CN110700285B - 一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法。本发明基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角等参数往上放缓松散层边坡，提供了不同地表形态下的松散层边坡放缓的实现方法，通过三维建模，实现了单线条和双线条开采境界地表松散层的边坡放缓，解决了松散层边坡放缓的三维设计问题，构建了地表松散层放缓边坡三维模型。本发明提供了露天矿地表松散层边坡放缓设计方法，用以降低地表松散体的滑坡风险，为露天矿开采境界的完整、全面安全设计提供技术支撑。

Description

一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法

技术领域

本发明涉及露天矿开采技术领域，特别涉及一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法。

背景技术

随着资源的逐渐枯竭与采矿技术及设备的不断进步，未来矿产开发将更多的转向环境恶劣、品位低的贫矿资源开采，大型、特大型露天矿开采将是最为经济可行的资源回收方法。越来越多的露天矿逐渐向深凹化发展，随着采深的增加，露天开采上部形成的高陡边坡的安全问题也开始凸显。露天矿边坡较高，长达数百米；而且走向较长，常达几公里，揭露的岩层多，岩体结构复杂，主要是滑动变形。在露天开采过程中，随着边坡的加高和加陡，一方面，边坡稳定性和安全性越来越差；另一方面，对大型露天矿山，提高边坡角又是减少剥离量、降低生产成本、增加开采效益的重要手段之一。

一直以来，矿业工作者们都在不遗余力地研究露天开采境界的边坡角优化方法，并以此来开展露天开采境界的设计工作，以确保在开采安全的基础上获得较好的经济效益。

申请号为CN201710014883.5的发明专利公开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αcr，将一系列的坡高H和极限坡角αcr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。

然而，国内外设计咨询、研究单位却一直忽视了对于露天矿地表松散层边坡放缓设计技术的研究，所有的露天开采境界施工设计几乎都是基于终了边坡角下从坑底到地表的同一边坡角设计，个别地质条件复杂的露天矿山根据不同开采标高和划分的岩性类型分区设计边坡角，但对于地表松散层边坡角的选择及放缓设计可供参考的文献基本没有。

地表松散层主要为地表土体及部分地表岩体强风化带，土体为第四系松散岩类单层结构土体，该层土体结构松散、透水性强、抗剪抗压强度不高、工程地质条件差，不能作为永久性建(构)筑物天然地基或基础持力层，边坡开挖及前缘临空地段易产生滑坡。因此，对于特大型高边坡露天矿而言，合理的地表松散层边坡角及放缓设计可以为矿业开发者提供较为准确的剥离量信息，同时为露天坑浅部边坡提供有效的安全保证，防止露天矿开采地表滑坡危害。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供了一种用以降低地表松散体滑坡风险的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，包括如下步骤：

S1、基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡；

S2、根据测量的松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；

S3、三维实体建模：

S31、采用计算机构建地表、地层及开采境界三维DTM模型；

S32、获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

S33、利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维DTM模型耦合，形成新的整体开采境界。

优选的，当地表为曲面型地表时，所述步骤S2具体为：根据地形坡度、松散层厚度、台阶边坡角、松散层边坡角参数计算得出地表交线的水平偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓。

优选的，所述地表交线的水平偏移距离计算方法为：

根据拟定的边坡放缓方式，按整体终了边坡角统一设计到地表后，以境界边坡与松散层边界线交线位置开始放缓边坡角，则由几何函数关系可得：

AB＝AC/sin(∠BFG+∠ABE),

AE＝AB×sin(∠ABE)＝AH+HE＝AH+IJ,

tan(∠BFG)＝AH/HI,tan(∠IBJ)＝IJ/JB,

HI＝AH/tan(∠BFG)＝(AE-IJ)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×JB)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×(HI+AE/tan(∠ABE))/tan(∠BFG)

