1、第4期任島峰等：深凹諜天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)473Vol. 23 No. 4Dec. 2006萬方數(shù)據(jù)第4期任島峰等：深凹諜天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)473萬方數(shù)據(jù)第4期任島峰等：深凹諜天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)473文童編號(hào):1673-3363(2006)04-0472-04深凹露天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)任高峰，張世雄（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院.湖北武漢430070）摘要：為得到金堆城鈿業(yè)公司小北穿天礦深凹邊坡的合理空間形狀，利用彈性力學(xué)的基本知識(shí) 及數(shù)值揍擬方法進(jìn)行了研究.采用三維有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS完成了金堆城深凹霹天礦 邊坡空間形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了適合于小北跖天下步深凹開

2、采的最佳采場(chǎng)方位及最優(yōu)邊坡形 狀.優(yōu)化沒計(jì)所取得的邊坡形狀為金堆城戀天礦最大限度的減少廢石剝離量，指導(dǎo)采區(qū)安全生產(chǎn) 提供了幫助研究結(jié)果對(duì)類似凹陷霹夭礦邊坡穩(wěn)定性的最優(yōu)空間形狀力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有一定的 借鑒意義.關(guān)鍵詞：深凹露天礦；邊坡形狀；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS中圖分類號(hào)：TD 216 文itt標(biāo)識(shí)碼：AOptimal Design for Spatial Slope Shape of the Deep Furrow PitREN Gao-feng» ZHANG Shi-xiong(School of Resource and Environment Engineering, Wuha

3、n University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China)Abstract： Based on the analysis method of elasticity mechanics and numerical simulation calculation, a reasonable spatial slope shape of Jinduicheng deep furrow pit was established. With the help of the 3D software ANSYS» the optimal design

4、 for spatial slope shape in Jinduicheng deep furrow pit was calculated. The optimal furrow pit direction and the optimal slope configuration fit to the little north open mining was obtained. The study results arc in favor of maximum decreasing stripping volume and conducting safety-production and ha

5、ve provided a reference for the similar optimal design of furrow pits.Key words: deep furrow pit； slope shape； optimal design； ANSYS萬方數(shù)據(jù)第4期任島峰等：深凹諜天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)473萬方數(shù)據(jù)第4期任島峰等：深凹諜天礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)473收積日期：2006 - 03 - 27作者簡(jiǎn)介：任離峰（1979-）,男，湖北省武漢市人，碩上從事采礦工程、巖石力學(xué)與工程方面的研究. E-mail, rgf-2OOO Td,天礦的開采是人

6、類進(jìn)行的最大的巖石開挖 工程，隨看開采的進(jìn)行，許多裾夭礦都已進(jìn)入了深 凹開采當(dāng)前普遍采用的露天礦邊坡角使得深凹 開采產(chǎn)生巨大的剝采比，使許多礦山陷入困境.雖 然研究人員早已注總到在保證深凹露天礦邊坡穩(wěn) 定性前提下堆大邊坡的坡角可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效 益并為此進(jìn)行了大杲的研究工作20世紀(jì)60 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者費(fèi)申科在對(duì)露天礦山測(cè)竜資料分 析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用矢量分析的方法討論過凸曲線形 邊坡的合理性.然而，總體看來大多數(shù)研究工作還 是僅限于定性研究本文以陜西金堆城露天礦為研 究對(duì)象，分析露天礦邊坡的空間受力狀態(tài)，利用有 限元軟件ANSYS完成韓天邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化 后所取得的邊坡形狀將為金堆城露天礦最

7、大限度 地滅少廢石剝離，指導(dǎo)礦區(qū)安全生產(chǎn)提供幫助.1金堆城露天礦概況金堆城小北爲(wèi)天礦始建于1958年，設(shè)計(jì)采礦場(chǎng) 上口：長1 200 m,寬800 m,最高開采標(biāo)高1 290 m, 封閉標(biāo)髙1 152 m,現(xiàn)已開采至1 056 階段高 1 200 m標(biāo)高以上為10 m,以下為12 m；實(shí)際階段坡 面角一般為69°,破碎帶及表上為60°,最終邊坡角一 般為40°42°,破碎帶及表土為31°36°金堆城鈕 礦體生水平面上呈扁豆?fàn)畹V體垂直延伸，但苴邊坡 在水平面上的設(shè)計(jì)卻呈矩形不但造成了在邊坡4 個(gè)邊角部位的大量無用剝離，而且由于形成的邊坡

