露天矿排土场合理台阶高度的确定.pdf

r i e sNo ． 3 3 2 F e b r u a r y 2 0 0 4 金 属 矿 山 METAL M I NE 总 第 3 3 2 期 2 0 0 4 年第 2期 露天矿排土场合 理台阶 高度的确 定 汪 勇 凤 凰山铜矿 摘要从安全与经济相结合的角度， 建立起了确定露天矿排土场合理台阶高度的数学 、 稳定性分析模型， 进 行了应用软件的开发， 应用该软件进行了凤凰山铜矿金牛露天采场排土场合理台阶高度的确定 ， 与设计相比， 优化 后 ， 节约排土成本 2 ． 7 6元／ m3 。 关键词露天矿排 土场安全台阶 高度 De t e r mi na t i o n o f Ra t i o n a l Be nc h He i g ht of Ope n - pi t Du mp W a n g Yo n g F e n g h u a n g s h a n C o p p e r Mi n e Ab s t r a c t F r a z a t h e v i e wp o i n t o f s a f e t y a n d e o K g n ya a b in a t i o n， the r mt h e m a t i c s r r od d f o r d e t e r min i n g the r a t i o n a l b e n c h h e i g h t o f t h e o p e n - p i t d u mp a n d i t s s t a b i l i t y a n a l y s i s mo d e l We ． r e e s t a b l i s h e d a n d t h e a p p l i c a ti o n s o f t wa r e wa s d e v e l o p e d． Th esof t wa r ewa s u s e dt od e t e r mi n et h e r a t i o n a l ben c hh e i g h t o ft h e d um po f J i n n i uo pen p i t o f Fe n g h u a n g s h a nC o p p e r Mi n e ． Co mp a r ed wi t h t h e d esi g n ed be n c h h e i g h t ， t h e o p t i mi z e d o n e s a v ed t h e e a r t h - mo v i n g C O S t b y 2． 7 6 3 y u a n ／ m3 ， a c h i e vin g r e ma r k a b l e e c o n o mi c ben e f i t ． Ke y wo r d s Du mp o f o pen p i t ， S a f e t y， B e n c h h e i g h t 露天矿排土运输成本 占矿山采矿总成本的 4 0 ％以上， 安全、 经济的排土场建设成为矿山生产经 营者主要的 目标 。 排土场稳定性的研究始于 2 0世纪 7 0年代 ， 是 随着露天排土工程研究 的发展 而发展起来 的， 直到 2 0 世纪 8 0 年代末， 国内才开始进行这一重要领域 的科研攻关[ 卜 。在研究方向及研究 内容上 ， 由于 排土场产生的滑坡和泥石流等灾变给矿山安全生产 和环境保护带来严重后果， 使科研工作着重于排土 场滑坡变形 机理、 灾变监 测 、 灾 害治理等方 面的研 究， 即突出地强调了安全性 ， 而对与排土场参数设计 相结合 的研究不多。本文就此进行了初步的探讨。 1 数学模型的建立 1 ． 1 分析模型的建立 从露天矿排土场线性规划数学模型可知 ， 对露 天矿剥离岩土运往排土场时的运量及流向的合理规 划 ， 就是用最小的运输距离和费用开支 ， 达到优化排 土的目的。其一般形式为 C C o ， 1 i 1』 1 式 中， 为将采场第 i 个水平 的岩土运输到第 个 24 排土 台阶可能的运输量 ， t ； C o为将采场第 i 个水平 的岩土运输到第 个排土 台阶的单位排土 费用 ， 元 ／ t ； m 为采场内剥离水平总数 ， 个 ； 咒为排土场排土 台阶总数 ， 个 ； C为矿 山排土费用总和 ， 元 。 对于 已投入使用 的排土场 ， 采场剥离总量及第 i 个水平可能的岩土运输量是一定值 ； 按工艺过程 及作业性质划分， C值可由以下几个部分组成 C C 0Ca C t ， 2 式中， C 0 为运输费 ， 元 ； Cd 为道路建设及维护费用 ， 元； C 为推土机作业费用， 元。 