由上述公式可得到：

其中，假设地形坡度∠BFG＝a₁，松散层厚度为AC＝d，台阶边坡角为∠ABE＝a₂，松散层边坡角为∠IBJ＝a₃，均为已知；

其中，HI为水平偏移距离，AB为原台阶边坡在松散层内的长度，AE为原台阶边坡在松散层内的垂直投影长度，AC为松散层厚度，IB为放缓边坡长度，IJ为放缓边坡的垂直投影长度，AH为AE与IJ的差值，JB为放缓边坡的水平投影长度。

优选的，在步骤S32中，所述松散层底板线的获取方法为：根据所述地层三维DTM模型及开采境界三维DTM模型，通过利用SURPAC软件中的DTM间剪切或相交功能求得DTM间相交线，该线即为松散层在开采境界上的底板线。

优选的，在步骤S32中，所述松散层边坡放缓模型的构建方法为：

步骤1、根据所述松散层底板线以及预定的松散层边坡角，按预定的斜率和高度生成超出地表的扩展线；

步骤2、根据松散层底板线及所述扩展线，通过在实体模型中创建三角网的二个段之间连接三角网功能构建环形松散层边坡模型。

优选的，在步骤S33中，所述开采境界耦合为单线条开采境界耦合或双线条开采境界耦合。

优选的，所述单线条开采境界为初步境界，其特点为一条等高线代表一个台阶，台阶之间无平台宽度表示，且未布设三维道路系统，各台阶之间形成平滑的边坡曲面；所述单线条开采境界耦合包括如下步骤：

步骤1、通过境界优化软件圈定的初步境界经线条圆滑处理，并根据确定的最小工作平台宽度进行台阶线修整；

步骤2、利用所述环形松散层边坡模型与所述地表三维模型剪切获得地表以下实际放缓边坡；

步骤3、根据所述剪切后放缓边坡与原始开采境界进行布尔运算，构建基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型。

优选的，所述双线条开采境界是指各台阶之间阶梯状分布，并布设有三维道路运输系统，为矿山实际开采将形成的开采终了境界；所述双线条开采境界地表边缘为锯齿状三维结构，通过地表境界线重构技术实现松散层边坡的精确放缓及境界耦合。

优选的，所述地表境界线重构技术实现过程包括如下步骤：

步骤1、将开采境界地表边界线中平行等高线的边界线向境界内部偏移松散层厚度的等值地形线标高；

步骤2、根据与台阶线的交点连接垂直地形段的松散层边界线，获得关于开采境界预定厚度下的整体松散层边界线；

步骤3、根据垂直段松散层界线按预定边坡角放缓，计算水平偏移距离后，往境界外部偏移预定长度，最终形成松散层放缓边坡与地表的边界交线；

步骤4、通过校核边界交线点高程，生成基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型。

在实际研究中我们发现松散层边坡滑坡模式与其地质结构密切有关，主要为楔形滑坡：在自重作用下，在松散层中切割下滑，它的规模与整体坡度和松散层厚度有关。松散层较薄时，容易产生类似剥皮的破坏模式。松散层滑坡的特点是上部松散层沿岩石与土层分界面或者在松散层内产生滑动，其地质条件为：1)边坡角大于松散土体自身强度所能提供的稳定坡角。2)高陡地形，提供了较大的势能和临空条件。3)边坡充分临空，产生了较大的坡脚变形，变形扰动范围沿岩土分界面逐步往上、高处扩展。4)地下水活动和各种振动(地震和爆破)等触发因素。

因此，对地表松散层的边坡角进行优选，并且开展其边坡放缓三维设计技术方法的研究，能够为露天矿开采境界的完整、全面安全设计提供技术支撑。

在露天开采设计过程中，不可避免的涉及地表松散层剥离物的开挖，以此来揭露下覆矿体进行开采。任何地质岩层的赋存厚度在空间区域上几乎都差异存在的。为了实现地表松散层边坡的放缓设计，需要进行一定的简化处理，假设以矿区地表松散层平均厚度为基础，根据获得的松散层合理边坡角对露采境界地表松散层边坡段进行放缓三维设计，以降低地表松散体的滑坡风险，提高终了边坡的整体安全性。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，提供了较为准确的剥离量信息，为露天矿浅部松散层边坡提供有效的安全保证，能够有效防止露天矿开采境界地表滑坡危害。

