露天采礦學(xué)第四章

露天采礦學(xué)第四講主講人：闞冬梅露天開采緒論露天開采概念、方法及程序露天開采境界露天采剝方法及程序礦床開拓穿孔爆破礦巖采裝露天礦運輸排巖工藝露天礦防排水露天礦生產(chǎn)剝采比及其均衡露天礦生產(chǎn)能力與采掘進度方案現(xiàn)代信息技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用例如復(fù)習(xí)舊課露天采礦的設(shè)計程序：初步確定露天開采境界；初步確定礦山生產(chǎn)能力；初步確定礦山總圖布置及外部運輸；初步確定開拓運輸方式及裝運設(shè)備類型；具體進行開拓運輸布線；修改、調(diào)整并確定露天開采境界；編制采掘進度方案，驗證生產(chǎn)能力；確定采剝設(shè)備數(shù)量及工藝參數(shù)；具體進行總圖布置及外部運輸。露天開采境界確實定應(yīng)包括：確定合理的露天礦底平面周界和露天礦最終邊坡角、開采深度。第四章露天采剝方法與程序概述合理開采順序確定露天礦采剝方法露天轉(zhuǎn)地下采礦堅硬礦巖一般用穿孔爆破方法進行松碎，然后用采裝設(shè)備進行鏟裝，將礦巖分別裝車。松軟礦巖一般不需鑿巖爆破，而用采裝設(shè)備直接鏟裝，或用推土機配合鏟運機對礦巖進行集堆和鏟運，也有使用索斗鏟和輪斗鏟進行采裝的。概述露天礦開采方式：主要指采用怎樣的設(shè)備、方法進行采裝作業(yè)。露天礦開采程序：即采剝工程在時間和空間上開展變化的方式。開采程序要素主要包括：開采臺階的結(jié)構(gòu)、采剝工程首采地段、新水平的降深方式、工作線布置形式和擴展方式、工作幫構(gòu)成特征等。合理開采順序確實定開采臺階的結(jié)構(gòu)采剝工程的首采地段新水平的降深方式臺階立體圖臺階坡面角，是巖體穩(wěn)定性的函數(shù)；臺階高度，受生產(chǎn)規(guī)模、采裝設(shè)備、開采的選別性影響；臺階寬度，W=Wc(爆破帶寬度)+Ws(平安平臺寬度)。最小工作平盤寬度：剛剛滿足采運作業(yè)需要的空間的寬度。臺階的采掘方向：挖掘機沿采掘帶前進的方向。臺階的推進方向：臺階向外擴展的方向。平安平臺：在開采過程中，工作平臺不能一直推進到上個臺階的坡底線位置，而是應(yīng)留下一定寬度。留下的這局部叫平安平臺。平安平臺寬度一般為2/3-1個臺階高度。平安擋墻：在工作平盤的外沿用碎石堆筑的一道平安擋墻。臺階高度：不小于挖掘機推壓軸高度的2/3〔以便滿斗〕。臺階高度應(yīng)小于挖掘機最大挖掘高度〔為了挖掘機的平安〕。臺階坡面角與礦巖穩(wěn)定性有關(guān)。巖石普氏系數(shù)f臺階坡面角〔度〕8-1470-753-860-701-350-60爆破帶：工作臺階上正在被爆破、采掘的局部。其寬度為爆破帶寬度〔或采區(qū)寬度〕。首采地段的選擇首采地段的選擇原那么在礦山規(guī)模和開采方案能滿足需要的根底上，首采地段應(yīng)該選擇在礦體厚度較大、礦石品位高、覆蓋層薄、基建剝離量小和開采技術(shù)條件好的部位，以減少基建工程量，縮短投產(chǎn)和達產(chǎn)時間，提高礦山初期經(jīng)濟效益。以福建寧化行洛坑鎢礦為例，說明首采地段方案的選擇原那么P56-57實例福建寧化行洛坑鎢礦侵蝕基準面為676m。基準面以上礦體被山谷自然分為南北兩局部。南山地形較陡，礦石量少，剝離量大，但礦石品位高。北山地形較緩，礦石量較多，剝離量小，但礦石品位較低。設(shè)計考慮了南山、北山和中部3個首采地段方案。中部山谷方案雖然見礦早，但前期風(fēng)化礦石較多，品位低，基建剝離量減少不顯著，故放棄該收首采方案。僅對南山、北山兩個方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較。南山方案：首先開采南山礦體，再向北山擴展。優(yōu)點是前期開采的礦石品位高，風(fēng)化礦石可分期均衡采出；缺點是基建剝離量大。北山方案：首先開采北山礦體，再向南山擴展。優(yōu)點是基建剝離量小，風(fēng)化礦石可分期采出；缺點是前期出礦品位低。兩方案均為陡幫開采，工作幫坡角21°~24°

