露天采矿学之露天矿生产能力与采掘进度计划

露天采矿学第9章露天矿生产能力与采掘进度计划9.1露天矿生产能力露天矿生产能力是露天矿设计中的一个重要参数。生产能力的大小直接影响到矿山设备的选型和数量，工业场地建设的规模，矿山的定员，投资的大小，生产成本的高低和矿山服务年限的长短等。露天矿生产能力包括两个指标：矿石生产能力和矿岩生产能力。露天矿所需的人员和设备等要按矿岩生产能力来计算。矿岩生产能力与矿石生产能力可以通过生产剥采比进行换算：露天矿的矿石生产能力应从市场或用户要求，技术上可行和经济上合理等方面予以综合考虑，最后编制采掘进度计划，使之落实。9.1.1按需求量确定生产能力按需求量确定生产能力是将成品矿（精矿）的市场需求量换算成原矿产量，即：换算Tj公式：成品矿需求量受许多因素的影响。要克服盲目生产，提高投资的经济效益，就必须对市场的需求量进行预测。需求量要根据国内和国际历年供求实际情况进行统计和分析，在此基础上预测未来的供求关系。同时，还应对技术上的新成就如新材料替代等及时进行预测。9.1.2按采矿技术条件确定生产能力露天矿的生产能力常常受到矿山具体的技术条件及技术水平的限制，因此，要从采矿技术条件方面研究矿山可能达到的生产能力。这可以从以下两个方面进行试算。1）按可能布置的挖掘机工作面数确定生产能力挖掘机是露天矿的主要生产设备，每个采区工作线布置一个挖掘机工作面。挖掘机选型后，露天矿的生产能力取决于可能布置的挖掘机工作面数，其中可能布置的采矿工作面数决定了矿石生产能力。首先确定一个采矿台阶可能布置的挖掘机台数NW·K计算式为：然后计算可能同时采矿的台阶数目。对于较厚的倾斜矿体可根据下图中的几何关系计算：露天矿可能的生产能力为：

2）按矿山工程延深速度确定生产能力

露天矿通常用工作线推进速度和矿山工程延深速度两个指标来表示开采强度。对于水平和近水平矿体，除了基建时间以外，一般不存在延深的问题，此时露天矿的生产能力主要取决于工作线水平推进速度。对于倾斜和急倾斜矿体，延深速度快意味着采矿量大，这时工作线水平推进速度与矿山工程延深速度之间要满足一定的关系。这一关系如下图所示，即：从上式可以看出，在φ、θ一定的情况下，欲加快延深速度，必须相应地加快水平推进速度，否则将影响延深，出现采剥失调。水平推进对山坡露天矿（θ＞900）的延深制约较小，对凹陷露天矿（θ＜900）的制约较大。延深速度有两两个概念，一一个是矿山工工程近深速度度，另一个是是采矿工程延延深速度。矿矿山工程延深深速度是根据据新水平的准准备时间及其其台阶高度，，折合每年下下降的进尺来来计算。采矿矿工程延深速速度是指开采采境界内每年年采出矿体的的垂直深度。。两者的几何何关系及数值值关系如上图图（a）所示示，即：露天矿按延深深速度可能达达到的生产能能力用下式计计算：从上两公式可可以看出，生生产能力与矿矿山工程延深深速度成正比比。因此，按按延深这度确确定可能的生生产能力可以以归结为论证证可能达到的的延深速度。。在台阶高度度不变时，矿矿山工程延深深速度取决于于新水平的准准备时间。新新水平准备一一般包括上一一水平为保证证新水平掘沟沟所需的扩帮帮工程及新水水平出入沟、、开段沟的掘掘沟工程。完完成这些工程程所需时间即即新水平准备备时间，它随随采用的设备备及工艺方式式、工程顺序序等条件的不不同而异。设计中，新水水平准备时间间及矿山工程程延深速度可可以参照类似似矿山的实际际资料选取，，也可以通过过编制新水平平准备的进度度计划来确定定。下面以汽汽车运输为例例说明新水平平准备时间的的确定。某矿设计采用用载重68t的汽车运运输，7.6m3挖掘机采装，，挖掘机效率率为120～130万万m3/台年。