2、本发明提供的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，基于整体终了边坡设计后，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡，这种方式可有效保证各平台设计宽度，利于上部边坡安全稳定，而且较为实用和易于实现。

3、本发明提供的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，采用曲面型地表的松散层边坡放缓实现方法分析，符合真实的地形特征，实现方法真实可靠。

4、本发明提供的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，采用单线条和/或双线条开采境界的地表松散层边坡放缓技术，进行松散层边坡放缓模型与开采境界三维实体模型耦合，解决了松散层边坡放缓的三维设计技术实现问题，形成新的整体开采境界。

附图说明

图1为本发明提供的松散层边坡放缓方式。

图2为本发明提供的近似平面型地表的松散层边坡放缓分析(立面)。

图3为本发明提供的曲面型地表的松散层边坡放缓分析(立面)。

图4为本发明提供的地表三维DTM模型。

图5为本发明提供的地层三维DTM模型。

图6为本发明提供的开采境界三维DTM模型。

图7为本发明提供的松散层在开采境界上的底板线。

图8为本发明构建的环形松散层边坡模型。

图9为本发明提供的单线条境界与地表复合三维模型。

图10为本发明提供的单线条耦合开采境界典型剖面图。

图11为本发明提供的地表松散层边坡放缓后双线条开采境界地表边界形态。

图12为本发明提供的基于松散层放缓边坡的双线条耦合开采境界三维模型。

图13为本发明提供的双线条耦合开采境界典型剖面图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

请参阅图1至图13所示，本发明提供了一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，包括如下步骤：

S1、基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡；

S2、根据测量的松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；

S3、三维实体建模：

S31、采用计算机构建地表、地层及开采境界三维DTM模型；

S32、获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

S33、利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维DTM模型耦合，形成新的整体开采境界。

下面结合实施例1-2对本发明提供的一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法进行说明：

实施例1

一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，包括如下步骤：

S1、基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡；

S2、根据测量的松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；

S3、三维实体建模：

S31、采用计算机构建地表、地层及开采境界三维DTM模型；

S32、获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

S33、利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维DTM模型耦合，形成新的整体开采境界。

请参阅图1所示，在步骤S1中，松散层边坡放缓方式为基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡。所述放缓方式可有效保证各平台设计宽度，利于上部边坡安全稳定。虽然结果会放缓终了边坡角，增加部分剥离量，但由于松散层边坡厚度一般不大，基本在单个台阶范围内，对整体终了边坡的边坡角构成影响少，基本可以忽略不计，所述方法较为实用且易于实现。

请参阅图2至图3所示，在步骤S2中，松散层边坡放缓实现方法分析为根据松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；分析方法为近似平面型地表的松散层边坡放缓分析或曲面型地表的松散层边坡放缓分析。

进一步地，所述近似平面型地表的松散层边坡放缓分析是指假设地表为近似平面地形，矿区地表起伏小，标高基本一致，以此来开展松散层边坡放缓分析。如图2所示，开采境界根据整体终了边坡角设计后与地表的交线将是一条闭合的二维曲线，这种情况下，只需根据松散层厚度及松散层边坡角求得边坡放缓后地表交点偏移距离C。根据偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓设计。

更进一步地，所述曲面型地表的松散层边坡放缓分析是在所述平面型地表分析的基础上，假设地表高低起伏，形态变化不一，以此来分析边坡的放缓设计，曲面型地表的松散层边坡放缓分析更符合真实的地形特征。