在诸多的影响因素 如排土场地形地貌、 散体物 料的性质、 排土高度 、 台阶坡 面角等 中， 最具综合 性的指标是排土高度。 它不仅极大地影响到排土场 建设费用， 而且为排土场稳定性进行量化分析提供 依据。 以下对台阶高度与 C值的关系进行详细分析 以单位费用分析 。 1 ． 1 ． 1 对运输费用的影响 引入台阶高度后的排土场运输规划模式， 因各 汪勇 ， 铜陵有 色集 团公 司凤凰 山铜矿 ， 工程师 ， 2 4 4 0 4 1安徽省铜 陵 市凤凰山。 一 玎 ■一 薯 维普资讯 汪勇等 露天矿排土场合理台阶高度的确定 2 0 0 4年第 2期 矿的具体条件不 同而呈现多样性 。 其一般形式为 C 0 C1 S r ， 3 式 中， C 为单位废石运输费用 ， 元 ／ t k m ； S为废 石沿排土场道路 的实 际距离 ， k m； r为剥离 岩土的 密度 ， t ／ m o 其 中， 排土场道路实际距 离与排土台阶高度有 着线性关系 ， S H／ i 4 - S 0 ， 4 式中， S 0为平 台道路长度 ， k m； i 为道路坡度 ； H 为 排土场总高度， k m； H／ h， 为排土台阶数， 个； h 为排土台阶高度， k m。 将 4 代入 3 式有 Co C 1 H／ i 4- S o r ． 5 1 ． 1 ． 2 对道路建设及维护费的影响 排土场道路的建设及维护费用与排土场道路长 度正 比例 。 可分为两部分， 一部分为固定线路费用 ， 一 部分为移动线路费用 ， 移动线路费用与 台阶高度 成反 比 C a C z H／ i r C 2 志 2S o H ／ hr ， 6 式 中， C2 为道路运营费用 ， 元 ／ t k m ； k 2 为等级道 路调整系数。 1 ． 1 ． 3对推土作业的影响 废石推移至安全段顶线外及安全段反坡形成 ， 平整卸载平台及排土场低于水平 面的凹陷区 ， 均 由 推土机完成。 前三项作业可以同时进行 ， 也可以一个 作业接着一个作业地进行， 因此这些作业费用各不 相同， 在此不再细分而作为整体考虑。 它与排土场卸 载时留下的废石量多少成正比； 当沿斜坡角卸载时 ， 随着排土台阶高度的增加， 推土量以及推土机作业 费用减少。 与此同时， 当排土台阶高度 h 达到某一数值， 则 平整低于水平面凹陷区的推土量急剧增加， 从改善 排土场作业组织工作角度出发， 应遵守下述条件 h B t g a ／ k 4 ， 7 式 中， B为卸载平 台宽度 ， m； a为卸载平台反坡角 ， 。 ； k 为废石沉降系数。 与排土台阶高度有关的推土机费用 Ct tq _ 。 k 4 k 5 ， 8 由 8 式可推导 出下式 Ct tq ～ k 5 h p h p 4-h - l ， 9 式中， t 为推土机台班作业成本， 元 ／ 班； q 为推土机 生产效率 ， m3 ／ 班； k 5 为平整低于水平面凹陷区的推 土机作业增量系数； h 为残留废石的台阶高度， F a n 。 综合表达式 5 、 6 、 9 得到排土场高度对排 土场建设 费用的关系式 C C1 H／ i 4-n S o r C 2 H／ i rC 2 志 2 S o H／ hr 4-t q 一 k 5 h p h p 4- h 一 ， 1 0 式 中， C 为单位排土费用 ， 元 ／ m3 。 由式 1 0 ， 结合采场内不同水平岩石量及排土 场同水平或垂直堆置量就可计算 出排土总费用及最 小时的台阶高度， 即最佳经济高度。 至此 ， 已建立起排土场经济分析数学模型。 1 ． 2 稳定性分析数学模型的建立 边坡稳定性的计算方法可分为极限平衡法 、 应 力应变法以及可靠性分析法 。 就应用范围而言 ， 应力应变法 有限元法及边界 元法 和可靠性分析法 概率分析法 以定性评价为 主， 与定量确定台阶高度难以结合。 以条分法和极 限平衡原理为基础的极限平衡法 在工程 中应用最早 、 最为广泛。根据地质结构面 散 体 内部结构面 形成滑体的边界条件 形状 ， 对于平 面滑动、 曲面滑动、 楔体滑动等多种滑动均可进行相 应的计算。 根据排土场地基岩性 、 表土力学性质、 场内散体 物料的组成、 力学参数及其堆排形式试验分析， 可选 择不同的、 合适的计算方法， 在此， 选用 F il le n iu s 法 和 J a n b u法。 2 软件开发 综合 以上分析 ， 在围绕排 土场 台阶高度这一综 合指标而开展的规划研究 中， 可以建立起稳定 、 安全 及经济、 合理的排土场动态管理模型。对其实时地、 正确地解析 以及合理地运用 ， 需进行 以动态数学模 型求解为核心的软件系统开发 。具体步骤为 1 软 件系统 目标 ； 2 软件系统功能； 3 软件系统结构 。 2 ． 1 系统 目标 保证动态数学模型求解的准确性 、 实时性 、 满足 矿山生产需求， 提高排土场建设管理工作的科学性、 可靠性 、 及时性及应变能力。 