CN115982807B - 一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，包括步骤1：判断转角位置是凹角还是凸角；步骤1‑1：转角为凹角，且地表与矿体均为近水平或缓倾斜形态时，对各个台阶的转角进行切角，形成初步优化的凹角形态；步骤1‑1‑1：建立数学模型进行计算，得到最佳曲率半径为Rj；步骤1‑1‑2：以最佳曲率半径Rj做圆弧，得到完全优化后的转角边坡形态；步骤1‑2：转角为凹角，且转角地表为不规则山地或该部位矿体呈倾斜状态时，利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化；步骤2：转角为凸角形态，做与坡顶面或坡底面的两边相切的圆弧，得到完全优化后的凸角边坡形态。本申请节约边坡位置的无效剥离量，优化开采境界剥采比，减少采场施工工程量。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程的技术领域，是一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法。
背景技术
露天煤矿开采技术的进步主要依靠采掘设备与机械制造的发展为基础，在目前单斗—卡车间断式开采工艺条件下为主流的设计思路下，露天煤矿开采设计普遍按照沿露天矿采区边界布置平直边坡的方式，或沿煤层钻孔剥采比等于经济合理剥采比的等值线按最终边坡角度向上反至地表圈定开采边界，边坡形态普遍为平直边坡的形式。在分区开采的大型露天煤矿采区划分过程中，通常采用直线或折线分隔矿区的方式对采区进行划分，如黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿、天池能源南露天煤矿、平朔东露天煤矿、白音华二号露天煤矿、胜利东二号露天煤矿、红沙泉露天煤矿、石头梅一号露天煤矿等一部分大型、特大型露天煤矿均采用此种方式进行布置。
在如此布置的条件下，在露天煤矿转角的边坡夹角位置及各采区交界的边坡夹角位置常常出现近似直角的折线形边坡形态，部分露天矿边界还会出现向内呈凸形的拐角，在这种边角位置，拐角坡顶与坡底的连线与水平面形成的夹角远小于设计最终边坡角，在边坡夹角小于180°的凹形边坡位置会出现无效剥离，局部剥采比较大的情况，造成社会资源以及土地资源的浪费，拉低煤矿企业的整体收益；在边坡夹角大于180°的凸形边坡位置容易出现最终边坡压覆资源量大，造成矿产资源浪费，国内目前还没有专门针对此类问题进行研究。
发明内容
本发明提供了一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，解决了上述现有技术中：两帮夹角小于180°时，会出现无效剥离以及局部剥采比较大；两帮夹角大于180°时，边坡压覆资源量大，容易造成矿产资源浪费的技术问题；实现了：节约凹形边坡位置的无效剥离，减少露天煤矿采场施工的工程量及土地资源的占用，提高拐角凸形边坡位置的煤炭资源回收率的有益效果。
本申请的目的是这样实现的，一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，包括以下步骤：
步骤（1）：判断露天矿转角位置的形态是凹角还是凸角；
步骤（1-1）：如果转角为凹角，且地表与矿体均为近水平或缓倾斜形态时，对各个台阶的转角进行多次切角，最终形成切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态；
步骤（1-1-1）：针对初步优化后的凹角形态，简化凹角边坡形态为倒圆锥体的纵向截面，建立数学模型进行计算，得出：R=（2×HN+hN-Hn）cotα/2×（N-n）（式1），其中：
N—境界剥采比（m³/吨）；
n—转角处平均钻孔剥采比（m³/吨）；
R—最上层台阶坡顶线的圆弧半径（米）；
α—设计最终帮坡角（°）；
H—矿体上部覆盖层平均厚度（米）；
h—矿体平均厚度（米）。
参数n、α取露天矿场的设计参数，取Nj为经济合理剥采比，带入公式计算即可得到转角边坡最上层台阶的坡顶线的最佳曲率半径为Rj；
步骤（1-1-2）：以步骤（1-1-1）中所得最上层台阶的坡顶线最佳曲率半径Rj做与该台阶的坡顶线相切的圆弧，该圆弧作为优化后转角位置最上层台阶的坡顶线，以此坡顶线为基础按设计参数向下扩展台阶，并将圆弧外缘多余线条切除，即可得到完全优化后的各个台阶的转角边坡形态；所述设计参数是指原露天矿场的各个台阶的设计参数；