8、 的直角邊過長，當(dāng)坑內(nèi)礦體被采出后，4個(gè)直角邊呈 不利的兩向受力狀態(tài)，受地應(yīng)力的壓迫向坑內(nèi)彎曲. 處于邊坡巖體最易破壞的拉應(yīng)力狀態(tài)，越靠近直角 邊中部拉應(yīng)力越大，這是當(dāng)前金堆城鑰礦邊坡破壞 的竜要原因針對(duì)小北磚天最低開采標(biāo)髙840 m.的 設(shè)計(jì)方案根據(jù)目前已經(jīng)形成的露犬坑形狀，對(duì)小北 褥天的垠終邊坡形狀進(jìn)行優(yōu)化，并與原設(shè)計(jì)的蝕終 邊坡形狀進(jìn)行刺離量對(duì)比分析.2 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)原理ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲 場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件.AN- SYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊屬于ANSYS應(yīng)用中的高級(jí)模 塊，凡是能夠用參數(shù)化表示的選項(xiàng)都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì).當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，ANS

9、YS程序能夠進(jìn)行一 系列分析評(píng)估修正的循環(huán)過程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì) 進(jìn)行分析對(duì)分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，如此 循環(huán)下去，直到所有的設(shè)計(jì)要求得到滿足為止.ANSYS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要把實(shí)際的設(shè)計(jì) 問題用數(shù)學(xué)表達(dá)式加以描述，即轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型， 然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特性，選擇某種適當(dāng)?shù)膬?yōu)化計(jì) 算方法及其程序，通過電子計(jì)算機(jī)求得戴優(yōu)解如 何將實(shí)際的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，這是優(yōu)化設(shè) 計(jì)首先要解決的關(guān)鍵問題解決這個(gè)問題必須要考 慮到哪些是設(shè)計(jì)變量這些設(shè)計(jì)變最是否受到約 束，以及問題所追尋的結(jié)果是什么，即目標(biāo)函數(shù)是 什么設(shè)計(jì)變童、約束條件和目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì) 的3個(gè)基本要素.3金堆城凹陷露天邊坡ANSYS優(yōu)

10、化設(shè)計(jì)金堆城爲(wèi)天邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 際.根據(jù)采場(chǎng)周邊構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，采坑目前平面布 置以及采場(chǎng)下階段南露天擴(kuò)幫的實(shí)際情況，金堆城 壽天礦邊坡空間形狀的力學(xué)優(yōu)化主耍體現(xiàn)在確定 個(gè)最合適的采場(chǎng)平面布置方位及最優(yōu)的凹陷邊 坡垂直剖面形狀深閘爲(wèi)天礦可以近似地假設(shè)成在 垂直方向上由若干個(gè)含有橢圓孔的無限大平板疊 加而成.要使M陷邊坡上應(yīng)力集中最小，即，使組成 凹陷邊坡的若干個(gè)無限大平板中橢圓孔周邊應(yīng)力 集中最小.垂直方向上每個(gè)無限大平板中橢圓孔以 最小尺寸所確定的孔形周邊應(yīng)力集中都是最小的， 那么由這些最優(yōu)橢圓孔在垂直方向疊加所確定的 凹陷邊坡即為最優(yōu)邊坡.擬對(duì)磚天采場(chǎng)多個(gè)水平邊坡進(jìn)行兩次形狀力

11、學(xué) 優(yōu)化研究第1次優(yōu)化研究是為確定在近東西向最 大構(gòu)造應(yīng)力作用下采場(chǎng)的最適合平面布置方位第 2次優(yōu)化的目的是在滿足鋸天采場(chǎng)邊坡巖體內(nèi)應(yīng)力 集中戰(zhàn)小的前提下，進(jìn)一步確定露天邊坡各個(gè)水平 的邊坡尺寸兩次優(yōu)化研究對(duì)象不同，考慮的因素不 一樣,ANSYS優(yōu)化模塊中的設(shè)計(jì)變懾也因而不同.3.1金堆城U天采場(chǎng)平面布置優(yōu)化研究與討論研究目的是使小北露天坑周邊的應(yīng)力集中為 最小值，綜合考慮小北露天開采與下一步南霧天擴(kuò) 幫開采的銜接問題，確定一個(gè)最合適的露天采場(chǎng)平 面布置方位以及采坑形狀.ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用如圖I所示的無限 大平板，平板采用SHELL63彈性殼單元進(jìn)行模 擬，有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)單元?jiǎng)澐秩鐖D2

