矿物资源开发工程地采教案

《矿物资源开发工程》教案绪论学习这门课程的要求和目的：全面掌握有关矿床地下开采（undergroundmining）的基本知识，能够正确选择开拓(minedevelopment)和采矿方法，具有从事矿山设计和矿山生产技术工作的初步能力，并打下进行采矿科学研究工作的基础。这门课程的研究对象和范围：学习这门课程的意义：举两个情况说明学习这门课程在方法上应注意的问题：这门课程的内容与数理化等基本课程的联系较少，逻辑推理较少，介绍性叙述性内容较多，所讲的各种方法、工艺、系统、设备等已经基本成熟定型，现在讲就是将这些成熟的东西讲一遍，因此学习这门课程时比较侧重于记，当然要在理解的基础上记。因为这门课需要讲很多图，无论是采矿方法，还是开拓方法，常就是讲几副图（三视图、立体图、剖面图等），因此希望大家注意训练自己的空间想象力和视图能力。记笔记。第一章矿床地下开采的基本概念矿石、矿体、矿床、围岩、夹石、废石矿石：对于地壳中的矿物集合体，再现代技术经济条件下，能以工业规模从中提取有用矿物产品的称为矿石。矿体：矿石的聚合体称为矿体。矿床：一个和一群矿体的赋存空间称矿床。围岩：矿体周围与矿体接触且含有少量矿物的那部分岩石岩石。夹石：矿体里面不含或少含有用矿物的那部分岩石。废石：矿石开采中采下的围岩和夹石统称为废石。矿体与围岩的概念是相对的，随着技术经济的发展而变化的：1由于选矿技术的进步，低品位围岩中的有用矿物也能也能以工业规模提取，因而这部分围岩可划为矿体。2由于发现了某种矿物的新用途，而将含有这种矿物的岩石划为矿石。3由于社会的发展，经济条件的改善。矿石与废石的概念也是相对的，随着技术经济的发展而变化的。总的来说，矿体、矿石的范围是不断扩大的。矿岩的性质：硬度(hardness)：矿岩抵抗外来工具侵入的能力。坚固性：矿岩在外力作用下发生破坏的难易程度。在实践中常用普氏系数（f）来表示矿岩的坚固性。f越大，则矿岩越坚固。f=（R——矿岩的单轴抗压强度）。稳固性：矿岩当中因开采而出现暴露面，矿岩保持暴露面不坍塌时的暴露面积大小和暴露时间长短的性能。在生产实践中，按照矿岩暴露面积的大小，可将矿岩粗略分为：极不稳固的矿岩：不允许有暴露面积；不稳固的矿岩：允许暴露面积<50m2；中等稳固的矿岩：50m2允许暴露面积200m2；稳固的矿岩：200m2允许暴露面积<800m2;极稳固的矿岩：允许暴露面积>800m2;影响矿岩稳定性的因素很多：矿岩本身的坚固性及结构和构造，风化程度，暴露面的形状，原始应力场和次生应力场的状态等。粘结性：指矿岩受湿受压一段时间后结成大块的性能。有些矿石几乎没有粘结性。有些矿石如粘土矿、瓷土矿、石膏矿、滑石具有粘结性，因此，开采这些矿石时，对采矿方法的选择、装矿、放矿工艺的制定有很大影响。氧化性：主要是指含硫矿石（硫铁矿）采下储存时间过久，与空气中的氧和水分发生氧化反应的性能。矿石发生氧化后会给选矿造成困难，因此开采这类矿石时要在采矿方法上想些办法，使矿石在采场不滞留太久。自燃性：含硫含碳高的矿石在一定条件下发生自燃的性质。含水性：指矿岩吸入和保持水分的性质，通常用含水率来描述。含水率=很多非金属矿石的含水性都很明显，如瓷土、澎润土、滑石、石膏等。矿岩的含水性强，对采矿有以下影响：⑴使矿岩稳定性降低，山体易滑坡；⑵矿岩易结块，放矿装矿困难；⑶所在矿岩巷道易变形，使铁轨和支护破坏。松散性：矿岩破碎后的体积与原体积相比发生变化的性质。通常用松散系数来定量描述。K=（通常1.2<K<1.6）矿岩的松散性与硬度有关，坚硬的矿岩K大，较软的矿岩K小。>容重（体重）：单位体积矿岩的重量>矿体的产状：指矿体在空间产出的状态。通常用走向、倾向、倾角这三个概念来描述。走向：矿体层面与水平面交线的方向。倾向：矿体层面上与走向线垂直的直线在水平面上的投影的方向。