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非煤矿山企业露天开采程序.doc

非煤矿山企业露天开采程序

你的爱其实我早已不痛
2018-08-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《非煤矿山企业露天开采程序doc》,可适用于职业岗位领域

非煤矿山企业露天开采程序露天开采程序第一节概述最终开采境界是在当前的技术经济条件下对可采储量的圈定也是对开采终了时采场几何形态的预估。那么如何采出最终境界内的矿石和岩石则是露天开采程序问题。简单地讲露天开采是从地表开始逐层向下进行的每一水平分层称为一个台阶。一个台阶的开采使其下面的台阶被揭露出来当揭露面积足够大时就可开始下一个台阶的开采。随着开采的进行采场不断向下延伸和向外扩展直至到达设计的最终境界。每一台阶在其所在水平面上的任何方向均以同一台阶水平的最终境界为限。推到最终境界线的台阶所组成的空间曲面称为最终边帮(或非工作帮)。可以想象最终边帮并不是一“光滑”的曲面而是呈阶梯状的。为了开采一个台阶并将采出的矿岩运出采场需要在本台阶及其上部各台阶修筑至少一条具有一定坡度的运输通道称为斜坡道或出入沟。图是一采场的水平投影与剖面示意图。本章从台阶的几何参数入手较为详细地讨论露天开采中的掘沟、台阶推进、采场扩延、线路布置及台阶和工作面参数的计算等内容。第二节台阶几何要素一、基本概念图是两个相邻台阶的局部剖面及其平面投影示意图。台阶由坡顶面、坡底面和台阶坡面组成。台阶常以其坡顶面水平和坡底面水平命名例如图中的上部台阶称为米台阶。台阶坡顶面和坡底面与台阶坡面的交线分别称为台阶的坡顶线和坡底线。一个台阶的坡底面水平同时又是其下一个台阶的坡顶面水平。台阶坡面与水平面的夹角称为台阶坡面角(α)台阶坡顶面与坡底面之间的垂直距离即为台阶高度(H)。从本台阶的坡顶线(本台阶外缘)到上一个台阶的坡底线(本台阶内缘)之间的距离称为台阶宽度(W)。台阶是垂直方向上的最小开采单元即台阶在其整个高度上是一次爆破、一次铲装的。穿孔和装药作业在台阶的坡顶面水平进行铲装和运输作业在台阶的坡底面水平进行。二、台阶高度台阶高度是露天开采中最重要的几何参数之一。影响台阶高度的因素有生产规模、采装设备的作业技术规格以及对开采的选别性要求等。为保证挖掘机挖掘时能获得较高的满斗系数(铲斗的装满程度)台阶高度应不小于挖掘机推压轴高度的。另一方面为避免挖掘过程中图露天采场平面投影与剖面示意图AA坡顶面mHW,坡底面mH台阶坡面,m坡底线AAWmmm坡顶线台阶坡面图台阶几何要素在台阶的顶部形成悬崖台阶高度应小于挖掘机的最大挖掘高度。图所示是斗容为m的电铲其各种作业技术规格列于表。从表中可知该挖掘机的最大挖掘高度是m。若选用这样的电铲台阶高度定为m较为合适。在品位变化大、矿物价值高的矿山(如金矿)开采选别性制约台阶高度的重要因素。开采选别性系指在开采过程中是能够将不同品位和类型的矿石及废石进行区分开采的程度。以金矿为例往往需要对于一个区域内的高品位矿、低品位矿、硫化矿、氧化矿及废石进行区分开采运往各自的目的地。例如将低品位矿送往浸堆高品位氧化矿送往选矿厂硫化矿送往焙烧炉废石送往排土场等等。由于一个台阶在垂直方向上是不可分采的即使在台阶高度内矿石的品位、矿种或矿岩界线变化很大(如某处台阶的上半部分是矿石、下半部分是岩石)也不可能在开采过程中将不同种类的矿石及岩石分离出来由此所造成的贫化和不同矿种的混杂是不可避免的。可见台阶高度越大开采选别性越差。因此在开采对选别性要求较高的矿床时应选取较小的台阶高度。一般说来黑色金属矿床的品位变化较小、矿体形态较为规则、矿物价值低、对选别性要求较低台阶高度一般大于m以m~m最为常见。大多数贵重金属矿床的特征恰恰相反故台阶高度一般小于m以~m最为常见。图电铲作业技术规格图解表图中电铲的作业技术规格斗容m起重臂长度m。起重臂倾角有效斗杆长度m斗杆全长m最大卸载高度(A)m最大卸载半径(B)m最大卸载半径处的卸载高度(A)m最大卸载高度处的卸载半径(B)m最大挖掘高度(D)m最大挖掘半径(E)m站立水平挖掘半径(G)m下挖深度(H)m天轮顶距地面的高度(I)m天轮外缘回转半径(J)m机体尾部回转半径(K)m机体(包括驾驶室)宽度(S)m司机视线水平高度(U)m另一方面台阶高度也制约着铲装设备的选择当选用汽车运输时铲装设备的斗容和装卸参数又进一步制约着汽车的选型。