[发明专利]一种露天矿边坡形状优化设计方法

说明书

本发明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α_cr，将一系列的坡高H和极限坡角α_cr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。

技术领域

本发明属于露天矿山边坡工程技术领域，具体涉及一种露天矿边坡形状优化设计方法。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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α_cr，通过拟合坡高H和极限坡角α_cr来确定露天矿边坡形状。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：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α_cr：

(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)M_α(x_α，y_α，θ_α，σ_α)为第α族滑移线上的点，M_β(x_β，y_β，θ_β，σ_β)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：