露天采矿学第四章

露天采矿学第四讲主讲人：阚冬梅露天开采绪论露天开采概念、方法及程序露天开采境界露天采剥方法及程序矿床开拓穿孔爆破矿岩采装露天矿运输排岩工艺露天矿防排水露天矿生产剥采比及其均衡露天矿生产能力与采掘进度方案现代信息技术在露天矿山的应用例如复习旧课露天采矿的设计程序：初步确定露天开采境界；初步确定矿山生产能力；初步确定矿山总图布置及外部运输；初步确定开拓运输方式及装运设备类型；具体进行开拓运输布线；修改、调整并确定露天开采境界；编制采掘进度方案，验证生产能力；确定采剥设备数量及工艺参数；具体进行总图布置及外部运输。露天开采境界确实定应包括：确定合理的露天矿底平面周界和露天矿最终边坡角、开采深度。第四章露天采剥方法与程序概述合理开采顺序确定露天矿采剥方法露天转地下采矿坚硬矿岩一般用穿孔爆破方法进行松碎，然后用采装设备进行铲装，将矿岩分别装车。松软矿岩一般不需凿岩爆破，而用采装设备直接铲装，或用推土机配合铲运机对矿岩进行集堆和铲运，也有使用索斗铲和轮斗铲进行采装的。概述露天矿开采方式：主要指采用怎样的设备、方法进行采装作业。露天矿开采程序：即采剥工程在时间和空间上开展变化的方式。开采程序要素主要包括：开采台阶的结构、采剥工程首采地段、新水平的降深方式、工作线布置形式和扩展方式、工作帮构成特征等。合理开采顺序确实定开采台阶的结构采剥工程的首采地段新水平的降深方式台阶立体图台阶坡面角，是岩体稳定性的函数；台阶高度，受生产规模、采装设备、开采的选别性影响；台阶宽度，W=Wc(爆破带宽度)+Ws(平安平台宽度)。最小工作平盘宽度：刚刚满足采运作业需要的空间的宽度。台阶的采掘方向：挖掘机沿采掘带前进的方向。台阶的推进方向：台阶向外扩展的方向。平安平台：在开采过程中，工作平台不能一直推进到上个台阶的坡底线位置，而是应留下一定宽度。留下的这局部叫平安平台。平安平台宽度一般为2/3-1个台阶高度。平安挡墙：在工作平盘的外沿用碎石堆筑的一道平安挡墙。台阶高度：不小于挖掘机推压轴高度的2/3〔以便满斗〕。台阶高度应小于挖掘机最大挖掘高度〔为了挖掘机的平安〕。台阶坡面角与矿岩稳定性有关。岩石普氏系数f台阶坡面角〔度〕8-1470-753-860-701-350-60爆破带：工作台阶上正在被爆破、采掘的局部。其宽度为爆破带宽度〔或采区宽度〕。首采地段的选择首采地段的选择原那么在矿山规模和开采方案能满足需要的根底上，首采地段应该选择在矿体厚度较大、矿石品位高、覆盖层薄、基建剥离量小和开采技术条件好的部位，以减少基建工程量，缩短投产和达产时间，提高矿山初期经济效益。以福建宁化行洛坑钨矿为例，说明首采地段方案的选择原那么P56-57实例福建宁化行洛坑钨矿侵蚀基准面为676m。基准面以上矿体被山谷自然分为南北两局部。南山地形较陡，矿石量少，剥离量大，但矿石品位高。北山地形较缓，矿石量较多，剥离量小，但矿石品位较低。设计考虑了南山、北山和中部3个首采地段方案。中部山谷方案虽然见矿早，但前期风化矿石较多，品位低，基建剥离量减少不显著，故放弃该收首采方案。仅对南山、北山两个方案进行技术经济比较。南山方案：首先开采南山矿体，再向北山扩展。优点是前期开采的矿石品位高，风化矿石可分期均衡采出；缺点是基建剥离量大。北山方案：首先开采北山矿体，再向南山扩展。优点是基建剥离量小，风化矿石可分期采出；缺点是前期出矿品位低。两方案均为陡帮开采，工作帮坡角21°~24°