沿矿矿体上盘掘开开段沟，向顶顶、底帮推进进，移动坑线线推至底帮成成固定坑线，，出入沟纵坡坡为8％～10％，台阶阶高度12m，沟底宽度度30m，最最小工作平盘盘宽度50m。新水平准准备工程当开开段沟掘进400m后，，边掘开段沟沟，边向顶帮帮扩帮。当扩扩帮宽度达71m后，又又开始下一水水平的掘沟工工作。工程布布置情况见如如下几个图片片，各项工程程的进度见课课本表9-1。从表9-1可可以看出，新新水平准备工工程完成一个个循环所需时时间为7.6个月，台阶阶高度是12m，因此矿矿山工程延深深速度为19m/a。对于采用大型型采掘设备的的现代露天矿矿，技术上可可能达到的生生产能力主要要取决于矿山山工程延深速速度。因此，目前设设计中通常依依据计算的分分层矿量和选选定的矿山工工程延深速度度估算可能达达到的生产能能力。9.1.3按经济台理条条件确定生产产能力对于技术上可可能的生产能能力，尚需按按经济合理条条件进行优化化，以寻求经经济上最佳的的生产能力。。目前，国内内主要是按矿矿山服务年限限加以分析论论证。显然，露天矿矿合理的服务务年限应与主主要生产设备备的寿命以及及矿山工业构构筑物、建筑筑物和后续工工业设施的折折旧年限相适适应。若服务务年限过短，，除采装运输输设备及部分分机具可折旧旧处理外，其其他固定资产产将提前报废废，造成经济济损失。露天开采境界界内的矿石工工业储量圈定定后，原矿的的生产能力决决定了露天矿矿的服务年限限，两者的关关系是：露天矿合理服服务年限受诸诸多因素影响响，尤其与矿矿山生产规模模密切相关。。国内矿山规规模类型的划划分见课本表表9-2，一一般矿山服务务年限的确定定可参考课本本表9－3。。泰勒公式是反反应矿石工业业储量与矿山山经济寿命之之间合理关系系的经验公式式，确定露天天矿服务年限限时可以参考考。该公式可写写作：9.2露露天矿生产产剥采比露天矿为了了保持一定定的生产能能力，经济济、持续地地开采境界界内的矿石石，就要合合理地推进进矿山工程程。通常，，露天矿每每个水平分分层按先掘掘出人沟和和开段沟再再扩帮的程程序进行开开采。在开采时间间和空间上上，上部水水平的矿山山工程进展展先于和超超前下部水水平；在工工程形式和和内容上，，上一水平平扩帮为下下一水平掘掘沟提供条条件，上部部台阶一般般是剥离台台阶，而下下部台阶一一般是采矿矿台阶。因因此，上下下台阶的时时空超前关关系，反映映了剥离与与采矿的时时空超前关关系。露天矿除基建时时期大量剥离而而不采矿或附带带采出少量矿石石外，正常生产产时期都要一边边剥离一边采矿矿，剥离工作必必须超前采矿工工作，这是一条条不能违背的客客观规律。反映映采剥关系的数数量指标是生产产剥采比和储备备矿量。9.2.1生生产剥采比的变变化规律露天开采过程中中，工作帮的范范围和位置随着着矿山工程的进进展不断变化，，剥离岩石量和和采出矿石量也也相应变化从而而使生产剥采比比发生变化。1）露天矿工作作帮露天矿工作帮及及其帮坡角φ与生产剥采比的的变化有密切联联系。现代露天天矿，根据工作作帮坡角的大小小，可分为缓帮帮（φ＝80～150）和陡帮（φ＝160～350）两种开采方式式。缓帮开采的特点点是，组成工作作帮的工作台阶阶各自独立开采采（下图所示））。因此，每个台阶阶必须保待正常常或最小的工作作平盘宽度。缓缓帮开采的工作作帮坡角。可用用下式计算：通常h和a是定定值，因此φ随B变化。当B＝Bmin时，φ=φmax；当单台阶逐个个开采时φ=φφmin=0。。由此此可知知，B值的的改变变可以以调节节φ。随着露露天采采矿技技术的的发展展及大大型设设备的的使用用，出出现了了陡帮帮开采采工艺艺，这这种开开采工工艺一一般用用于剥剥离台台阶。。陡帮帮开采采可分分为组组合台台阶开开采和和倾斜斜条带带开采采两种种主要要形式式。