shape curve and the slope line intersect on the slope, the slope is in limit equilibrium state of judgment, the slope angle limit slope angle Cr, the high slope H and slope angle limit of a series of Cr fitting will be open pit slope optimal slope shape, the shape of convex curve, change the limit equilibrium method of single line excavation form, compared with the space mechanics principle, can reduce the amount of ore stripping, improve production efficiency and the method for extending the service life of the mine pit slope shape optimization design provides a new analysis way.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于露天矿山边坡工程
，具体涉及一种露天矿边坡形状优化设计方法。
技术介绍
我国的大中型露天矿多建于20世纪50～60年代，多数已进入深凹开采，过大的剥采比已使许多矿山陷入困境，寻求减少废石剥离量的工作日益受到人们的重视。一方面，随着开采深度的增加和边坡的加高加陡，边坡的破坏概率和开采难度增大，另一方面，在开采中提高边坡角，将大大减少剥离量，经济效益十分可观。因此，如何协调这二者的关系，设计出最优的边坡角，是每个露天矿山面临的难题，这将对矿山的生产安全和经济效益产生重大影响。目前采用的方法主要是极限平衡法(如各种类型的条分法)和数值计算分析(如元强度折减法)。采用极限平衡法分析时，坡面开挖形状一般为直线型，在计算安全系数时，还要假设和搜索临界滑裂面，安全系数可以写成关于临界滑裂面的函数，求最小安全系数即为求该函数的最小值，该函数具有非凸性和多极值性，前者阻碍了常规数学方法的使用，后者使搜索方法容易陷入局部最小值，因此很难确定极限状态，而数值分析最大的困难是如何确定边坡处于极限状态，即失稳判据的确定目前尚无更好的方法，目前只能通过人为判断和试算的办法进行分析评价。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种科学合理，效果佳的露天矿边坡形状优化设计方法，该方法由滑移线场理论计算的极限坡面曲线与边坡坡面线相交于坡脚作为边坡极限状态的判断依据来确定极限坡角αcr，通过拟合坡高H和极限坡角αcr来确定露天矿边坡形状。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种露天矿边坡形状优化设计方法，其特征是，它包括以下内容：1)计算极限坡角αcr：(1)对特定坡高H和坡角α，由滑移线场理论计算极限状态下的边坡坡面曲线，简称为极限坡面曲线，设坡顶为坐标原点，坡体一侧为x轴正半轴，向下为y轴正半轴；(2)Mα(xα，yα，θα，σα)为第α族滑移线上的点，Mβ(xβ，yβ，θβ，σβ)为第β族滑移线上的点，由公式(1-1)～(1-4)解得滑移线场上的点M(x，y，θ，σ)，其中，x为横坐标值，y为纵坐标值，θ为最大主应力σ1与x轴交角，σ为特征应力，为两族滑裂面交角平均值：(3)计算极限坡面曲线：Mb(xb，yb，θb，σb)为极限坡面曲线已知点，M′β(x′β，y′β，θ′β，σ′β)为第β族滑移线上的已知点，由公式(2-1)～(2-4)解得极限坡面曲线上点Mij(xij，yij，θij，σij)：(4)边界条件为：主动区OAB边界条件：主动区第α、β族已知计算点Mα和Mβ的横坐标x＝Δx·i，Δx为计算步长，i为自然数，i＝0～N1，N1为步长数，取N1＝999，y＝0，主动区边界最大主应力与x轴交角主动区边界特征应力P为坡顶荷载，滑移线交点计算公式为(1-1)～(1-4)；被动区OCD边界条件：被动区滑移线交点计算公式依然为(1-1)～(1-4)，而极限坡面曲线，即OD线公式采用(2-1)～(2-4)，Mb第一个已知点就是坡顶原点数值，坐标值(xb，yb)＝(0，0)，过渡区OBC边界条件：过渡区滑移线交点计算公式依然为(1-1)～(1-4)，而过渡区边界点的特征应力