步骤（1-2）：当转角为凹角，且转角地表为不规则山地或该部位矿体呈倾斜状态时，可采用如步骤（1-1）相同的方式先得到切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态，再利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化；
步骤（2）：如果转角为凸角形态，最上层台阶的坡顶面的拐角顶点向下垂直投影至坡底面，以及其余各个台阶的坡顶面和坡底面上形成若干基准点，以各个基准点为中心，做与中心所处坡顶面或坡底面的两边相切的圆弧，所述圆弧和所述坡顶面或坡底面的两边构成优化后的最终边坡线，从而得到完全优化后的凸角边坡形态。
本发明与现有技术相比，至少具有如下技术效果或优点，由于通过对矿坑的凹角和凸角进行了弧线优化的技术手段。
所以有效解决了：两帮夹角小于180°时，会出现无效剥离以及局部剥采比较大；两帮夹角大于180°时，边坡压覆资源量大，容易造成矿产资源浪费的技术问题；
进而实现了：节约凹形边坡位置的无效剥离量，优化开采境界剥采比，减少露天煤矿采场施工的工程量及土地资源的占用，提高拐角凸形边坡位置的煤炭资源回收率的有益效果。
附图说明
本申请的具体结构由以下的附图和实施例给出：
附图1是一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法的流程图；
附图2是优化前的矿坑俯视结构示意图；
附图3是优化后的矿坑俯视结构示意图；
附图4是简化凹角边坡形态为倒圆锥体的纵向截面后的数学模型示意图；
附图5是原露天矿场的凹角形态结构示意图；
附图6是凹角形态时切割线布设位置示俯视结构示意图；
附图7是进行了一次切角后的露天矿场的凹角形态结构示意图；
附图8是进行了多次切角后的露天矿场的圆弧形凹角形态结构示意图；
附图9是利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化时的第一次偏移后圆弧形的凹角形态俯视结构示意图；
附图10是凹角处的优化对比图，虚线为优化后的凹角形态结构示意图；
附图11是凸角处的优化对比图，虚线为优化后的凸角形态结构示意图。
具体实施方式
本申请不受下述实施例的限制，可根据本申请的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。
下面结合附图及实施例对本发明作解释说明：
如附图1-11所示，一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，包括以下步骤：
步骤（1）：如图2所示，判断露天矿转角位置的形态是凹角还是凸角；
步骤（1-1）：如图5-8所示，如果转角为凹角，且地表与矿体均为近水平或缓倾斜形态时，对各个台阶的转角进行多次切角，最终形成切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态；
步骤（1-1-1）：如图4所示，针对初步优化后的凹角形态，简化凹角边坡形态为倒圆锥体的纵向截面，建立数学模型进行计算，得出：R=（2×HN+hN-Hn）cotα/2×（N-n）（式1），其中：
N—境界剥采比（m³/吨）；
n—转角处平均钻孔剥采比（m³/吨）；
R—最上层台阶坡顶线的圆弧半径（米）；
α—设计最终帮坡角（°）；
H—矿体上部覆盖层平均厚度（米）；
h—矿体平均厚度（米）。
参数n、α取露天矿场的设计参数，取Nj为经济合理剥采比，带入公式计算即可得到转角边坡最上层台阶的坡顶线的最佳曲率半径为Rj；
步骤（1-1-2）：如图3、8、10所示，以步骤（1-1-1）中所得最上层台阶的坡顶线最佳曲率半径Rj做与该台阶的坡顶线相切的圆弧，该圆弧作为优化后转角位置最上层台阶的坡顶线，以此坡顶线为基础按设计参数向下扩展台阶，并将圆弧外缘多余线条切除，即可得到完全优化后的各个台阶的转角边坡形态；所述设计参数是指原露天矿场的各个台阶的设计参数；
步骤（1-2）：如图9所示，当转角为凹角，且转角地表为不规则山地或该部位矿体呈倾斜状态时，采用如步骤（1-1）相同的方式先得到切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态，再利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化；
步骤（2）：如图11所示，如果转角为凸角形态，最上层台阶的坡顶面的拐角顶点向下垂直投影至坡底面，以及其余各个台阶的坡顶面和坡底面上形成若干基准点，以各个基准点为中心，做与中心所处坡顶面或坡底面的两边相切的圆弧，所述圆弧和所述坡顶面或坡底面的两边构成优化后的最终边坡线，从而得到完全优化后的凸角边坡形态。