首采地段方案比較項目南山方案北山方案基建生產(chǎn)第1~6年基建生產(chǎn)第1~6年基建剝離量萬m3267.085.0其中副產(chǎn)礦萬t21.020.0年剝離總量萬m3/a118.0~120.074.0~88.0采出礦石量萬t/a94~12892~124其中：送選場萬t82.582.5堆放萬t11.5~45.59.5~41.5采出礦石品位WO3%0.245~0.2770.195~0.228生產(chǎn)剝采比m3/m31.06~1.90.95~1.32同時工作的挖掘機臺數(shù)3322投資償還期a57雖然北山方案的基建剝離量和生產(chǎn)剝采比均比南山方案小，但由于采出礦石品位低，投資歸還期長，因此設(shè)計選擇南山方案作為首采地段。生產(chǎn)至第7年以后，由于南山剝離量下降，北山開始采礦。合理開采順序確實定新水平降深方式選擇新水平降深說明采剝工程在垂直方向自上而下的開展特征，主要確定以下問題〔1〕新水平降深始點及采場的相對位置〔2〕新水平降深方向〔3〕新水平降深角〔4〕新水平降深速度采場降深方向示意圖〔圖4-1〕一般露天礦幾種典型的降深方式如下：1〕沿采場下盤〔上盤〕境界降深圖4-2；2〕沿礦體下盤或上盤〔緊靠礦體或距礦體一定距離〕降深圖4-3；一般露天礦幾種典型的降深方式如下：3〕先沿礦體下盤〔上盤〕降深，下降一定深度后轉(zhuǎn)為沿采場下盤〔上盤〕境界降深圖4-4；4〕先沿礦體下盤〔上盤〕地形降深，下降一定深度后轉(zhuǎn)為沿采場下盤〔上盤〕境界降深圖4-5；一般露天礦幾種典型的降深方式如下：5〕先沿礦體下盤〔上盤〕地形降深，后轉(zhuǎn)為沿礦體下盤〔上盤〕，再轉(zhuǎn)為沿采場下盤〔上盤〕境界降深圖4-6；一般露天礦幾種典型的降深方式如下：6〕沿采場境界周邊螺旋降深圖4-7；7〕沿采場端部境界降深圖4-8。露天采場平面投影與剖面示意圖-12m0m12m24m36m48m48m-12m0m12m24m36m封閉圈48m36m24m0m12m露天礦采剝方法露天礦采剝方法：就是露天開采中的采準、剝離和采礦工程的開采程序以及它們之間的的時空關(guān)系。分類：根據(jù)開采程序的技術(shù)特征分為：全境界開采法、陡幫開采法、并段開采法、分期開采法、分區(qū)開采法、分區(qū)分期開采法；按工作臺階的開采方式分為：臺階全面開采法，主要指緩幫開采、臺階輪流開采法，主要指陡幫開采；按工作線的布置形式分為：縱向布置采剝方法、橫向布置采剝方法、扇形布置采剝方法、環(huán)形布置采剝方法。掘溝工程工作線布置

