露天矿精细化开采时空原理研究

迄今为止，国内外矿床露天开采工艺中的废石剥离、废石运输与排放、边坡维护、废石场的复垦与绿化等几个重要环节的内在规律与关联性研究缺乏深度挖掘。倾斜矿体露天开采所形成的直线形边坡稳定性差，废石剥离量大，矿石生产成本高企。从空间与时间的角度出发，运用弹塑性理论深入研究深凹露天边坡岩体应力分布规律，推导不同情况下凸曲线形边坡自稳的数学与力学表达式。运用工业与系统工程的方法，开展深凹露天矿、浅埋露天矿精细化开采理论与方法研究，基于相关数字矿山软件，建立露天开采信息系统。在保证露天边坡临空时间最短、边坡稳定的前提下，以整个露天采场废石运输功最小为原则，用就近剥离的废石对完成回采分段处边坡进行快速回填护坡，降低边坡维护与治理费用，从而把条件合适的深凹露天最终边坡角提高5～8 ，减少巨大的废石剥离量，发展矿山岩石力学边坡维护理论，初步建立我国露天矿山精细化开采理论体系，实现露天矿安全、低成本、环保开采。

一直以来，国内外露天矿生产都属于粗放式的开采模式，矿石开采、矿岩运输与排放、边坡维护、废石场复垦等几个重要环节多是相对独立的。随着机械化水平的提高，露天矿生产规模越来越大，矿山粗放式开采所带来的环保压力使得当前的矿产资源开采处于一个“经济”、“安全”、“环境”、“可持续”等多因素共同影响的尴尬境地。基于露天矿生产中所存在的突出问题，采用理论分析、室内试验、现场监测以及系统开发相结合的方法，针对性开展了深凹露天矿、浅埋露天矿精细化开采理论研究。从空间与时间的角度出发，运用弹塑性理论、时间序列法深入研究了椭圆形深凹露天矿边坡岩环的环向应力状态，结合轴比论、莫尔¬—库仑强度理论推导出椭圆形深凹露天矿边坡形状表达式，与传统的稳定性理论确定的边坡形状相比，该边坡形状可在保证边坡稳定的前提下减少巨大的废石剥离量；露天矿精细爆破是露天矿精细化开采体系的重要环节，采用高速摄像技术对180°对折、缓结、轻度死结和严重死结四种对折打结导爆管，对单一破孔、连续破孔特殊情况下的导爆管传爆可靠性进行了室内试验研究；以岩石力学为基础，运用数值模拟的方法分别研究了浅埋露天矿内排压帮复合边坡稳定性状况、深凹露天矿废石回填减震护坡作用机理；本项目研究首次给出了露天矿精细化开采的基本定义、内涵、技术结构体系以及实现过程；基于虚拟仪器技术，开发了一个集生产工艺信息、安全监测信息及决策指挥体系于一体的露天矿精细化开采信息采集与管理系统，实现露天矿各生产工艺环节之间的数据共享，为露天矿优化生产管理方案提供基础数据；基于VFP语言进行设计开发，采用B/S模式开发了露天矿山精细化成本管理系统，进而实现矿山开采过程精细化管理。项目研究成果初步建立了我国露天矿山精细化开采理论体系，实现露天矿安全、低成本、环保开采。