倾向和走向相差90。倾角：矿体与水平面的夹角称为倾角。矿体的埋藏要素：指矿体的厚度、走向长度、埋藏深度，赋存深度。见下图：埋藏深度真厚度水平厚度埋藏深度真厚度水平厚度倾斜长度倾角走向长度垂直厚度赋存深度矿体的分类：由于矿体形状、厚度和倾角对于矿床的开拓方法和采矿方法的选择有很大影响，因此我们也从这三个角度对矿体分类做介绍。按矿体形状分按矿体倾角分按矿体厚度分矿石的品位：指矿石中有用矿物的含量。通常用重量的百分比或体积百分比或重量体积比来表示。铜、铁0.2~1%，20~50%金刚石、云母等克拉公斤/立方米矿田和井田：划归一个矿山企业开采的矿床称为矿田。划归一个矿井开采的矿床称为井田。 当矿体范围很大或范围内有多个矿体或地表地形条件的特殊性，应将矿田划分为若干井田开采。井田范围过大，会造成地下通风困难，运输不便，管理复杂；井田范围过小，则会使井筒的服务年限不足，矿石开采成本增加，因此，一个矿田内矿井(portal)的数量范围应根据具体情况按照技术上可行经济上合理的原则确定。在一般情况下，矿体走向长度在1000~1500米之间，倾斜长度在500~600米之间这样一个范围内，用一个井田开采较合适。由于非金属矿床范围都不大，常用一个井田开采，矿田的范围和边界就是井田的范围和边界。阶段(subshaft)与盘区：为了有计划的开采矿体，需要将井田划分为阶段和盘区。在开采缓倾斜，倾斜、急倾斜矿体时，常将井田划分为阶段。阶段是沿矿体倾斜方向，间隔一定距离，用一条沿走向的巷道从上到下将井田划分为若干条带，条带的两端以井田的边界为界，条带的上下以阶段运输巷道为界。阶段运输巷道底板之间的垂直距离称为阶段高度。阶段通常有独立的运输通风系统，上个阶段的运输巷道常被利用做下一阶段的通风巷道。阶段高度的确定主要从技术和经济角度考虑，在生产实际中，阶段高度的取值范围较大，从20米到100米不等。在开采水平微倾斜矿体时，常将井田划分为盘区，盘区是用沿走向的运输巷道和沿倾斜方向的上（下）山在矿体平面上划分成长方形或正方形的矿段。上下以运输巷为界，左右以上（下）山为界。矿块(panel)和采区(section)：矿块是在阶段的基础上，两条连接上下运输巷的天井所夹的矿段。采区是在盘区的基础上，两条上（下）山联络巷所夹的矿段。矿块和采区是最基本的采矿单元。上盘和下盘，顶板(roof)和底板(floor)覆盖在矿体上方的岩层称为矿体的上盘。处在矿体下方的岩层称为矿体的下盘。矿体上盘与矿体直接接触的岩层称为矿体的顶板。矿体下盘与矿体直接接触的岩层称为矿体的底板。采空区(goaf)上覆岩层移动和崩落的规律当岩体(massrock)中未形成采空区前，岩体中各点的应力处于平衡状态，当采空区出现后，原岩中的应力平衡状态被破坏，采空区周围岩体（采空区几何尺寸的3~5倍）中的应力重新分布，在采空区边界变化较大的地方出现应力集中，采空区周围的岩体发生变形，顶板岩层发生弯曲下沉，两帮(和底部岩层鼓出，当顶板岩层某些部位的应力集中达到或超过岩体的强度极限时，则顶板岩层破坏，发生坍塌崩落，崩落一直朝地表发展，会出现如下图两种情况：当采空区不大，矿体埋藏较深时，空区距地表较远时，空区崩落到一定高度时停止，地表仅出现细微下沉：当采空区较大，矿体埋藏较浅，空区距地表较近时，空区一直坍透地表：移动区、移动角、崩落区、崩落角、危险区由于地下开采所引起的采空区上方地表出现变形、位移、下沉现象的区域称为移动区。由于地下开采所引起的采空区上方地表出现裂缝、塌陷、滑落现象的区域称为崩落区。连接移动区外边界和引起移动的最低一个水平的采空区底板边界的联线与水平面的夹角称为移动角。连接崩落区外边界和引起移动的最低一个水平的采空区底板边界的联线与水平面的夹角称为崩落角。移动角小于崩落角。