如图3所示，地表高低起伏，具有三维特征，地形在开采境界的地表边界处呈一定的坡度分布，假设地形坡度∠BFG＝a₁，松散层厚度为AC＝d，台阶边坡角为∠ABE＝a₂，松散层边坡角为∠IBJ＝a₃，均为已知。根据拟定的边坡放缓方式，按整体终了边坡角统一设计到地表后，以境界边坡与松散层边界线交线位置开始放缓边坡角，则由几何函数关系可得：

AB＝AC/sin(∠BFG+∠ABE),

AE＝AB×sin(∠ABE)＝AH+HE＝AH+IJ,

tan(∠BFG)＝AH/HI,tan(∠IBJ)＝IJ/JB,

HI＝AH/tan(∠BFG)＝(AE-IJ)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×JB)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×(HI+AE/tan(∠ABE))/tan(∠BFG)

由上述公式可得到：

其中，HI为水平偏移距离，AB为原台阶边坡在松散层内的长度，AE为原台阶边坡在松散层内的垂直投影长度，AC为松散层厚度，IB为放缓边坡长度，IJ为放缓边坡的垂直投影长度，AH为AE与IJ的差值，JB为放缓边坡的水平投影长度。

上式为推导的开采境界地表松散层边坡放缓的地表交线水平偏移距离计算公式，与地形坡度、松散层厚度、台阶边坡角、松散层边坡角参数存在几何函数关系；根据公式可求得按一定的松散层厚度及边坡角度放缓边坡后地表交线需偏移的水平距离，从而实现边坡放缓设计。

请参阅图4-13进行三维实体建模。

其中，请参阅图4-6所示，在步骤S31中，构建地表、地层及开采境界三维DTM模型。

进一步地，地表三维DTM模型的构建，包括以下步骤：

步骤1、对等高线进行前期处理，包括坐标系转换、高程赋值、线条属性处理等；

步骤2、将处理好CAD文件导入SURPAC软件中，利用自动纠错功能搜寻聚结点、交叉点，在视图框内检查等高线高程；

步骤3、在修正后的“.str”文件基础上创建“.dtm”文件，并进行验证，对存在自相交的三角网进行节点调整，最终形成如图4所示的矿区地表三维DTM实体模型。

进一步地，地层三维DTM模型的构建，包括以下步骤：

步骤1、在CAD中对地质勘探剖面图进行处理，提取地层边界线，并进行分别命名；

步骤2、将其调入SURPAC后保存为STR文件，并对各线段重新编号，合并线串中所有线段，清理重复点、跨接以及聚结点，并对线串进行分离；

步骤3、将不同类别的地层文件进行面文件创建，形成如图5所示的矿区地层三维DTM模型。

进一步地，开采境界三维DTM模型的构建，包括以下步骤：

步骤1、对台阶及道路线进行前期处理，包括坐标系转换、高程赋值、线条属性处理等；

步骤2、将处理好CAD文件导入SURPAC软件中，利用自动纠错功能搜寻聚结点、交叉点，在视图框内检查等高线高程；

步骤3、在修正后的“.str”文件基础上创建“.dtm”文件，并进行验证，对存在自相交的三角网进行节点调整，对境界地表边界处多余零散DTM三角形进行剪切，最终形成如图6所示的开采境界三维DTM实体模型。

开采境界三维DTM模型是境界优化设计、矿岩量计量及生产计划编排等过程的必要约束文件，其建模方法类似于地表及地层模型构建。

请参阅图7至图8所示，在步骤S32中，获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

进一步地，所述开采境界的松散层底板线获取是根据建立的所述地表松散地层DTM模型及所述开采境界三维模型，通过利用SURPAC软件的DTM工具中的DTM间剪切或相交功能求得DTM间相交线，该线即为松散层在开采境界上的底板线，如图7所示。