依據(jù)工作線的方向與礦體走向的關(guān)系，工作線的布置方式可分為：縱向橫向扇形1工作線布置—縱向1工作線布置—縱向縱向布置時，工作線的方向與礦體走向平行。這種方式一般是沿礦體走向掘出入溝、并按采場全長開段溝形成初始工作面，之后依據(jù)溝的位置(上盤最終邊幫、下盤最終邊幫或中間開溝〕，自上盤向下盤、自下盤向上盤或從中間向上、下盤推進。境界線采剝工作線礦體具體分析當(dāng)露天礦采用縱向采剝、固定坑線開拓時，開段溝可以布置在頂幫，工作線由頂幫向底幫推進，也可以布置在底幫，工作線由底幫向頂幫推進，但一般多采用底幫固定坑線開拓，以減少基建剝離量。當(dāng)露天礦采用縱向采剝、移動坑線開拓時，開段溝可以布置在礦體的上盤、下盤或礦體中間，工作線由中間向頂幫和頂幫推進?？v向采剝方法的優(yōu)缺點優(yōu)點：縱向開采時，工作線是平行推進的，沿工作線的采掘帶寬度根本不變，因而有利于發(fā)揮設(shè)備效率，同時工作的臺階數(shù)可以減少。開段溝可以布置在礦體的上盤，并垂直礦體走向推進，因而有利于減少礦石的損失、貧化和剔除走向夾石。缺點：在一定的礦山技術(shù)條件下，礦巖的內(nèi)部運距較大。開段溝布置在礦體的下盤、工作線由下盤向上盤推進時，礦巖分類比較困難，礦石損失和貧化較大，基建剝離量也較大。2工作線布置—橫向

橫向布置時工作線與礦體走向垂直。這種方式一般是沿礦體走向掘出入溝，垂直于礦體掘短段溝形成初始工作面，或不掘段溝直接在出入溝底端向四周擴展，逐步擴成垂直礦體的工作面，沿礦體走向向一端或兩端推進。由于橫向布置時，爆破方向與礦體的走向平行，故對于順礦層節(jié)理和層理較發(fā)育的巖體，會顯著降低大塊與根底，提高爆破質(zhì)量。由于汽車運輸?shù)撵`活性，工作線也可視具體條件與礦體斜交布置。

2工作線布置—橫向橫向采剝方法的優(yōu)缺點優(yōu)點：在一定的礦山技術(shù)經(jīng)濟條件下可以減少露天礦的基建工程量，減少采場內(nèi)部運距和掘溝工程量等。缺點：采礦作業(yè)臺階多，采掘設(shè)備上下調(diào)動頻繁，影響其生產(chǎn)能力，控制礦石損失、貧化難度大，生產(chǎn)組織和管理比較復(fù)雜，容易因方案不周造成采剝失調(diào)等。3工作線布置—扇形3工作線布置—扇形

扇形布置時，工作線與礦體走向不存在固定的相交關(guān)系，而是呈扇形向四周推進。這種布置方式靈活機動、充分利用了汽車運輸?shù)撵`活性，可使開采工作面盡快到達礦體。