上盘崩落角上盘崩落角上盘移动角下盘移动角下盘崩落角移动区危险区崩落区 在矿山开采设计规范中规定，所有的井筒、建筑物、构筑物都必须布置在危险区之外。在特殊情况下，如需布置在危险区内，要留保安矿柱。开采顺序：当矿田按照技术和经济的考虑划分为井田、阶段（盘区）和矿块（采区）后，我们马上面临开采顺序问题，既先采哪里，后采哪里。矿体群的开采顺序急倾斜矿体群的开采顺序当矿体群的倾角小于或等于围岩的下盘移动角时：当矿体间距较大，危险区互不相交时，先采上盘，先采下盘都可。当矿体间距较小，危险区相交时，通常应先采上盘矿体，顺序后下盘开采。ⅡⅡ号矿体危险区Ⅰ号矿体危险区 当矿体群的倾角大于围岩的下盘移动角时：当矿体间距较大时，先采上盘矿体，后采下盘矿体。当矿体间距较小时，无论先采哪个矿体，都会使其他矿体处于危险区内，这时有两种方法：1）同时开采，同时下降，显然井巷工程量大；2）采用充填采矿法先采上盘矿体。ⅡⅡ号矿体危险区矿体危险区缓倾斜、水平矿体群的开采顺序LL20~25米hh L=(20~25米)+L当α=0L(20~25米)+井田中的开采顺序，在采矿实践中形成两种开采顺序。下行开采：指对阶段的开采从最上一个阶段开始，其下的阶段进行准备工作，依次下移。 下行开采具有很多优点：1、开采技术简单，有多种采矿方法可供选择。2、基建工作量较少，初期投资少，基建时间短。由于下行开采的优越性明显，所以在生产实践中被普遍使用。上行开采：在实践中使用较少，只在一些特殊情况下可使用：国家急需，上贫下富； 地表无法布置废石场，以及为了减少污染等。阶段中矿块的开采顺序，也有两种前进式回采：指从主井附近矿块开始回采，逐次向井田边界推进。 优点：能减少初期的工程量，提早出矿。 缺点：已采矿块的周围的巷道稳定性差，维护费用增加，容易漏风，阶段接替时的通风条件差。后退式回采：指从井田边界处的矿块开始回采，逐渐向主井方向推进。 优点：巷道维护费用较底，通风条件较好。 缺点：基建工程量大，时间长，投资较大。矿床地下开采的工作步骤：开拓，采准，切割，回采开拓：指从地表掘进一系列井巷和峒室到达矿床，将矿床划分为阶段，形成矿床的行人，运输，通风，排水，水电风气的供应等系统的工作。在这种工作中掘进的井巷称为开拓巷道。属于开拓巷道的有：竖井，斜井，平峒，井底车场及其峒室，石门，阶段运输巷道等。 采准：指在完成开拓巷道的基础上，掘进一系列巷道将阶段（盘区）划分成矿块（采区），并在矿块内创造行人，凿岩(drilling)，放矿(blasting)，搬运(hauling)，通风(ventilation)等条件的工作，为此掘进的巷道称为采准巷道。属于采准巷道的有各种联络道，电耙道，天井等。 切割(cutting)：指在完成采准巷道的基础上，为大规模回采矿石开辟自由面，准备补偿空间的工作。为此掘进的巷道称为切割巷道。切割巷道包括：切割天井，拉底巷道，切割槽等。 回采：指在完成采准切割工作的矿块中，进行大量采矿的工作。这项工作包括：落矿（凿岩打眼，装药放矿），通风，搬运，支护（加压管理）等工序。 开拓，采准，切割，回采在空间上和时间上必须保持空间超前，时间同步的关系，才能保证矿山生产的持续均衡，避免出现产量大起大落，甚至停产的现象。 思考题：开拓工作是否超前越多越好？为什么？基建采掘比和采准工作量基建采掘比：单位年产量所分摊的开拓巷道长度。用式子表示，

采掘比（P）=采准工作量在其他条件（安全性，通风，爆破条件，回采强度，生产能力，投资等）相同时，人们通常倾向选择P,K1,K2较小的开拓方法和采矿方法。矿石损失与贫化矿石损失：指在矿床开采中，由于各种原因，使一部分工业储量未能被采下，或虽被采下却未能运至地表，这部分矿石储量称为矿石损失。造成矿石损失的原因大体分为两类：与工作质量无关的因素：断层、破碎带、溶洞。与工作质量有关的因素：爆破参数的确定不合理，矿柱留的太多，及没有及时回收。矿石损失的影响刻画矿石损失的指标：工业矿石回收率=工业矿石损失率=