进一步地，根据获取的所述开采境界上松散层底板线，根据确定的松散层边坡角，利用SURPAC软件的线段扩展功能，按一定的斜率和高度生成超出地表的扩展线。根据松散层底板线及扩展线，通过实体模型中创建三角网的二个段之间连接三角网功能构建环形松散层边坡，构建的环形松散层边坡模型如图8所示。

请参阅图9至图10所示，在步骤S33中，利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维实体模型耦合，形成新的整体开采境界。

进一步地，所述开采境界三维实体模型耦合为单线条开采境界耦合。

所述单线条开采境界为初步境界，其特点为一条等高线代表一个台阶，台阶之间无平台宽度表示，且未布设三维道路系统，各台阶之间形成平滑的边坡曲面。单线条开采境界一般用于初略的矿山设计评估工作，如矿山的矿产资源开发利用方案或可行性研究阶段等。

更进一步地，单线条开采境界耦合包括如下步骤：

步骤1、通过境界优化软件圈定的初步境界经线条圆滑处理，并根据确定的最小工作平台宽度进行台阶线修整；

步骤2、利用所述环形松散层边坡模型与所述地表三维模型剪切获得地表以下实际放缓边坡；

步骤3、根据所述剪切后放缓边坡与原始开采境界进行布尔运算，构建基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型，耦合后的典型剖面如图10所示。从图10中可以看出，开采境界边坡在松散层内可得到有效放缓。

实施例2

一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，包括如下步骤：

S1、基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡；

S2、根据松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；

S3、三维实体建模：

S31、采用计算机构建地表、地层及开采境界三维DTM模型；

S32、获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

S33、利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维DTM模型耦合，形成新的整体开采境界。

请参阅图1所示，在步骤S1中，松散层边坡放缓方式为基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡。所述放缓方式可有效保证各平台设计宽度，利于上部边坡安全稳定。虽然结果会放缓终了边坡角，增加部分剥离量，但由于松散层边坡厚度一般不大，基本在单个台阶范围内，对整体终了边坡的边坡角构成影响少，基本可以忽略不计，所述方法较为实用且易于实现。

请参阅图2至图3所示，在步骤S2中，松散层边坡放缓实现方法分析为根据松散层厚度及松散层边坡角计算得出边坡放缓后地表交点偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；分析方法为近似平面型地表的松散层边坡放缓分析或曲面型地表的松散层边坡放缓分析。

进一步地，所述近似平面型地表的松散层边坡放缓分析是指假设地表为近似平面地形，矿区地表起伏小，标高基本一致，以此来开展松散层边坡放缓分析。如图2所示，开采境界根据整体终了边坡角设计后与地表的交线将是一条闭合的二维曲线，这种情况下，只需根据松散层厚度及松散层边坡角求得边坡放缓后地表交点偏移距离C。根据偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓设计。

更进一步地，所述曲面型地表的松散层边坡放缓分析是在所述平面型地表分析的基础上，假设地表高低起伏，形态变化不一，以此来分析边坡的放缓设计，曲面型地表的松散层边坡放缓分析更符合真实的地形特征。

如图3所示，地表高低起伏，具有三维特征，地形在开采境界的地表边界处呈一定的坡度分布，假设地形坡度∠BFG＝a₁，松散层厚度为AC＝d，台阶边坡角为∠ABE＝a₂，松散层边坡角为∠IBJ＝a₃，均为已知。根据拟定的边坡放缓方式，按整体终了边坡角统一设计到地表后，以境界边坡与松散层边界线交线位置开始放缓边坡角，则由几何函数关系可得：

AB＝AC/sin(∠BFG+∠ABE),

AE＝AB×sin(∠ABE)＝AH+HE＝AH+IJ,

tan(∠BFG)＝AH/HI,tan(∠IBJ)＝IJ/JB,

HI＝AH/tan(∠BFG)＝(AE-IJ)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×JB)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×(HI+AE/tan(∠ABE))/tan(∠BFG)