首采地段方案比较项目南山方案北山方案基建生产第1~6年基建生产第1~6年基建剥离量万m3267.085.0其中副产矿万t21.020.0年剥离总量万m3/a118.0~120.074.0~88.0采出矿石量万t/a94~12892~124其中：送选场万t82.582.5堆放万t11.5~45.59.5~41.5采出矿石品位WO3%0.245~0.2770.195~0.228生产剥采比m3/m31.06~1.90.95~1.32同时工作的挖掘机台数3322投资偿还期a57虽然北山方案的基建剥离量和生产剥采比均比南山方案小，但由于采出矿石品位低，投资归还期长，因此设计选择南山方案作为首采地段。生产至第7年以后，由于南山剥离量下降，北山开始采矿。合理开采顺序确实定新水平降深方式选择新水平降深说明采剥工程在垂直方向自上而下的开展特征，主要确定以下问题〔1〕新水平降深始点及采场的相对位置〔2〕新水平降深方向〔3〕新水平降深角〔4〕新水平降深速度采场降深方向示意图〔图4-1〕一般露天矿几种典型的降深方式如下：1〕沿采场下盘〔上盘〕境界降深图4-2；2〕沿矿体下盘或上盘〔紧靠矿体或距矿体一定距离〕降深图4-3；一般露天矿几种典型的降深方式如下：3〕先沿矿体下盘〔上盘〕降深，下降一定深度后转为沿采场下盘〔上盘〕境界降深图4-4；4〕先沿矿体下盘〔上盘〕地形降深，下降一定深度后转为沿采场下盘〔上盘〕境界降深图4-5；一般露天矿几种典型的降深方式如下：5〕先沿矿体下盘〔上盘〕地形降深，后转为沿矿体下盘〔上盘〕，再转为沿采场下盘〔上盘〕境界降深图4-6；一般露天矿几种典型的降深方式如下：6〕沿采场境界周边螺旋降深图4-7；7〕沿采场端部境界降深图4-8。露天采场平面投影与剖面示意图-12m0m12m24m36m48m48m-12m0m12m24m36m封闭圈48m36m24m0m12m露天矿采剥方法露天矿采剥方法：就是露天开采中的采准、剥离和采矿工程的开采程序以及它们之间的的时空关系。分类：根据开采程序的技术特征分为：全境界开采法、陡帮开采法、并段开采法、分期开采法、分区开采法、分区分期开采法；按工作台阶的开采方式分为：台阶全面开采法，主要指缓帮开采、台阶轮流开采法，主要指陡帮开采；按工作线的布置形式分为：纵向布置采剥方法、横向布置采剥方法、扇形布置采剥方法、环形布置采剥方法。掘沟工程工作线布置

依据工作线的方向与矿体走向的关系，工作线的布置方式可分为：纵向横向扇形1工作线布置—纵向1工作线布置—纵向纵向布置时，工作线的方向与矿体走向平行。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟、并按采场全长开段沟形成初始工作面，之后依据沟的位置(上盘最终边帮、下盘最终边帮或中间开沟〕，自上盘向下盘、自下盘向上盘或从中间向上、下盘推进。境界线采剥工作线矿体具体分析当露天矿采用纵向采剥、固定坑线开拓时，开段沟可以布置在顶帮，工作线由顶帮向底帮推进，也可以布置在底帮，工作线由底帮向顶帮推进，但一般多采用底帮固定坑线开拓，以减少基建剥离量。当露天矿采用纵向采剥、移动坑线开拓时，开段沟可以布置在矿体的上盘、下盘或矿体中间，工作线由中间向顶帮和顶帮推进。纵向采剥方法的优缺点优点：纵向开采时，工作线是平行推进的，沿工作线的采掘带宽度根本不变，因而有利于发挥设备效率，同时工作的台阶数可以减少。开段沟可以布置在矿体的上盘，并垂直矿体走向推进，因而有利于减少矿石的损失、贫化和剔除走向夹石。缺点：在一定的矿山技术条件下，矿岩的内部运距较大。开段沟布置在矿体的下盘、工作线由下盘向上盘推进时，矿岩分类比较困难，矿石损失和贫化较大，基建剥离量也较大。2工作线布置—横向