12、.QU I I M II I III!l tlltlltt t tl!Q圖1含有圓孔無限大平板受力情況Fig. 1 The plate with the elliptic hole subjected touniform tensile forces of intensity圖2有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)單元?jiǎng)澐諪ig. 2 Optimal model of FEM模擬的無限大平板中的所有單 元在垂直方向 上的厚度取小北露天坑采場(chǎng)上部（1 200 m水平以 上）臺(tái)階高度10 in.整個(gè)小北露天所在區(qū)域的巖體 性質(zhì)變化不大，有限元數(shù)值模型中所選用的巖體力 學(xué)參數(shù)根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)選取.此步優(yōu)化研究的無 限大平

13、板在水平方向上承受近東西向的最大構(gòu)造 應(yīng)力，近南北向的最小構(gòu)造應(yīng)力，垂直方向承受上 覆巖體重力金堆城地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力大小為萬方數(shù)據(jù)474采礦與安全工程學(xué)報(bào)第23稚6 =1.2 4-0. O57A ,叭=05+0032力，(1)<y, =AA .假定H長度方向與最大主應(yīng)力方向(近東西 向)的夾角為a，為使得無限大平板中圓孔周邊應(yīng)力 集中最小，這里擬調(diào)整a的大小(aG0, O),以在固 定的R情況下達(dá)到長圓孔周圍應(yīng)力集中最小.用參數(shù)My.sita和My.H對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行參 數(shù)化建模(My.sita表征角，My_H表征沿橢圓形 孔長軸方向的長度H,兩者的初始值分別為45°和 100 m.

14、考慮到金堆城礦體呈扁豆?fàn)钛亟媳毕蚍?布，下一步南露天擴(kuò)幫開采、北部擴(kuò)幫開采的重點(diǎn) 部位不在東西兩幫，取表征東西兩幫邊坡形狀的R 為500 m),完成有限元計(jì)算后提取出孔邊緣最大 應(yīng)力值mysmax.優(yōu)化設(shè)計(jì)變危是H與a目標(biāo)函 數(shù)為改變?cè)O(shè)計(jì)變啟的數(shù)值后獲得的孔邊緣最大應(yīng) 力值mysmax盡可能小,此時(shí)的設(shè)計(jì)變St數(shù)值即為 最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果.完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后得出如表1結(jié)果.衰1地寰(1 290 m水平)釆場(chǎng)布置優(yōu)化結(jié)果 Table 1 Optimal results of 1 290 m in the furrow pit設(shè)計(jì)變量SET12345H/m100. 00923. 59694.0076&am

15、p; 78734.55Mys!ta/(e)45. 0082. 39124.68111.2916& 63mysmax/MPa12.4950.1729. 67J 43.181&33設(shè)計(jì)變散SET678* 910H/m555. 19515.01619. 70567. 26544.00176. 56160. 60178.92178. 86179.43mysmax/MPa11.5515. 9513.5511.4211.44表1中以“黃”標(biāo)示的設(shè)計(jì)序列為最住設(shè)計(jì)結(jié) 果共有10組優(yōu)化設(shè)計(jì)序列，其中可行設(shè)計(jì)序列有 9組.最佳設(shè)計(jì)序列為第9組，優(yōu)化結(jié)果是：H為 567. 26 m, My_sit

16、a(a)為 17& 86°,目標(biāo)函數(shù) mysmax為11. 415 MPa,在所冇可行設(shè)計(jì)序列中 值最小，符合此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的.但對(duì)于金堆城靄夭采場(chǎng)，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳 設(shè)計(jì)序列所提供的采場(chǎng)布置方位并不適合金堆城小 北露夭礦的生產(chǎn)實(shí)際.由于最佳設(shè)計(jì)序列所提出的 暢圓形長軸方位近似于平行東西向，而小北律天坑 采場(chǎng)長軸方向?yàn)榻媳毕?，故最佳設(shè)計(jì)序列顯然與 工程實(shí)際不符考慮到小北蘇天坑目前布置方位及 尺寸的實(shí)際情況，結(jié)合下一步南露大開采的重點(diǎn)位 于露天采場(chǎng)東南角至南幫中部一帶，為此取第3可 行設(shè)計(jì)序列(H： 694. 00 m,My_sita(a)： 124. 68% mysma