为其中k为自然数，k＝0～N2，Δθ＝θΙΙΙ-θΙ，N2为过渡区点剖分数，为满足Δθ≥0，则必须因此坡顶荷载最小值，当边坡算例无外荷载时，对边坡坡顶施加Pmin，此时即Δθ＝0，取N2＝0；(5)计算极限坡面曲线与坡底地基线交点横坐标x1，此时变换坐标系，设坡脚为坐标原点，向上为y轴正半轴，向边坡体一侧坡底地基线为x轴正半轴，当x1>0时，判断边坡处于稳定状态，此时增大坡角α，并重复上述步骤(1)～(4)；当x1＝0时，即极限坡面曲线与边坡坡面线相交于坡脚时，此时判断边坡处于极限状态，坡角α为极限坡角αcr；当x1<0时，此时判断边坡处于破坏状态；2)将一系列的坡高H和极限坡角αcr拟合便得到露天矿边坡最优化形状，由敏感性分析可知，坡高H和坡角α变大时，边坡稳定性降低，因此边坡保持极限状态时，坡高H变大，极限坡角αcr变小，由此可知，露天矿边坡形状优化设计结果为凸曲线；3)矿山在进行坡面形状优化设计时，要设定安全储备系数，安全储备系数的计算步骤为：①首先由公式(3)对强度参数进行折减，式中c为粘聚力，为摩擦角，Fi为折减系数，i为自然数；②采用折减后的强度参数c1和由滑移线场理论计算极限坡面曲线；当x1>0时，判断边坡处于稳定状态，此时增大Fi，当x1＝0时，即极限坡面曲线与边坡坡面线相交于坡脚时，判断边坡处于极限状态，此时Fi为露天矿山边坡安全储备系数。本专利技术的一种露天矿边坡形状优化设计方法与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术采用极限坡面曲线与边坡坡面线是否相交作为失稳判据，实现了失稳判据客观标准定量化，避免了人为因素影响，保证了矿山生产的安全性；(2)本专利技术的露天矿边坡形状优化设计以及安全储备系数的计算相对于已有方法最大优势是不必假设和搜索临界滑裂面；(3)由本专利技术设计的露天矿边坡最优化形状为凸曲线，相对于已有方法可以减少废石剥离量，提高经济效益，延长矿山寿命；(4)其方法科学合理，效果佳。附图说明图1是：滑移线场理论计算极限坡面曲线示意图；图2是：x1>0时，边坡处于稳定状态示意图；图3是：x1＝0时，坡角α为极限坡角αcr示意图；图4是：x1<0时，边坡处于破坏状态示意图；图5是：本专利技术的露天矿边坡形状优化设计方法流程图；图6是：本专利技术的露天矿边坡形状优化设计安全储备系数计算流程图；图7是：本专利技术的露天矿边坡形状优化设计方法设计的边坡面形状与现有Bishop法设计边坡面形状对比示意图；图8是：本专利技术的露天矿边坡形状优化设计方法设计的边坡面形状与空间力学原理设计边坡面形状对比示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方案做进一步的详细说明。本专利技术的一种露天矿边坡形状优化设计方法，包括以下内容：1)计算极限坡角αcr：(1)对特定坡高H和坡角α，由滑移线场理论计算极限状态下的边坡坡面曲线，简称为极限坡面曲线，设坡顶为坐标原点，坡体一侧为x轴正半轴，向下为y轴正半轴，见图1所示；(2)Mα(xα，yα，θα，σα)为第α族滑移线上的点，Mβ(xβ，yβ，θβ，σβ)为第β族滑移线上的点，由公式(1-1)～(1-4)解得滑移线场上的点M(x，y，θ，σ)，其中，x为横坐标值，y)为纵坐标值，θ为最大主应力σ1与x轴交角，σ为特征应力，为两族滑裂面交角平均值：(3)计算极限坡面曲线：Mb(xb，yb，θb，σb)为极限坡面曲线已知点，M′β(x′β，y′β，θ′β，σ′β)为第β族滑移线上的已知点，由公式(2-1)～(2-4)解得极限坡面曲线上点Mij(xij，yij，θij，σij)：(4)边界条件为：主动区OAB边界条件：主动区第α、β族已知计算点Mα和Mβ的横坐标x＝Δx·i，Δx为计算步长，i为自然数，i＝0～N1，N1为步长数，取N1＝999，y＝0，主动区边界最大主应力与x轴交角主动区边界特征应力P为坡顶荷载，滑移线交点计算公式为(1-1)～(1-4)；被动区OCD边界条件：被动区滑移线交点计算公式依然为(1-1)～(1-4)，而极限坡面曲线，即OD线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种露天矿边坡形状优化设计方法，其特征是，它包括以下内容：1)计算极限坡角αcr：(1)对特定坡高H和坡角α，由滑移线场理论计算极限状态下的边坡坡面曲线，简称为极限坡面曲线，设坡顶为坐标原点，坡体一侧为x轴正半轴，向下为y轴正半轴；(2)Mα(xα，yα，θα，σα)为第α族滑移线上的点，Mβ(xβ，yβ，θβ，σβ)为第β族滑移线上的点，由公式(1‑1)～(1‑4)解得滑移线场上的点M(x，y