横向布置时工作线与矿体走向垂直。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟，垂直于矿体掘短段沟形成初始工作面，或不掘段沟直接在出入沟底端向四周扩展，逐步扩成垂直矿体的工作面，沿矿体走向向一端或两端推进。由于横向布置时，爆破方向与矿体的走向平行，故对于顺矿层节理和层理较发育的岩体，会显著降低大块与根底，提高爆破质量。由于汽车运输的灵活性，工作线也可视具体条件与矿体斜交布置。

2工作线布置—横向横向采剥方法的优缺点优点：在一定的矿山技术经济条件下可以减少露天矿的基建工程量，减少采场内部运距和掘沟工程量等。缺点：采矿作业台阶多，采掘设备上下调动频繁，影响其生产能力，控制矿石损失、贫化难度大，生产组织和管理比较复杂，容易因方案不周造成采剥失调等。3工作线布置—扇形3工作线布置—扇形

扇形布置时，工作线与矿体走向不存在固定的相交关系，而是呈扇形向四周推进。这种布置方式灵活机动、充分利用了汽车运输的灵活性，可使开采工作面尽快到达矿体。

一个台阶的水平推进，使其所在水平的采场不断扩大，并为其下一个台阶的开采创造条件，新台阶工作面的拉开，使采场得以延深。台阶的水平推进和新水平的拉开，构成了露天采场的扩展与延深。采场扩延过程与布线方式1采场扩延示意图假设一露天矿最终境界内的地表地形较为平坦，地表标高为200m，台阶高度为12m。首选在地表境界线的一端沿矿体走向掘沟到188m水平〔图a〕。出入沟掘完后在沟底以扇形工作面推进〔图b〕。当188m水平被揭露出足够面积时，向176m水平掘沟，掘沟位置仍在左侧最终边帮(图c)。之后，形成了188-200米台阶和176-188米台阶同时推进的局面〔图d〕。随着开采的进行，新的工作台阶不断投入生产，上部一些台阶推进到最终边帮〔即已靠帮〕。假设干年后，采场现状变为如图e所示。当整个矿山开采完毕时便形成了如图f所示的最终境界。露天矿陡帮开采陡帮开采：在工作帮上局部台阶作业，局部台阶暂不作业，使工作帮坡角加陡，以推迟局部岩石剥离。工作帮台阶依次轮流开采整个工作帮由一台挖掘机从上而下轮流进行开采只有一个台阶在工作，其余台阶均处于非工作状态，故能最大限度地加陡工作帮坡角工作帮台阶分组轮流开采交工作帮上台阶分为假设干组每组2~5个台阶，由一台挖掘机开采台阶分组轮流开采时，只要相邻组的挖掘机之间保持一定的水平距离，就可以保证平安生产台阶〔挖掘机〕尾随开采一台挖掘机尾随另一台挖掘机向前推进向前尾随的挖掘机构成一组，组内有假设干台挖掘机作业可以布置第二组、第三组各工作帮任何一个垂直剖面上，组内只有一个台阶在作业可以加陡工作帮边坡角为保证平安，组与组之间必须用一条宽平台隔开陡帮开采的评价优点：基建剥岩量和基建投资少，基建时间短，投产早、达产快可缓剥大量岩石，降低开采前期生产剥采比，均衡ns推迟最终边坡的暴露时间，减少边坡维护工作量和费用缺点：采掘设备上下移动频繁，影响其生产力运输道路工程量较大，线路修筑和维护工程量大，费用高采场辅助工程量大(如供风、供水、供电线路移设次数多)管理工作要求严格〔上下台阶之间的配合要协调〕经济评价：陡帮开采只能改变矿岩量的时间分布，即采出时间，与非陡帮开采在表态上总费用是一样的动态法考虑是有益的陡帮开采的应用条件：适用于开采倾角大的矿体(倾斜或急倾斜矿体)，前期ns小，可获得好的经济效益适用于覆盖岩层的矿体，基建剥岩量和前期ns可大大减少适用于开采上小下大的矿体，陡帮开采可获得好的经济效益适用于开采剥离洪峰期或到达以前的露天矿组合台阶的工作帮坡角