17、x：29. 671 MPa)為此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理采場(chǎng) 布置方位和尺寸即，在下一步南露天擴(kuò)幫開采過程 中，逐步將現(xiàn)在北幫端部邊坡向西轉(zhuǎn)動(dòng)約34.68。，以 達(dá)到露夭采場(chǎng)邊坡周邊應(yīng)力集中最小的目的.3.2金堆城凹陷邊坡形狀優(yōu)化研究與討論此步優(yōu)化分析針對(duì)1 290 m水平以下(1 280 1 056 m)的21個(gè)臺(tái)階分別進(jìn)行有限元優(yōu)化計(jì) 算，考慮成無限大平板的冇限元模盤隨垂直方向的 鬲度變化所受構(gòu)造應(yīng)力大小按式(1)求出，此步優(yōu) 化仍然采用SHELL 63彈性殼單元進(jìn)行模擬.第2步邊坡力學(xué)形狀優(yōu)化將在固定a的基礎(chǔ) 上，擬在不同的邊坡優(yōu)化水平調(diào)整H(HG0, 694),R(RW0, 500)的大小以達(dá)

18、到使每個(gè)臺(tái)階 邊坡的圓孔周圍應(yīng)力集中最小的冃的.此步采用參 數(shù)my_R和my_H對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行參數(shù)化建模, 在第1步平面采場(chǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上取表征平面采場(chǎng) 布置方位的My_3ita(a)為124. 68°.優(yōu)化設(shè)計(jì)變呆 為H,R,目標(biāo)函數(shù)仍為表征孔邊緣最大應(yīng)力值的 mysmax,每個(gè)邊坡水平優(yōu)化后的最佳設(shè)計(jì)序列的 優(yōu)化結(jié)果列于表2萬方數(shù)據(jù)474采礦與安全工程學(xué)報(bào)第23稚表2金堆城小北天備個(gè)邊披水平優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimal results of every slope plane in Jinduicheng furrow pitm邊坡水平RH2R+H邊坡水平RH2R+H21

19、 290500.00694.00847. 0001 176378. 29556. 25656.4151 280472.86669.43807. 5751 164371.00547. 77644.8851 270452. 86660. 96783.3401 152371.00543. 54642. 7701 260442.86635.55760.6351 140368.29539. 30637.9401 250432.86618.60742. 1601 128363. 29539. 30632.9401 240422. 86610. 13727. 9251 116361.00535.07628.

20、 5351 230417. 86601.6671& 6901 104356.43530. 07621.4651 220412.86593. 19709. 4551 092351.43520. 83611.8451 210402. 86583.19694. 4551 080349. 14516. 59607.4351 200392. 86573. 19679.4551 C68344.14511.59599.9351 188380.57560.48660.8101 C56341.86507. 36595. 540萬方數(shù)據(jù)474采礦與安全工程學(xué)報(bào)第23稚以橢圓形采坑中心為原點(diǎn)，在垂直方向上分

21、別 回歸出島程與0. 5(2R+H),R的關(guān)系曲線，即代 表橢圓形采坑分別在長軸處、短軸處的最優(yōu)邊坡線 形高程與長短軸處半徑之間的關(guān)系曲線采用的 回歸函數(shù)是：y=a力，回歸曲線如圖3所示.萬方數(shù)據(jù)第4期任高峰竽：深凹霸犬礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)475萬方數(shù)據(jù)第4期任高峰竽：深凹霸犬礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)475302520153025201510萬方數(shù)據(jù)第4期任高峰竽：深凹霸犬礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)475I 052«11/1.05 Ii-J11575625675725775825875330 350 370 390 410 430 450 470 490 510釆坑半徑/m采坑半輕/m(