进一步的，步骤（1-1-1）中的式1由所述数学模型N=（R+r）/（r+r’）×n 所得， 其中：N—境界剥采比（m³/吨）；n—转角处平均钻孔剥采比（m³/吨）；R—最上一个台阶坡顶线圆弧半径（米）；r—矿体顶板与边坡交线所呈圆弧半径（米）；r’—最下一个台阶坡底线圆弧半径（米）。
进一步的，其中r具体算式为：r=R-Hcotα，r’具体算式为：r’=r- hcotα=R-(H+h)cotα，其中：α—设计最终帮坡角（°），H—矿体上部覆盖层平均厚度（米），h—矿体平均厚度（米）。
步骤（1）中判断露天矿转角位置的形态是凹角还是凸角的方法是：露天矿边角两帮夹角大于180°为凹角，小于180°为凸角。
所述步骤（1-1）中的对各个台阶的转角进行多次切角是指，
步骤（a）：如图6、7所示，在矿体顶板上方相邻的第1个台阶的坡顶面上做与夹角连线垂直但不相交的切割线，以此切割线为基础按设计参数向上扩展至其余台阶，将此切割线以外的多余线条切除，各台阶边角位置的拐角由一个较小的折角变为两个角度更大的钝角，且其拐点坡顶两角到坡底两角的连线与水平面的夹角较优化前提高，但仍低于设计最终帮坡角；
步骤（b）：如图8所示，利用步骤步骤（a）持续对得到的两个钝角再次进行切角优化，直至凹形边角位置的边坡形态转化为圆弧形态，该圆弧形态形成的边坡圆弧与边坡两帮相切，最终得到初步优化的圆弧形的凹角形态；实现边角位置任一点的最终帮坡角均为设计最终帮坡角α，在不减少采矿量的前提下减少部分无效剥离作业，同时减少对采场土地资源的占用。
如图9所示，步骤（1-2）中的利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化是指：
步骤（a）：以最上层台阶的坡底面两帮夹角的角平分线做为偏移轨迹，切割线沿偏移轨迹偏移一定距离后，再次进行如步骤（1-1）对各个台阶的转角进行多次切角，形成第j次偏移的圆弧形的凹角形态，j为大于1的自然数；
步骤（b）：利用3DMine软件中扩展台阶功能对偏移后的凹角形态进行快捷的阶梯布设台阶，并根据数据模型计算出该次偏移后差分范围内的剥离量和采煤量的变化，利用利用3DMine软件计算求得剥采比，直至计算剥采比小于经济合理剥采比为止；
步骤（c）：取步骤（b）计算剥采比小于经济合理剥采比的上一次切割后的边坡位置，即为切除剥采关系不合理位置后的最优边坡位置，达到减少剥离量与节约采场占地的效果。
进一步的，前述差分范围是指进行一次偏移后所形成圆弧形的凹角形态与前一次圆弧形的凹角形态这两个圆弧形的凹角形态之间区域。
步骤（2）中由上至下所得的圆弧所对应的曲率逐渐增大。
当转角为凹角，且转角地表为不规则山地或该部位矿体呈倾斜状态时，直接取初步优化后的圆弧形的凹角形态所对应的圆弧为初始圆弧，为减少软件优化过程中的计算量，该圆弧所对应的圆心沿前述偏移轨迹向采场内偏移50米开始验算：
切角方案第一次验算：圆心沿前述偏移轨迹向采场内偏移50米，重新做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第1次偏移的圆弧形的凹角形态），相对初步优化后的圆弧凹角形态，剥离量减少35.17万m³，采煤量减少0.08万m³，容重1.32m³/t，折合0.11万t，此次优化范围内的剥采比为319.73m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第二次验算：由于第一次验算结果在边角位置的剥采比远大于经济合理剥采比，为简化验算过程，在切角方案第一次验算的基础上将偏移后的圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移50米，累计偏移100米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第2次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第一次验算，剥离量减少42.53万m³，采煤量减少1.73万m³，折合2.28万t，此次优化范围内剥采比为18.65m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第三次验算：在切角方案第二次验算的基础上将偏移后的圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移10米，累计偏移110