g4HWsWcWWsWs

组合单元内的工作帮坡角一般定义为单元内最上一个台阶的坡顶线与最下一个台阶的坡底线连成的斜面与水平面之间的夹角，计算公式为：

g

式中，n为组合单元中台阶的数目；Ws为平安平台的宽度；W为工作平盘宽度。假设n=4，H=12m，Ws=10m，W=40m，α=70。，那么求得g=31.78。。3a各种帮坡〔一段边帮〕1

236H456

WsWsWsWsWs右图是在开采过程中形成的由6个台阶组成的一段帮坡，每一台阶均保持平安平台宽度〔Ws〕。从最上一个台阶的坡顶线到最下一个台阶的坡底线的斜面与水平面的夹角〔θ〕称为该段边帮的总帮坡角，其计算式与计算帮坡角相同，只需将式中的W换成Ws即可。设Ws=10m，H=12m，α=70。。那么得=43.37。。3b各种帮坡〔具有道路〕1

23456A道路WRDC6HBWsWs

1

2

WsWsWs如果上图中的第三台阶的中腰通过一宽度为WR的斜坡道，该段边帮变为左图。左图的仍为总帮坡角。道路将整段边帮分为AC和DB两段，图中1和2称为路间帮坡角。假设WR=30m，其它数据不变，那么=34.13。，1=44.14。，2=42.84。。可见，在边帮上参加运输道路会使总帮坡角变缓许多〔本例中变缓了约9。〕。假设该段帮坡是最终边帮，帮坡角的变缓意味着多剥离大量的岩石。这一简单的例子说明在设计最终境界时，最终帮坡角的选取应考虑到运输道路的布置情况。3c各种帮坡〔具有工作台阶〕WsA1

23456工作平盘WcDC6HBWsWs

1

2

WsWs假设图a所示的边帮上有一个台阶是工作台阶，边帮将变为左图所示。工作台阶对帮坡角的影响与道路相似。假设这6个台阶是组合开采中的一个组合单元，那么，该段边帮的总帮坡角〔〕即为前面提到的组合单元工作帮坡角(g〕。工作平盘上下两段的帮坡角(1和2〕有时也称为路间帮坡角。假设其它的数据不变，工作平盘宽度W=40m，那么=34.13。，1=52.02。，2=45.32。。3d各种帮坡〔具有道路和工作台阶〕1

23456工作平盘道路Wc6HWsWs

1

2

3

WsWRWsWs更复杂的边帮是既有工作台阶又有道路，

＝27.86。。3e各种帮坡〔组合台阶开采工作帮〕假设将图a中的6个台阶沿垂直方向平分为两个组合单元进行组合台阶开采，边帮变为图e。单个组合单元的工作帮坡角可用式〔15-15)计算。利用前面的数据，计算结果为：＝27.86。，g＝29.70。。