一個臺階的水平推進，使其所在水平的采場不斷擴大，并為其下一個臺階的開采創(chuàng)造條件，新臺階工作面的拉開，使采場得以延深。臺階的水平推進和新水平的拉開，構(gòu)成了露天采場的擴展與延深。采場擴延過程與布線方式1采場擴延示意圖假設(shè)一露天礦最終境界內(nèi)的地表地形較為平坦，地表標高為200m，臺階高度為12m。首選在地表境界線的一端沿礦體走向掘溝到188m水平〔圖a〕。出入溝掘完后在溝底以扇形工作面推進〔圖b〕。當(dāng)188m水平被揭露出足夠面積時，向176m水平掘溝，掘溝位置仍在左側(cè)最終邊幫(圖c)。之后，形成了188-200米臺階和176-188米臺階同時推進的局面〔圖d〕。隨著開采的進行，新的工作臺階不斷投入生產(chǎn)，上部一些臺階推進到最終邊幫〔即已靠幫〕。假設(shè)干年后，采場現(xiàn)狀變?yōu)槿鐖De所示。當(dāng)整個礦山開采完畢時便形成了如圖f所示的最終境界。露天礦陡幫開采陡幫開采：在工作幫上局部臺階作業(yè)，局部臺階暫不作業(yè)，使工作幫坡角加陡，以推遲局部巖石剝離。工作幫臺階依次輪流開采整個工作幫由一臺挖掘機從上而下輪流進行開采只有一個臺階在工作，其余臺階均處于非工作狀態(tài)，故能最大限度地加陡工作幫坡角工作幫臺階分組輪流開采交工作幫上臺階分為假設(shè)干組每組2~5個臺階，由一臺挖掘機開采臺階分組輪流開采時，只要相鄰組的挖掘機之間保持一定的水平距離，就可以保證平安生產(chǎn)臺階〔挖掘機〕尾隨開采一臺挖掘機尾隨另一臺挖掘機向前推進向前尾隨的挖掘機構(gòu)成一組，組內(nèi)有假設(shè)干臺挖掘機作業(yè)可以布置第二組、第三組各工作幫任何一個垂直剖面上，組內(nèi)只有一個臺階在作業(yè)可以加陡工作幫邊坡角為保證平安，組與組之間必須用一條寬平臺隔開陡幫開采的評價優(yōu)點：基建剝巖量和基建投資少，基建時間短，投產(chǎn)早、達產(chǎn)快可緩剝大量巖石，降低開采前期生產(chǎn)剝采比，均衡ns推遲最終邊坡的暴露時間，減少邊坡維護工作量和費用缺點：采掘設(shè)備上下移動頻繁，影響其生產(chǎn)力運輸?shù)缆饭こ塘枯^大，線路修筑和維護工程量大，費用高采場輔助工程量大(如供風(fēng)、供水、供電線路移設(shè)次數(shù)多)管理工作要求嚴格〔上下臺階之間的配合要協(xié)調(diào)〕經(jīng)濟評價：陡幫開采只能改變礦巖量的時間分布，即采出時間，與非陡幫開采在表態(tài)上總費用是一樣的動態(tài)法考慮是有益的陡幫開采的應(yīng)用條件：適用于開采傾角大的礦體(傾斜或急傾斜礦體)，前期ns小，可獲得好的經(jīng)濟效益適用于覆蓋巖層的礦體，基建剝巖量和前期ns可大大減少適用于開采上小下大的礦體，陡幫開采可獲得好的經(jīng)濟效益適用于開采剝離洪峰期或到達以前的露天礦組合臺階的工作幫坡角

g4HWsWcWWsWs

組合單元內(nèi)的工作幫坡角一般定義為單元內(nèi)最上一個臺階的坡頂線與最下一個臺階的坡底線連成的斜面與水平面之間的夾角，計算公式為：

g

式中，n為組合單元中臺階的數(shù)目；Ws為平安平臺的寬度；W為工作平盤寬度。假設(shè)n=4，H=12m，Ws=10m，W=40m，α=70。，那么求得g=31.78。。3a各種幫坡〔一段邊幫〕1

236H456

WsWsWsWsWs右圖是在開采過程中形成的由6個臺階組成的一段幫坡，每一臺階均保持平安平臺寬度〔Ws〕。從最上一個臺階的坡頂線到最下一個臺階的坡底線的斜面與水平面的夾角〔θ〕稱為該段邊幫的總幫坡角，其計算式與計算幫坡角相同，只需將式中的W換成Ws即可。設(shè)Ws=10m，H=12m，α=70。。那么得=43.37。。3b各種幫坡〔具有道路〕1