米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第3次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第二次验算，剥离量减少9.46万m³，采煤量减少0.29万m³，折合0.38万t，优化范围内剥采比为24.89m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第四次验算：由于在切角方案第三次验算的基础上得到的边角位置剥采比仍然明显大于经济合理剥采比，为简便验算过程，将偏移后的边坡圆弧的圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移35米，累计偏移145米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第4次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第三次验算，剥离量减少35.07万m³，采煤量减少1.91万m³，折合2.52万t，优化范围内剥采比为13.91m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第五次验算：在切角方案第四次验算的基础上将偏移后的边坡边坡圆弧圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移5米，累计偏移150米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第5次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第四次验算，剥离量减少5.02万m³，采煤量减少0.19万m³，折合0.25万t，优化范围内剥采比为20.00m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第六次验算：在切角方案第五次验算的基础上将偏移后的边坡圆弧圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移5米，累计偏移155米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第6次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第五次验算，剥离量减少5.73万m³，采煤量减少0.37万m³，折合0.49万t，优化范围内剥采比为11.69m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第七次验算：在切角方案第六次验算的基础上将偏移后的边坡圆弧圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移5米，累计偏移160米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第7次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第六次验算，剥离量减少5.66万m³，采煤量减少0.47万m³，折合0.62万t，优化范围内剥采比为9.12m³/t，大于经济合理剥采比8.0m³/t，可继续向采场内部优化。
切角方案第八次验算：在切角方案第七次验算的基础上将偏移后的边坡圆弧圆心继续沿前述偏移轨迹向采场内偏移5米，累计偏移165米，做与两帮相切的圆弧坡面（也就是如前述步骤（1-2）中步骤（a）形成第8次偏移的圆弧形的凹角形态），相对上述切角方案第七次验算，剥离量减少5.50万m³，采煤量减少0.59万m³，折合0.78万t，优化范围内剥采比为7.06m³/t，小于经济合理剥采比8.0m³/t，符合境界剥采比不大于经济合理剥采比的要求。
由于切角所形成的水平圆弧凹形边坡在向采场内部偏移的过程中圆弧坡顶线与圆弧坡底线的长度差距逐渐缩小，在煤层赋存厚度基本稳定的情况下，第八次验算方案舍弃的部位完全满足边角位置的境界剥采比小于经济合理剥采比的要求，因此选用第七次验算方案，可确保边角位置境界剥采比约等于经济合理剥采比。
上述说明仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。凡是属于本申请的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之列。