123456工作平盘工作平盘WcWsWs

g

WsWcWs

g6H3f各种帮坡〔组合台阶开采工作帮〕

6HWs

右图是实行三台阶并段的最终边帮。假设坡面角α＝70。，台阶高度H=12m，平安平台宽度Ws=17m，那么该段边帮的总帮坡角为=59。。假设一露天矿最终境界深为42个台阶高度〔即504m〕，采用这样的平安平台宽度和并段方式，不考虑运输道路时，最终帮坡角可达51.25。。如果不实行并段，每一台阶都留7m宽的平安平台，同一露天矿的最终帮坡角为46.97。。分期开采在前面所描述的开采过程中，工作帮沿水平方向一直推进到最终开采境界，这种开采方法称为全境界开采方法。全境界开采的初期生产剥采比高，大型深凹露天矿尤为如此，基建时间长，初期投资多，故仅适用于埋藏较浅，初期剥采比低，开采规模较小的矿山。分期开采，就是将最终开采境界划分成几个小的中间境界〔称为分期境界〕，台阶在每一分期内只推进到相应的分期境界。分期开采，逐渐过渡，直至推进到最后一个分期境界，即最终开采境界。分期开采的境界划分方法分期开采的境界划分方法：一般按照经济合理剥采比原那么，先确定最大境界或最终境界，然后在最大开采境界内再划分分期开采小境界。分期开采小境界划分方法分两种类型，当矿体厚度大，倾向延续深，储量丰富，开采年限长，沿倾向划分小境界；当矿体走向很长，储量丰富，开采年限长，沿走向划分小境界。一期开采境界二期开采境界最终开采境界图4-18分期开采示意图分期开采分期开采的特点：1〕初期剥采比大大降低，从而减小了初期投资，提高了开采的整体效益。2〕可以降低由最终境界的不确定性所带来的投资风险。最终开采境界的设计应当是一个动态过程。3〕实行严格的生产组织管理，既要保证矿山生产的连续性，又要防止无谓的提前过渡。4〕分期开采较全境界开采更符合露天矿建设与生产开展规律，在国内外得到十分广泛的应用。分期开采适用条件：1.矿体走向长或延续深，储量丰富，而采矿下降速度慢，开采年限超过经济合理效劳年限；2.矿床覆盖岩层厚度不同，地表有独立山峰，基建剥离量大；3.矿床地表有河流、重要建筑物和构筑物以及村庄等；4.矿床厚度变化大，贫富矿分布在不同区段，或贫富矿石加工和选别指标不同；5.矿床上部某一区段已勘察清楚，一般先在已获得的工业储量范围内确定分期开采境界，随着矿山开采和补充勘探扩大矿区范围和深度，并增加矿产资源，引起境界扩大而形成自然分期开采。分区开采分区开采是指在以确定的合理开采境界内，在相同开采深度条件下在平面上划分假设干小的开采区域，根据每个区域的开采条件和生产需要，按一定顺序分区开采，以改善露天开采的经济效果。露天转地下采矿对于矿体延伸较深、覆盖层不厚、矿体厚度为中厚或厚大的急倾斜矿床，采用露天开采后，具有投产快、初期建设投资少、贫损指标小等优点，随着露天坑的加深、运距的增大、作业场地的缩小，露天采矿的优越性将不复存在，如果下部还有足够多的矿石储量，必然面临着开采方式的转变——露天转地下。露天转地下开采的矿山，整个矿山的开采期一般要经过露天开采期、露天与地下联合开采的过渡期和完全的地下开采期三个阶段，在这三个阶段中，矿山的开采强度和矿山企业的生产能力是各不相同的，其中露天与地下联合开采的过渡期对于露天转地下的矿山十分重要。露天转地下采矿露天转地下开采的条件和特点：在以下条件下，可考虑采用露天转地下开采方案：①剥采比大于经济合理剥采比；②初期勘探程度低，经生产探矿或补充探矿后，深部又发现具有经济价值的矿体；③围岩稳固性差，边坡维持困难，改用地下开采技术可行且经济合理。露天转地下开采具有下述特点：①矿床的上部已用露天开采多年，并已形成了露天矿完整的生产效劳设施；②当露天矿的深部向地下开采过渡时，在相当长的一段时间内，同一个矿床必须在露天和地下同时进行开采作业。露天转地下采矿露天与地下开采的相互影响(1)露天开采对地下开采的影响露天开采对地下开采的影响集中表现在要求地下第一阶段矿块的采矿方法及其结构有利于平安生产。当地下开采选用空场采矿法时，露天和地下开采可以在一个垂直面内同时作业，但要求在露天坑底部到地下采场顶部之间保存一定厚度的隔离顶柱。同时，对地下采场的暴露面积、间柱强度、露天与地下爆破的规模等均须严格要求与控制。当地下开采选用崩落采矿法时，要求采区上部有一个平安缓冲垫层。露天转地下采矿露天与地下开采的相互影响(2)地下开采对露天开采的影响露天矿受地下开采