组合台阶开采是把把采掘台阶分为若若干组，每组由3～6个台阶组成成，其中包括一个个作业台阶和若于于暂不作业台阶（（下图所示）。作作业台阶保留工作作平盘宽度，其他他台阶均保留安全全平台宽度。每组组台阶一般只配一一台挖掘机，自上上而下逐个台阶轮轮流作业，上一个个台阶推进预定宽宽度后，设备转到到下一台阶。当一一组中的所有台阶阶均推进到预定位位置后，即完成一一个开采循环，循循环周期一般为3～5a。如上图所示，工作作平台宽度Bp是扩帮宽度和安全全平台宽度之和，，该值不能小于最最小工作平盘宽度度。根据国内部分矿山山的设计资料，Bp=40~60m。。安全平台宽度b以能截留大部分分爆破滚碴为宜，，一般为10～20m。组合台阶阶工作帮坡角按下下式确定：倾斜条带开采（如如下图所示）是把把剥岩帮划分为若若干倾斜条带，由由里向外逐条带扩扩帮，各台阶从上上而下尾随式开采采。尾随的工作平平台长度根据运输输方式和工作面运运输线路的布置确确定，一般为150～250m。。各台阶除正在作作业的地段留有较较宽的工作平台外外，其余地段仅留留安全平台即可。。每个台阶设一台台挖掘机，双侧进进车时，可设置2台。当每个台阶阶全长都推进预定定宽度后，即完成成一个循环周期，，每个周期一般为为1～3a。陡帮开采的主要优优点是基建剥离量量小、投产早、达达产快、初期生产产剥采比小。此外外，由于推迟了最最终边帮岩体的暴暴露，有利于边帮帮的稳定与维护。。2）生产剥采比的的变化规律露天矿的采剥工程程按一定的工作帮帮坡角发展时，生生产剥采比通常是是变化的。下面以以一个示例来研究究其变化规律。矿体赋存情况和开开采境界如下图所所示。采场沿底帮帮掘沟，工作帮由由下盘向上盘推进进，矿山工程延深深方向与矿体倾向向一致。按固定的的工作帮坡角φ开采时，矿山工程程延深到各水平的的工作帮位置，如如图中一组平行的的斜线所示。每延延深一个水平所采采出的矿石量、岩岩土量及剥采比用用下图中的曲线表表示。从这些图示可以看看出，工作帮坡角角不变时，生产剥剥采比随着矿山工工程的延深而变化化。最初只剥离不不采矿，随后开始始出矿，这时生产产剥采比随着矿山山工程的延深而不不断增大，达到一一个最大值后逐渐渐减小。这个最大大值称为剥离洪峰峰或剥采比高峰。。高峰期一般发生生在凹陷露天矿工工作帮上端接近上上部最终境界线的的部位。生产剥采采比的这种变化是是开采倾斜和急倾倾斜矿体的普遍规规律。工作帮坡角的大小小对生产剥采比的的演变有较大的影影响。例如，在其其他条件相同的情情况下，工作帮分分别按φ＝150和φ＝300两种方式延深（如如下图第一幅），，相应的生产剥采采比变化曲线如下下图第二幅所示。。从图示可以看出，，工作帮坡角取不不同值时，生产剥剥采比的变化仍然然是由小到大，再再由大变小。但工工作帮坡角较陡时时剥离洪峰发生在在较大的开采深度度。工作帮坡角越越小，生产剥采比比与分层剥采比的的变化曲线越接近近，剥采比初期上上升较快，剥采比比高峰发生较早，，然后在一个很长长的时间剥采比逐逐渐下降。反之，，工作帮坡角越大大，生产剥采比与与境界剥采比的变变化曲线越接近，，即剥采比上升较较慢，时间较长，，剥采比高峰出现现较晚，高峰之后后剥采比急骤下降降。综上所述，工作帮帮坡角越大，初期期生产剥采比越小小。显然，这对于于减少投资、降低低初期生产成本、、早出矿、多出矿矿是有利的。9.2.2生生产剥采比的调整整与均衡1）问题及意义矿岩生产能力若固固定不变，由公式式（9-1）可知知，矿石产量的大大小取决于生产剥剥采比。由于生产产剥采比经常变化化，则矿石产量也也随之变动。矿石石产量的频繁变动动对原矿后续加工工生产是不利的，，故要求矿石产量量相对稳定。为了了保持矿石产量稳稳定而让矿岩生产产能力随生产剥采采比不断变化也不不合适，如到剥采采比高峰期就要大大量增加生产设备备和人员，高峰过过后又要裁减，这这种短期的波动显显然是不经济的。。