2 ． 2 系统功能 1 数据录入功能。原始数据 、 各种计算数据 台帐 的输入。 2 数据修改功能。包括数据的修改、 添加 、 删 除。 25 维普资讯 总第 3 3 2期 金 属 矿 山 2 0 0 4年第 2期 3 计算功能。动态数学模型的求解、 分析。 4 查询功能。任意参数 、 数据文件 、 任何项 目 的查询。 5 打印功能。数据文件、 计算结果等项 目的 打印。 2 ． 3 系统结构 采用模块化结构设计方法 ， 将 系统按功能分解 成若干个主功能模块 ， 各 主功能模块进一 步分解为 解决特定问题的更小的子功能模块 ， 这样 自上而下 ， 逐步细化 ； 各子功能模块按一定逻辑结构 树状层次 结构 层层向上组合 ， 以实现系统 的功能 ； 模块划分 遵循“ 模块内高凝聚度， 模块间低耦合度” 的原则， 保 证各模块间具有较高的独立性， 有利于日后系统的 维护 图 1 。 新付 井 1 7 1 南风井 8 9 仳百丌 T 1 J U J r ’ 0’ ， 1 北 风 井 7 0 t 一 1 O 4 0 l 一8 O I 一1 2 0 一 l 8 O l ～ 2 4 0 采场辅j 羁 3 0 0 一 3 6 0 J f I 图 1 系统模块 功能框 图 2 ． 4 运行环境 本系统运行所需的软、 硬件环境如下 1 主机 I B M． P C 3 8 6以上或兼容机 ； 2 操作系统 D 3 ． 0以上版本 ； 3 数据库系统 F OX B A S E2 ． 0及以上版本 ； 4 具有 2 5 行汉字显示操作系统 ； 5 具有 国际标准交换码 的打印机； 6 本系统所用 文件类 型共 3种 ①源程序码 扩 展 名 为 ． P R G ； ② 数 据 库 文 件 扩 展 名 为 ．D B F ； ③屏幕格式文件 扩展名为 ． F MT 。 2 ． 5 系统特点 1 本系统模块化结构层次清楚 ， 整个 系统采 用分层菜单 ， 汉字会话方式 自动引导用户正确使用 ； 菜单画面色彩搭配合理 、 美观、 清晰、 人机界面友好。 2 提示 通俗易懂。当管理人员使用系统时， 均有足够的提示信息 ， 程序操作符合常用习惯 ， 使用 简便 ， 不用操作说明书也可使用系统。 3 具安全性和容错性。无论操作人员如何选 取菜单或回答提 问均不会 导致系统 中断 ， 在每个需 要回答之处都有操作失误保护设计 。 26 3 应 用 实例 凤凰 山铜矿金牛露天采场 自 1 9 9 5年筹建 ， 1 9 9 6 年 5月正式基建施工。在考虑 总剥离量 7 7 0万 m3 排土容积需要的同时， 为合理安排资金 ， 将排土场分 两期施工建设。其中， 一期排土场 占地面积 1 3 ． 5万 m2 ； 按缩短运距 、 就近排土的建设原则 ， 将排土场分 为 1 、 2 2条排土线。 在进行排 土场散体物料 、 地基岩土物理力学参 数试验及生产指标综合调查分析 的基础上 ， 进行了 排土场台阶高度优化计算， 并与原设计指标进行了 对 比， 结果见表 1 。 表 1 安全、 经济动态模型计算结果 在充分考虑环境因素 、 采场爆破地震波 、 雨季雨 水的影响后选择排 土台阶高度为 2 0 m； 至 2 0 0 3年 末已受容 3 7 0多万 r n 3 。 4 结论 1 应用排 土场 台阶高 度优化软件 ， 对金牛露 天采场排土台阶高度进行 了优化 ， 实现 了既安全又 经济的排土场建设 目 标。 2 按矿山原计划每立方米计 ， 实 现排 土台阶 高度优化后 ， 节约排土费用 2 ． 7 6 3元／ m3 ， 按矿 山采 场 尚有 5 0 0万 m3 剥离量计算 ， 可节约 1 3 8 1 万元。 3 所开发 的应用软件通用性 强 ， 易移植。选 用同一的计算指标和合理的逻辑数据结构及开放性 的系统设计 ， 扩充极为方便 ， 使本系统可直接或稍作 修改就可用于其它矿山。 参考文献 1 苏文贤， 黄礼富， 等 ． 朱家包包铁矿高台阶排土场稳定性及治理 技术的研究 ． 金属矿 山 ， 1 9 9 1 1 2 1 4 ～ 2 0 2 黄礼富 ． 苏文贤 ． 高台阶排土场岩石块度分布规律研究 ． 有色 矿山 ， 1 9 8 8 9 7 ～ 1 3 3 黄礼富 ， 周玉新 ， 陈柏 林 ， 等 ． 排 土机排 土合理工艺参数 的确 定 ． 金属矿山 ， 1 9 9 8 1 8 -- 1 1 4 李宝祥 ， 等 ． 采矿手册 ． 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 9 1 5 何培 民 ． 软件开发指南 ． 北 京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 1 收稿 日期2 0 0 3 ． 1 0 2 3 维普资讯