=1-工业矿石回收率采出矿石回收率=（提问：会不会大于1）采出矿石损失率=1-采出矿石回收率矿石贫化：指由于废石的混入或高品位矿石的损失，使采出矿石的平均品位底于工业储量的平均品位。原因：落矿时边界难于控制，夹石未剔除，覆盖岩石下放矿，粉矿流失。刻画贫化的指标：废石混入率（）=品位降低率（）=与的关系推导： 设废石平均品位为废，损失工业矿石平均品位为损，损失量Q损

则有：T=Q-Q损+R……（1） T=Q-Q损损+R废……(2) 联解（1）（2）得：Q= T= === ==矿石贫化对采矿的影响：使采矿成本增加；为什么？废石在采装，运输过程中的费用。 使选矿成本增加。思考题：矿石损失和矿石贫化有何关系？10米-Ⅰ—Ⅰ-60米ⅠⅠ60米作业：某矿块几何尺寸见图，矿石容重2吨/米3，矿块平均品位7%，围岩平均品位0.7%，矿块采出矿石量72500吨，平均品位6.5%，损失纯工业矿石的平均品位6.5%，在开采中共打采准切割巷道200米10米-Ⅰ—Ⅰ-60米ⅠⅠ60米第二章矿床开拓矿床开拓的意义主要开拓巷道和辅助开拓巷道主要开拓巷道：在地表有直接出口，并主要用于提运矿岩和人员的开拓巷道。辅助开拓巷道：矿床开拓方法：根据主要开拓巷道的类型和他们与矿体的相对位置，矿床开拓的方法可以分为以下几种：（P26~27）平垌开拓法：含义：直接从地表掘水平巷道（平垌）至矿床，并用之作为主要开拓巷道。分类：适用条件：适于开拓埋藏于地表平面以上的矿体。看P18~19图后提问：主平峒为何通常布置在最下一个阶段？出口有平地，便于其上阶段的矿石运输，有利于通风。斜井开拓法含义：直接从地表掘倾斜巷道（斜井）至矿床，并以它作为主要开拓巷道。分类：适用条件竖井开拓法含义：直接从地表掘进垂直井筒至矿床，并以它作为主要开拓巷道。分类：适用条件：生产规模大，矿体埋藏较深，矿体倾角大于45。或小于20。。斜坡道开拓含义：直接从地表掘弯曲倾斜巷道（斜坡道）到矿床，并以之作为主要开拓巷道。分类：特点：使用无轨车辆（电动汽车），断面大，运输能力大，运用范围大，巷道长。斜坡道的生产和发展概况 斜坡道开拓是近十几年来新出现的一种开拓方式。 随着现代设备制造业的发展，为矿山开采提供了越来越现代化的设备，诸如各种大、中、小型铲运机，履带装载机，装药车，液压多孔凿岩台车等，这些设备的特点是无轨自行，轻型高效，机动灵活，功能专一的优点，简化了采矿工艺，提高了劳动生产率。这些设备的出现向传统的开拓方法提出问题：如何能解决这些设备的地下调用，检修，如何将这些设备开采下来的矿石及时大量的运出地表？在传统开采系统中，只有将它们拆卸开，分批搬运，费工费时不方便，使人们觉得还不如在阶段间掘一些短的，坡度小的斜巷，并进行设备的调用，并进而想到将这种巷道掘出地表，同时由于社会的发展，对工业原料的需求日益增加，对矿物资源的开采规模越来越大，而竖井斜井的提升能力满足这种要求较吃力，客观上要求有一种运输能力大，设备能在各阶段调动的开拓方法。 另一方面，由于巷道（隧道）掘进技术的发展（凿岩技术：全液压凿岩技术；支护技术；大爆破技术）使得掘进大断面的斜坡道不是很困难的事，在技术上不存在障碍，使得对斜坡道的客观需要迅速变为现实行动。P34实例。联合开拓（见P27~32实例）主要开拓巷道的评价平井、斜井）的比较施工条件好，掘进垌和井筒（竖速度快，基建时间短。基建投资少运输费用、排水费用、通风费用较低，通风条件好。平垌运输设备的安全可靠性较好。运输能力大。适用的矿体范围窄。由于平垌的优越性很明显，只要矿体赋存于地表平面上，一般都采用平垌开拓。竖井和斜井的比较竖井提升速度快，提升能力大，提升费用低。竖井排水费用低。竖井承受地压的能力强，井筒不易变形