因此，提出了调调整生产剥采比使使之均衡的问题，，即让生产剥采比比在一定时期内保保持稳定，从而使使露天矿的设备和和产量也相对稳定定。2）调整方法调整生产剥采比的的基本方法是调整整工作台阶间的相相互位置，即改变变工作平盘宽度。。如下图所示，若若将高峰期剥离量量的一部分（∆V1m3）提前，另一部分分（∆V2m3）推后，这样便削削减了剥采比峰值值。其减少的剥采采比（∆nm3/m3）为：改变工作作平盘宽宽度有一一定限度度。工作作平盘宽宽度减小小后不得得窄于最最小工作作平盘宽宽度，加加大后应应使工作作帮保持持足够的的工作台台阶数目目，以满满足配置置采掘设设备的需需要。调整生产产剥采比比，除了了采用改改变工作作平盘宽宽度的方方法之外外，还可可以运用用改变开开段沟长长度改变变矿山工工程延深深方向和和改变工工作线推推进方向向等方法法来实现现。3）均衡衡分期生产剥采采比的均均衡有全全期均衡衡和分期期均衡两两种方式式。前者者表示在在露天矿矿整个或或主要生生产时期期按一个个均衡生生产剥采采比进行行生产；；后者表表示按若若干不同同的均衡衡生产剥剥采比进进行生产产。均衡衡生产剥剥采比是是指经过过调整并并在某一一时期内内保持稳稳定的生生产剥采采比。以下两图图表示一一个存在在年限很很长的大大型露天天矿，分分别采用用不均衡衡（φ＝300）、分期期均衡和和全期均均衡三种种方式时时，生产产剥采比比变化曲曲线示意意图。图图中：HⅠ、HⅡ、HⅢ表示分期期均衡的分期开开采深度度；nⅠ、nⅡ、nⅢ表示各期期的均衡衡生产剥剥采比；；nc为深度HⅢ以上采用用全期均均衡的均均衡生产产剥采比比。一般情况下，对对于存在年限不不长的小型矿山山，全期均衡问问题不突出。对对于大、中型矿矿山，全期均衡衡要大量提前剥剥离，这意味着着要把几年甚至至十几年后的工工程提前投资，，这显然是不经经济的。因此，，大、中型矿山山宜采用分期均均衡。均衡生产剥采比比的分析和拟定定可在矿岩变化化曲线V=f（P）图或生产剥采采比变化曲线n=f（P）图上进行，也也可以采用经验验系数法或最大大水平分层矿岩岩量法进行粗略略估算。9.2.3储储备矿量露天矿储备矿量量亦称生产准备备矿量，是指开开拓和剥离为采采矿所准备的矿矿量。对于生产产矿山，保有一一定的储备矿量量，是维持正常常生产的可靠方方法。对于基建建矿山，其采剥剥工程的基建投投资是按投产或或达产时应保有有的储备矿量所所需的工程量拨拨付的，因此储储备矿量也是关关系到基建投资资的重要指标。。目前，国内金金属矿山、非金金属矿山和化工工原料矿山倾向向于将储备矿量量划分为开拓矿矿量和回采矿量量两级。1）开拓矿量指开拓工程已完完成，主要运输输枢纽已形成，，并具备了采准准工作条件的新新水平底部标高高以上的矿体矿矿量。2）回采矿量指位于采矿台阶阶最小工作平盘盘宽度以外，其其上部和侧面已已被揭露的矿体体矿量。回采矿矿量是开拓矿量量的一部分。两级储备矿量的的演化及图示见见下表。储备矿量过多，，意味着过早进进行开拓和剥离离工作，会积压压生产资金。因因此，应该有一一个能满足持续续生产的合理储储备矿量数值。。这一指标可用用露天矿按一定定的生产能力开开采的年数和月月数来表示，称称为储备矿量保保有期或保有时时间。储备矿量保有期期可以根据矿山山的矿体赋存状状况、开拓运输输方式、采装运运输设备作业空空间等因素核定定。一般情况下下，回采矿量保保有期为3～6个月，开拓矿量量保有期为1～2年。新建矿山投产时时，开拓矿量和和回采矿量保有有期分别按设计计规模和投产年年年产量计算。。9.3露天矿采掘进度度计划的编制露天矿采掘进度度计划是用图表表形式表示设计计或生产矿山采采掘工程发展的的时间进度、空空间位置和数量量指标及其相互互关系的综合性性文件。