由上述公式可得到：

其中，HI为水平偏移距离，AB为原台阶边坡在松散层内的长度，AE为原台阶边坡在松散层内的垂直投影长度，AC为松散层厚度，IB为放缓边坡长度，IJ为放缓边坡的垂直投影长度，AH为AE与IJ的差值，JB为放缓边坡的水平投影长度。

上式为推导的开采境界地表松散层边坡放缓的地表交线水平偏移距离计算公式，与地形坡度、松散层厚度、台阶边坡角、松散层边坡角参数存在几何函数关系。根据公式可求得按一定的松散层厚度及边坡角度放缓边坡后地表交线需偏移的水平距离，从而实现边坡放缓设计。

请参阅图4-13进行三维实体建模。

其中，请参阅图4-6所示，在步骤S31中，构建地表、地层及开采境界三维DTM模型。

请参阅图7至图8所示，在步骤S32中，获取松散层底板线以及构建松散层边坡放缓模型；

进一步地，所述开采境界的松散层底板线获取是根据建立的所述地表松散地层DTM模型及所述开采境界三维模型，通过利用SURPAC软件的DTM工具中的DTM间剪切或相交功能求得DTM间相交线，该线即为松散层在开采境界上的底板线，如图7所示。

进一步地，根据获取的所述开采境界上松散层底板线，根据确定的松散层边坡角，利用SURPAC软件的线段扩展功能，按一定的斜率和高度生成超出地表的扩展线。根据松散层底板线及扩展线，通过实体模型中创建三角网的二个段之间连接三角网功能构建环形松散层边坡，构建的环形松散层边坡模型如图8所示。

请参阅图11至图13所示，在步骤S33中，利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维实体模型耦合，形成新的整体开采境界。

进一步地，所述开采境界三维实体模型耦合为双线条开采境界耦合。

所述双线条开采境界是指各台阶之间阶梯状分布，并布设有三维道路运输系统，为矿山实际开采将形成的开采终了境界。双线条开采境界一般用于详细的矿山设计评估工作，如矿山的初步设计及施工图设计阶段等。由于双线条开采境界地表边缘的锯齿状三维结构，影响了三维扩展线的精确生成，双线条开采境界的三维耦合比较复杂。因此，为了得到准确的基于松散层放缓边坡的耦合开采境界，通过地表境界线重构技术实现边坡的精确放缓及境界耦合。

更进一步地，所述地表境界线重构技术实现过程包括如下步骤：

步骤1、将开采境界地表边界线中平行等高线的边界线向境界内部偏移松散层厚度的等值地形线标高；

步骤2、根据与台阶线的交点连接垂直地形段的松散层边界线，获得关于开采境界预定厚度下的整体松散层边界线；

步骤3、根据垂直段松散层界线按预定边坡角放缓，计算水平偏移距离后，往境界外部偏移预定长度，最终形成松散层放缓边坡与地表的边界交线；

步骤4、通过校核边界交线点高程，生成基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型，耦合后的典型剖面如图13所示。从图13中可以看出，开采境界边坡在松散层内得到了有效放缓。

综上所述，本发明提供了一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法。本发明基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡，提供了近似平面型与曲面型地表的松散层边坡放缓的实现方法，通过三维建模，实现了单线条和双线条开采境界的地表松散层边坡放缓，解决了松散层边坡放缓的三维设计问题，构建了开采境界的松散层放缓边坡三维模型。本发明主要通过确定的地表松散层的合理边坡角，开展其边坡放缓设计方法的研究，以降低地表松散体的滑坡风险，为露天矿开采境界的完整、全面安全设计提供技术支撑。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、基于整体终了边坡设计，以岩质台阶边坡与松散层底板交线为起点，根据松散层厚度及边坡角往上放缓松散层边坡；