Claims (4)
1.一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，包括以下步骤：
步骤（1）：判断露天矿转角位置的形态是凹角还是凸角；
步骤（1-1）：如果转角为凹角，且地表与矿体均为近水平或缓倾斜形态时，对各个台阶的转角进行多次切角，最终形成切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态；
步骤（1-1-1）：针对初步优化后的凹角形态，简化凹角边坡形态为倒圆锥体的纵向截面，建立数学模型进行计算，得出：R=（2×HN+hN-Hn）cotα/2×（N-n）（式1），其中：
N—境界剥采比（m³/吨）；
n—转角处平均钻孔剥采比（m³/吨）；
R—最上层台阶坡顶线的圆弧半径（米）；
α—设计最终帮坡角（°）；
H—矿体上部覆盖层平均厚度（米）；
h—矿体平均厚度（米）；
参数n、α取露天矿场的设计参数，取Nj为经济合理剥采比，带入式1计算即可得到转角边坡最上层台阶的坡顶线的最佳曲率半径为Rj；
步骤（1-1-2）：以步骤（1-1-1）中所得最上层台阶的坡顶线最佳曲率半径Rj做与该台阶的坡顶线相切的圆弧，该圆弧作为优化后转角位置最上层台阶的坡顶线，以此坡顶线为基础按设计参数向下扩展台阶，并将圆弧外缘多余线条切除，即可得到完全优化后的各个台阶的转角边坡形态；
步骤（1-2）：当转角为凹角，且转角地表为不规则山地或转角所处位置的矿体呈倾斜状态时，可采用如步骤（1-1）相同的方式先得到切除无效剥离的边角位置后，初步优化的圆弧形的凹角形态，再利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化；
步骤（2）：如果转角为凸角形态，最上层台阶的坡顶面的拐角顶点向下垂直投影至坡底面，以及其余各个台阶的坡顶面和坡底面上形成若干基准点，以各个基准点为中心，做与中心所处坡顶面或坡底面的两边相切的圆弧，所述圆弧和所述坡顶面或坡底面的两边构成优化后的最终边坡线，从而得到完全优化后的凸角边坡形态；
所述步骤（1-1）中的对各个台阶的转角进行多次切角是指，
步骤（a）：在矿体顶板上方相邻的第1个台阶的坡顶面上做与夹角连线垂直但不相交的切割线，以此切割线为基础按设计参数向上扩展至其余台阶，将此切割线以外的多余线条切除，各台阶边角位置的转角由一个角变为两个钝角，且其拐点坡顶两角到坡底两角的连线与水平面的夹角较优化前提高，但仍低于设计最终帮坡角；
步骤（b）：利用步骤（a）持续对得到的两个钝角再次进行切角优化，直至凹形转角位置的边坡形态转化为圆弧形态，该圆弧形态形成的边坡圆弧与边坡两帮相切，最终得到初步优化的圆弧形的凹角形态；
步骤（1-2）中的利用差分法对初步优化后的凹角形态进行最终优化是指，
步骤（a）：以最上层台阶的坡底面两帮夹角的角平分线做为偏移轨迹，切割线沿偏移轨迹偏移一定距离后，再次进行如步骤（1-1）对各个台阶的转角进行多次切角，形成第j次偏移的圆弧形的凹角形态，j为大于1的自然数；
步骤（b）：利用3DMine软件中扩展台阶功能对偏移后的凹角形态进行快捷的阶梯布设台阶，并根据数据模型计算出该次偏移后差分范围内的剥离量和采煤量的变化，利用3DMine软件计算求得剥采比，直至计算剥采比小于经济合理剥采比为止；
步骤（c）：取步骤（b）计算剥采比小于经济合理剥采比的上一次切割后的边坡位置，即为切除剥采关系不合理位置后的最优边坡位置。
2.根据权利要求1所述的一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，其特征在于：前述差分范围是指进行一次偏移后所形成圆弧形的凹角形态与前一次圆弧形的凹角形态这两个圆弧形的凹角形态之间区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，其特征在于：步骤（2）中由上至下所得的圆弧所对应的曲率逐渐增大。
4. 根据权利要求1所述的一种减少土地占用且提高矿物回收率的矿坑转角设计方法，其特征在于：步骤（1-1-1）中的式1由所述数学模型N=（R+r）/（r+r’）×n 所得，其中：
N—境界剥采比（m³/吨）；
n—转角处平均钻孔剥采比（m³/吨）；
R—最上一个台阶坡顶线圆弧半径（米）；
r—矿体顶板与边坡交线所呈圆弧半径（米）；
r’—最下一个台阶坡底线圆弧半径（米）。
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