23456A道路WRDC6HBWsWs

1

2

WsWsWs如果上圖中的第三臺階的中腰通過一寬度為WR的斜坡道，該段邊幫變?yōu)樽髨D。左圖的仍為總幫坡角。道路將整段邊幫分為AC和DB兩段，圖中1和2稱為路間幫坡角。假設(shè)WR=30m，其它數(shù)據(jù)不變，那么=34.13。，1=44.14。，2=42.84。。可見，在邊幫上參加運輸?shù)缆窌箍値推陆亲兙徳S多〔本例中變緩了約9?！?。假設(shè)該段幫坡是最終邊幫，幫坡角的變緩意味著多剝離大量的巖石。這一簡單的例子說明在設(shè)計最終境界時，最終幫坡角的選取應(yīng)考慮到運輸?shù)缆返牟贾们闆r。3c各種幫坡〔具有工作臺階〕WsA1

23456工作平盤WcDC6HBWsWs

1

2

WsWs假設(shè)圖a所示的邊幫上有一個臺階是工作臺階，邊幫將變?yōu)樽髨D所示。工作臺階對幫坡角的影響與道路相似。假設(shè)這6個臺階是組合開采中的一個組合單元，那么，該段邊幫的總幫坡角〔〕即為前面提到的組合單元工作幫坡角(g〕。工作平盤上下兩段的幫坡角(1和2〕有時也稱為路間幫坡角。假設(shè)其它的數(shù)據(jù)不變，工作平盤寬度W=40m，那么=34.13。，1=52.02。，2=45.32。。3d各種幫坡〔具有道路和工作臺階〕1

23456工作平盤道路Wc6HWsWs

1

2

3

WsWRWsWs更復(fù)雜的邊幫是既有工作臺階又有道路，

＝27.86。。3e各種幫坡〔組合臺階開采工作幫〕假設(shè)將圖a中的6個臺階沿垂直方向平分為兩個組合單元進行組合臺階開采，邊幫變?yōu)閳De。單個組合單元的工作幫坡角可用式〔15-15)計算。利用前面的數(shù)據(jù)，計算結(jié)果為：＝27.86。，g＝29.70。。