S2、当地表为曲面型地表时，根据地形坡度、松散层厚度、台阶边坡角、松散层边坡角参数计算得出地表交线的水平偏移距离，并基于偏移距离，确定放缓后开采境界与地表交线，从而实现边坡的放缓；

S3、三维实体建模：

S31、采用计算机构建地表、地层及开采境界三维DTM模型；

S32、根据所述地层三维DTM模型及开采境界三维DTM实体模型，通过利用SURPAC软件中的DTM间剪切或相交功能求得DTM间相交线，获取得到松散层底板线；然后，构建松散层边坡放缓模型：

步骤1、根据所述松散层底板线以及预定的松散层边坡角，按预定的斜率和高度生成超出地表的扩展线；

步骤2、根据松散层底板线及所述扩展线，通过在实体模型中创建三角网的二个段之间连接三角网功能构建环形松散层边坡模型；

S33、利用所述松散层边坡放缓模型与所述开采境界三维DTM模型耦合，形成新的整体开采境界。

2.根据权利要求1所述的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：所述地表交线的水平偏移距离计算方法为：

根据拟定的边坡放缓方式，按整体终了边坡角统一设计到地表后，以境界边坡与松散层边界线交线位置开始放缓边坡角，则由几何函数关系可得：

AB＝AC/sin(∠BFG+∠ABE),

AE＝AB×sin(∠ABE)＝AH+HE＝AH+IJ,

tan(∠BFG)＝AH/HI,tan(∠IBJ)＝IJ/JB,

HI＝AH/tan(∠BFG)＝(AE-IJ)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×JB)/tan(∠BFG)

＝(AE-tan(∠IBJ)×(HI+AE/tan(∠ABE))/tan(∠BFG)

由上述公式可得到：

其中，假设地形坡度∠BFG＝a₁，松散层厚度为AC＝d，台阶边坡角为∠ABE＝a₂，松散层边坡角为∠IBJ＝a₃，均为已知；

其中，HI为水平偏移距离，AB为原台阶边坡在松散层内的长度，AE为原台阶边坡在松散层内的垂直投影长度，AC为松散层厚度，IB为放缓边坡长度，IJ为放缓边坡的垂直投影长度，AH为AE与IJ的差值，JB为放缓边坡的水平投影长度。

3.根据权利要求1所述的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：在步骤S33中，所述开采境界三维DTM模型耦合为单线条开采境界耦合或双线条开采境界耦合。

4.根据权利要求3所述的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：所述单线条开采境界的特征为一条等高线代表一个台阶，台阶之间无平台宽度表示，且未布设三维道路系统，各台阶之间形成平滑的边坡曲面；所述单线条开采境界耦合包括如下步骤：

步骤1、通过境界优化软件圈定的初步境界经线条圆滑处理，并根据确定的最小工作平台宽度进行台阶线修整；

步骤2、利用所述环形松散层边坡模型与所述地表三维模型剪切获得地表以下实际放缓边坡；

步骤3、根据剪切后放缓边坡与原始开采境界进行布尔运算，构建基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型。

5.根据权利要求3所述的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：所述双线条开采境界是指各台阶之间阶梯状分布，并布设有三维道路运输系统；所述双线条开采境界耦合通过地表境界线重构技术实现。

6.根据权利要求5所述的露天矿地表松散层边坡放缓三维设计方法，其特征在于：所述地表境界线重构技术实现过程包括如下步骤：

步骤1、将开采境界地表边界线中平行等高线的边界线向境界内部偏移松散层厚度的等值地形线标高；

步骤2、根据与台阶线的交点连接垂直地形段的松散层边界线，获得关于开采境界预定厚度下的整体松散层边界线；

步骤3、根据垂直段松散层界线按预定边坡角放缓，计算水平偏移距离后，往境界外部偏移预定长度，最终形成松散层放缓边坡与地表的边界交线；

步骤4、通过校核边界交线点高程，生成基于松散层放缓边坡的耦合开采境界三维模型。

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