，θ，σ)，其中，x为横坐标值，y为纵坐标值，θ为最大主应力σ1与x轴交角，σ为特征应力，为两族滑裂面交角平均值：x=xα·tan(θα-μ)-xβ·tan(θβ+μ)-(yα-yβ)tan(θα-μ)-tan(θβ+μ)---(1-1)]]>y=(x-xα)·tan(θα-μ)+yαy=(x-xβ)&CenterDot;tan(θβ+μ)+yβ---(1-2)]]>(3)计算极限坡面曲线：Mb(xb，yb，θb，σb)为极限坡面曲线已知点，M′β(x′β，y′β，θ′β，σ′β)为第β族滑移线上的已知点，由公式(2‑1)～(2‑4)解得极限坡面曲线上点Mij(xij，yij，θij，σij)：xij=xb·tanθb-x′θ·tan(θ′β+μ)+(y′β-yb)tanθb-tan(θ′β+μ)---(2-1)]]>yij=(xij-xb)·tanθb+ybyij=(xij-x′β)·tan(θ′β+μ)+y′β---(2-2)]]>(4)边界条件为：主动区OAB边界条件：主动区第α、β族已知计算点Mα和Mβ的横坐标x＝Δx·i，Δx为计算步长，i为自然数，i＝0～N1，N1为步长数，取N1＝999，y＝0，主动区边界最大主应力与x轴交角主动区边界特征应力P为坡顶荷载，滑移线交点计算公式为(1‑1)～(1‑4)；被动区OCD边界条件：被动区滑移线交点计算公式依然为(1‑1)～(1‑4)，而极限坡面曲线，即OD线公式采用(2‑1)～(2‑4)，Mb第一个已知点就是坡顶原点数值，坐标值(xb，yb)＝(0，0)，过渡区OBC边界条件：过渡区滑移线交点计算公式依然为(1‑1)～(1‑4)，而过渡区边界点的特征应力为其中k为自然数，k＝0～N2，Δθ＝θΙΙΙ‑θΙ，N2为过渡区点剖分数，为满足Δθ≥0，则必须因此坡顶荷载最小值，当边坡算例无外荷载时，对边坡坡顶施加Pmin，此时即Δθ＝0，取N2＝0；(5)计算极限坡面曲线与坡底地基线交点横坐标x1，此时变换坐标系，设坡脚为坐标原点，向上为y轴正半轴，向边坡体一侧坡底地基线为x轴正半轴，当x1>0时，判断边坡处于稳定状态，此时增大坡角α，并重复上述步骤(1)～(4)；当x1＝0时，即极限坡面曲线与边坡坡面线相交于坡脚时，此时判断边坡处于极限状态，坡角α为极限坡角αcr；当x1<0时，此时判断边坡处于破坏状态；2)将一系列的坡高H和极限坡角αcr拟合便得到露天矿边坡最优化形状，由敏感性分析可知，坡高H和坡角α变大时，边坡稳定性降低，因此边坡保持极限状态时，坡高H变大，极限坡角αcr变小，由此可知，露天矿边坡形状优化设计结果为凸曲线；3)矿山在进行坡面形状优化设计时，要设定安全储备系数，安全储备系数的计算步骤为：①首先由公式(3)对强度参数进行折减，式中c为粘聚力，为摩擦角，Fi为折减系数，i为自然数；②采用折减后的强度参数c1和由1)的步骤(1)～(5)计算x1；当x1>0时，判断边坡处于稳定状态，此时增大Fi，当x1＝0时，即极限坡面曲线与边坡坡面线相交于坡脚时，判断边坡处于极限状态，此时Fi为露天矿山边坡安全储备系数。...

【技术特征摘要】
1.一种露天矿边坡形状优化设计方法，其特征是，它包括以下内容：1)计算极限坡角αcr：(1)对特定坡高H和坡角α，由滑移线场理论计算极限状态下的边坡坡面曲线，简称为极限坡面曲线，设坡顶为坐标原点，坡体一侧为x轴正半轴，向下为y轴正半轴；(2)Mα(xα，yα，θα，σα)为第α族滑移线上的点，Mβ(xβ，yβ，θβ，σβ)为第β族滑移线上的点，由公式(1-1)～(1-4)解得滑移线场上的点M(x，y，θ，σ)，其中，x为横坐标值，y为纵坐标值，θ为最大主应力σ1与x轴交角，σ为特征应力，为两族滑裂面交角平均值：x=xα·tan(θα-μ)-xβ·tan(θβ+μ)-(yα-yβ)tan(θα-μ)-tan(θβ+μ)---(1-1)]]>y=(x-xα)·tan(θα-μ)+yαy=(x-xβ)·tan(θβ+μ)+yβ---(1-2)]]>(3)计算极限坡面曲线：Mb(xb，yb，θb，σb)为极限坡面曲线已知点，M′β(x′β，y′β，θ′β，σ′β)为第β族滑移线上的已知点，由公式(2-1)～(2-4)解得极限坡面曲线上点Mij(xij，yij，θij，σij)：xij=xb·tanθb-x′θ·tan(θ′β+μ)+(y′β-yb)tanθb-tan(θ′β+μ)---(2-1)]]>yij=(xij-xb)·tanθb+ybyij=(xij-x′β)·tan(θ′β+&m...

【专利技术属性】
技术研发人员：方宏伟，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22