22、a)長稔(b)短軸圖3優(yōu)化橢圓形采場(chǎng)端部邊坡曲線Fig. 3 Optimal slope curve at the ends of the ellipse萬方數(shù)據(jù)第4期任高峰竽：深凹霸犬礦邊坡空間形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)475通過回歸，得出金堆城鈕礦優(yōu)化后的橢圓形采 坑在長軸端部的最優(yōu)邊坡曲線表達(dá)式為H = 1309. 3807 一 96002. 52357 X 0. 9901，(2) 短軸端部的最優(yōu)邊坡曲線表達(dá)式為H = 1306. 7655 - 72957. 85255 X 0. 9836x, (3) 式中：H為橢圓形采場(chǎng)長、短軸處邊坡高程， 為橢岡形采場(chǎng)長、短軸處邊坡至采坑中心的水平距 離，m,長軸

23、處z=O5(2R+H),短軸處h=R 3.3坑優(yōu)化邊坡巖石剝離對(duì)比分析金堆城小北錦天坑目前的開采平臺(tái)是1 056 m水平，埋深人= 216 m采場(chǎng)尺寸為尙X% = 750 mX510 m,當(dāng)開挖至840 m,小北露天坑結(jié)束時(shí)， 采場(chǎng)尺寸為at X% =260 mX 100 m.按照原設(shè)計(jì) 的直線形邊坡計(jì)算，開挖體積為V1 =£兀 一(alb. -ajb2)=3 ai ai .1.293 X 108 m3.按照優(yōu)化后的曲線形邊坡計(jì)算，開挖體積為./1309.3807- H兀log。.99。196002. 52357./1306. 76553- H . Og5 98355 72957.8

24、5255=1.226 X 10* m運(yùn)用優(yōu)化后的曲線形邊坡比原設(shè)計(jì)直線形邊 坡從1 056 m水平開挖至840 m水平所減少的巖 石剝離斎為640萬m3.取邊坡的剝離費(fèi)用為25 7t/m則采用木文優(yōu)化設(shè)計(jì)后所選取的邊坡線形 可以節(jié)約剝離費(fèi)用16億元，為金堆城鈕業(yè)公司帶 來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益而對(duì)于金堆城露犬礦下 一步開采，可根據(jù)正開采平盤的高程，分別利用邊 坡曲線式(2),(3)來確定邊坡表面離采坑中心的水 平距離，以達(dá)到逐步優(yōu)化邊坡力學(xué)形狀的目的.4結(jié)論1) 以彈性力學(xué)的知識(shí)為基礎(chǔ)理論，將大型有 限元計(jì)算軟件ANSYS應(yīng)用于優(yōu)化深凹露天礦邊 坡的空間形狀是可行的.2) 對(duì)露天采場(chǎng)的最適合平面

25、布段方位以及最 佳邊坡空間形狀進(jìn)行兩次不同的力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)后， 獲得了適合于小北銘天下步深凹開采的最佳采場(chǎng) 方位及最優(yōu)邊坡形狀.3) 將金堆城小北銘天礦優(yōu)化設(shè)計(jì)所取得的邊 坡形狀與原設(shè)計(jì)直線形邊坡的巖石剝離供進(jìn)行對(duì) 比分析，可知優(yōu)化設(shè)計(jì)后所選取的邊坡線形可以V 約剝離費(fèi)用1.6億元，最大限度滅少了廢石剝離.4) 對(duì)于類似凹陷露天礦邊坡穩(wěn)定性的最優(yōu)空 間形狀力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文的基本假設(shè)以及研究方 法具有一定的借鑒意義.參考文獻(xiàn)：1 RASSAM D W, WILLIAMS D J. 3-Dimensional eff- ects on slope stability of high waste r

26、ock dumpsJ Int J of Surface Mining, 1999,13( 1 ) 19-24.2 BYE A R BELL F G. Stability assessment and slope design at Samsloot open pil South AfricaJ Ini J Rock Meeh Sci.2001 >38(3)-449-466.3 張世雄.凹陷露天礦邊坡少剝離技術(shù)的時(shí)空原理J.中國礦業(yè) J998>9(2)：26-28.ZHANG Shi xiong. Space-time principles for reducing stripping in open pitsJ. China Mining Magazine* 1998,9(2):26-284 朱乃龍，張世雄.深凹露天礦邊坡穩(wěn)立的空間受力狀 態(tài)分析口 1巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003.22(5),810- 812.ZHU Nai-longt ZHANG Shi-xiong. Mechanical analysis on the stability of deep furrow pit slopcJ. Chi nese Journal of Rock Mechanics and Engineering