123456工作平盤工作平盤WcWsWs

g

WsWcWs

g6H3f各種幫坡〔組合臺階開采工作幫〕

6HWs

右圖是實行三臺階并段的最終邊幫。假設(shè)坡面角α＝70。，臺階高度H=12m，平安平臺寬度Ws=17m，那么該段邊幫的總幫坡角為=59。。假設(shè)一露天礦最終境界深為42個臺階高度〔即504m〕，采用這樣的平安平臺寬度和并段方式，不考慮運輸?shù)缆窌r，最終幫坡角可達51.25。。如果不實行并段，每一臺階都留7m寬的平安平臺，同一露天礦的最終幫坡角為46.97。。分期開采在前面所描述的開采過程中，工作幫沿水平方向一直推進到最終開采境界，這種開采方法稱為全境界開采方法。全境界開采的初期生產(chǎn)剝采比高，大型深凹露天礦尤為如此，基建時間長，初期投資多，故僅適用于埋藏較淺，初期剝采比低，開采規(guī)模較小的礦山。分期開采，就是將最終開采境界劃分成幾個小的中間境界〔稱為分期境界〕，臺階在每一分期內(nèi)只推進到相應(yīng)的分期境界。分期開采，逐漸過渡，直至推進到最后一個分期境界，即最終開采境界。分期開采的境界劃分方法分期開采的境界劃分方法：一般按照經(jīng)濟合理剝采比原那么，先確定最大境界或最終境界，然后在最大開采境界內(nèi)再劃分分期開采小境界。分期開采小境界劃分方法分兩種類型，當(dāng)?shù)V體厚度大，傾向延續(xù)深，儲量豐富，開采年限長，沿傾向劃分小境界；當(dāng)?shù)V體走向很長，儲量豐富，開采年限長，沿走向劃分小境界。一期開采境界二期開采境界最終開采境界圖4-18分期開采示意圖分期開采分期開采的特點：1〕初期剝采比大大降低，從而減小了初期投資，提高了開采的整體效益。2〕可以降低由最終境界的不確定性所帶來的投資風(fēng)險。最終開采境界的設(shè)計應(yīng)當(dāng)是一個動態(tài)過程。3〕實行嚴格的生產(chǎn)組織管理，既要保證礦山生產(chǎn)的連續(xù)性，又要防止無謂的提前過渡。4〕分期開采較全境界開采更符合露天礦建設(shè)與生產(chǎn)開展規(guī)律，在國內(nèi)外得到十分廣泛的應(yīng)用。分期開采適用條件：1.礦體走向長或延續(xù)深，儲量豐富，而采礦下降速度慢，開采年限超過經(jīng)濟合理效勞年限；2.礦床覆蓋巖層厚度不同，地表有獨立山峰，基建剝離量大；3.礦床地表有河流、重要建筑物和構(gòu)筑物以及村莊等；4.礦床厚度變化大，貧富礦分布在不同區(qū)段，或貧富礦石加工和選別指標不同；5.礦床上部某一區(qū)段已勘察清楚，一般先在已獲得的工業(yè)儲量范圍內(nèi)確定分期開采境界，隨著礦山開采和補充勘探擴大礦區(qū)范圍和深度，并增加礦產(chǎn)資源，引起境界擴大而形成自然分期開采。分區(qū)開采分區(qū)開采是指在以確定的合理開采境界內(nèi)，在相同開采深度條件下在平面上劃分假設(shè)干小的開采區(qū)域，根據(jù)每個區(qū)域的開采條件和生產(chǎn)需要，按一定順序分區(qū)開采，以改善露天開采的經(jīng)濟效果。露天轉(zhuǎn)地下采礦對于礦體延伸較深、覆蓋層不厚、礦體厚度為中厚或厚大的急傾斜礦床，采用露天開采后，具有投產(chǎn)快、初期建設(shè)投資少、貧損指標小等優(yōu)點，隨著露天坑的加深、運距的增大、作業(yè)場地的縮小，露天采礦的優(yōu)越性將不復(fù)存在，如果下部還有足夠多的礦石儲量，必然面臨著開采方式的轉(zhuǎn)變——露天轉(zhuǎn)地下。露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，整個礦山的開采期一般要經(jīng)過露天開采期、露天與地下聯(lián)合開采的過渡期和完全的地下開采期三個階段，在這三個階段中，礦山的開采強度和礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力是各不相同的，其中露天與地下聯(lián)合開采的過渡期對于露天轉(zhuǎn)地下的礦山十分重要。露天轉(zhuǎn)地下采礦露天轉(zhuǎn)地下開采的條件和特點：在以下條件下，可考慮采用露天轉(zhuǎn)地下開采方案：①剝采比大于經(jīng)濟合理剝采比；②初期勘探程度低，經(jīng)生產(chǎn)探礦或補充探礦后，深部又發(fā)現(xiàn)具有經(jīng)濟價值的礦體；③圍巖穩(wěn)固性差，邊坡維持困難，改用地下開采技術(shù)可行且經(jīng)濟合理。露天轉(zhuǎn)地下開采具有下述特點：①礦床的上部已用露天開采多年，并已形成了露天礦完整的生產(chǎn)效勞設(shè)施；②當(dāng)露天礦的深部向地下開采過渡時，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，同一個礦床必須在露天和地下同時進行開采作業(yè)。露天轉(zhuǎn)地下采礦露天與地下開采的相互影響(1)露天開采對地下開采的影響露天開采對地下開采的影響集中表現(xiàn)在要求地下第一階段礦塊的采礦方法及其結(jié)構(gòu)有利于平安生產(chǎn)。當(dāng)?shù)叵麻_采選用空場采礦法時，露天和地下開采可以在一個垂直面內(nèi)同時作業(yè)，但要求在露天坑底部到地下采場頂部之間保存一定厚度的隔離頂柱。同時，對地下采場的暴露面積、間柱強度、露天與地下爆破的規(guī)模等均須嚴格要求與控制。當(dāng)?shù)叵麻_采選用崩落采礦法時，要求采區(qū)上部有一個平安緩沖墊層。露天轉(zhuǎn)地下采礦露天與地下開采的相互影響(2)地下開采對露天開采的影響露天礦受地下開采