通过编编制采掘进度计计划，对初步拟拟定的矿山生产产能力、均衡生生产剥采比和储储备矿量保有期期予以验证及修修正，并安排落落实。因此，采采掘进度计划要要在全面系统地地研究露天矿剥剥采关系、生产产能力协调和各各生产工艺配合合的基础上编制制。采掘进度计划分分长远计划和生生产作业计划。。1）长远计划设计中以年为单单位编制的采掘掘进度计划称为为长远计划。它它的主要任务是是确定露天矿基基建工程量、基基建时间、投产产和达产时间、、均衡生产剥采采比、矿石与矿矿岩生产能力、、逐年工作线推推进位置，以及及计算各个时期期所需的设备、、人员和材料等等。2）生产作业计划划年、季、月的采采掘计划称生产产作业计划。年年采掘计划以长长远计划和用户户要求的产品数数量及质量指标标为依据，安排排年末、季末或或月末的工作线线推进位置，并并计算穿爆、采采装、运输、排排土、机修等主主要生产工艺和和辅助车间的生生产能力。长远计划与年采采掘计划的编制制方法基本相同同，下面仅介绍绍如何编制长远远计划。9.3.1编制采掘进度计计划所需的基础础资料编制采掘进度计划划时必须具备下列列资料和数据：1：2000或1：5000的地形地质图；1：1000或1：2000的分层平面图，图图上绘有矿床地质质界线、开采境界界、出入沟和开段段沟的位置等；分层矿岩量计算表表；露天矿开拓运输系系统图，扩建或改改建矿山的开采现现状图；露天矿的台阶高度度、采掘带宽度、、采区长度、最小小工作平盘宽度、、工作线推进方向向、矿山工程延深深方式等有关开采采参数；矿石回收率和废石石混入率；穿孔、采装、运输输设备的型号、数数量和生产能力；；露天矿开始基建的的时间，要求的投投产日期，以及规规定的投产标准。。9.3.2露天矿生产时期划划分和基建工程量量露天矿的存在年限限，从开始建设到到开采结束，可划划分为基建、投产产、达产和结束四四个时期。1)投产与达产露天矿投人生产必必须具备下列条件件：正常生产所需要的的外部运输、供电电和供水等工程设设施均应建成完整整的系统；破碎站、选矿厂和和压气、机修等辅辅助设施均应全部部或分期建成并达达到相应规模；矿山内部已建成完完整的矿石和废石石运输系统；基建剥离工程应保保证矿山具有持续续增长的生产能力力，并保有相应的的储备矿量；矿石产量和质量达达到规定的指标，，并在经济上要有有所积累。露天矿投产时矿石石产量指标和达产产期限见课本表9－5。2）达产与设计计算算年矿山达到设计生产产能力后应保持较较长的稳定时间，，一般应超过服务务年限的2/3。设计计算年是指露露天采剥总量达到到最大规模的初始始年度。从这一年年开始，将按设计计矿石生产能力和和最大均衡生产剥剥采比持续生产一一段较长时间。在在设计中将计算年年的采剥总量作为为计算矿山设备、、动力、材料消耗耗、人员编制、建建设规模及辅助设设施的依据。3）基建工程量矿山基建工程项目目一般包括采矿、、选矿或矿物加工工、运输、尾矿处处理、机修、供电电、供水、通讯、、民用福利设施等等。采矿基建工程项目目包括以下内容：：露天矿达到设计规规模以前所需完成成的开拓及排水工工程，主要有运输输线路，开拓系统统的沟道及井巷工工程，和排水疏干干的井巷工程及排排水沟。露天矿投产以前前掘进的开段沟沟、采矿和剥离离工程。露天矿在基建时时期使用基建投投资完成的工程程量叫做基建工工程量。9.3.3采掘进度计划的的编制方法与步步骤编制采掘进度计计划一般在平面面图上进行，并并以挖掘机年生生产能力为计算算单元。现以凹凹山铁矿为例说说明具体编制方方法。1）在分层平面面图上逐年逐水水平确定年末工工作线位置根据挖掘机的年年生产能力，从从露天矿上部水水平分层平面图图开始，逐水平平用求积仪在图图纸上求出挖掘掘机的年采掘面面积，绘出各水水平年末线起止止位置，并标出出每一水平各年年