台阶高度同时也影响着最终边帮的几何特征。由此可以看出台阶高度的选取对整个露天矿的开采经济效益有着重要的影响。在一定范围内增加台阶高度会降低穿孔、爆破和铲装成本但确定最佳的台阶高度应综合考虑各种相关因素使矿床开采的经济效益(不仅仅是穿孔、爆破和铲装成本)达到最高值。三台阶坡面角台阶坡面角主要是岩体稳定性的函数其取值随岩体的稳定。性的增强而增大(最大为)。确定台阶坡面角时需要进行岩石稳定性分析或参照岩体稳定性相类似的矿山选取。另外岩体层理面的倾向对台阶坡面角有直接的影响当台阶坡面与岩体层理面的倾向相同或相近而且层理面倾角较陡时台阶坡面角等于层理面的倾角。表是均质岩体中台阶坡面角与岩石硬度的大体关系。表,列出了国内部分金属露天矿的台阶坡面角取值。表,均质岩体中台阶坡面角的参考值岩石硬度系数台阶坡面角(度)~以上,,,,,表,国内部分露天矿的台阶坡面角矿山名称台阶坡面角(度)大孤山铁矿东鞍山铁矿南芬铁矿~(岩石层理倾角)大石河铁矿白云鄂博铁矿白银厂铜矿四工作平台与安全平台正在被开采的台阶称作工作台阶(或工作平台、工作平)。如图所示工作台阶上正在被爆破、采掘的部分称为盘爆破带其宽度WsWcH爆破带WsW安全平台WsWc采区宽度安全平爆破带台采掘方向台阶推进方向W图工作平台要素示意图(Wc)为爆破带宽度(或采区宽度)台阶的采掘方向是挖掘机沿采掘带前进的方向台阶的推进方向是台阶向外扩展的方向。在开采过程中工作台阶不能一直推进到上个台阶的坡底线位置而是应留有一定的宽度(Ws)。留下的这部分称为安全平台。安全平台的作用是收集从上部台阶滑落的碎石和阻止大岩石块滚落。安全平台的宽度一般为~个台阶高度。在矿山开采寿命期末有时将安全平台的宽度减小到台阶高度的左右。工作平盘的宽度(W)等于采区宽度与安全平台宽度之和。最小工作平盘宽度是刚刚满足采运作业所需要的空间的宽度其计算详见后面第四节。沿工作平盘的外缘常用碎石堆筑一道安全挡墙(图)用于阻止石块滚落到下面的台阶和防止汽车或其它设备驶落台阶。安全挡墙的高度一般等于汽车轮胎的半径。其坡面。角等于碎石的安息角(一般为左右)。第三节掘沟图安全挡墙如前所述露天开采是分台阶进行的。那么每一台阶的开采是怎样开始的呢,由于采装与运输设备是在工作台阶的坡底面水平作业所以必须在新台阶顶面的某一位置开一道斜沟使采运设备到达作业水平而后以沟端为初始工作面向前、向外推进。因此掘沟是新台阶开采的开始。按运输方式的不同掘沟方法可分为不同的类型如汽车运输掘沟、铁路运输掘沟、无运输掘沟等。由于现代露天矿山特别是新设计的露天矿山大都采用汽车运输故本节只介绍汽车运输掘沟稍加扩展即可处理铁路运输及其它方式的掘沟问题。有关各种掘沟方法的更全面的介绍可在其他的参考书目和设计手册中查到。山坡露天矿与深凹露天矿的掘沟方式有所不同下面分别给予简要的介绍。一深凹露天矿掘沟如图所示假设m水平已被揭露出足够的面积根据采掘计划现需要在被揭露区域的一侧开挖通达m水平的出入沟以便开采m台阶。掘沟工作一般分为两阶段进行:首先挖掘出入沟以建立起上、下两个台阶水平的运输联系然后开掘段沟为新台阶的开采推进提供初始作业空间。出入沟的坡度取决于汽车的爬坡能力和运输安全要求。现代大型露天矿多采用载重吨以上的大吨位矿用汽车出入沟的坡度一般在,~左右。出入沟的长度等于台阶高度除以出入沟的坡度。例如当台阶高度为m、出入沟的坡度为时出入沟的长度为m。掘沟时的穿孔与爆破方式没有统一的模式不同的矿山由于岩性不同掘沟时的爆破设计各异。总的可分为两种:全沟等深孔爆破与沿坡面的不等深孔爆破。当采用全沟等深孔爆破时出入沟的斜坡路面修在爆破后的松散碎石上。这种掘沟方法的优点是穿孔、爆破作业简单而且当出入沟位置需要移动时可避免在斜坡上穿孔、装药。其缺点是路面质量差影响汽车的运行效率加重了汽车轮胎的磨损。图出入沟与段沟示意图当采用沿坡面的不等深孔爆破时需要沿出入沟的坡面从上至下穿凿不同深度的炮孔进行分段爆破。图是这种掘沟方式的一种爆破设计的纵断面示意图。这里假设台阶高度为m坡度为,穿孔设备选用mm牙轮钻机。图中将出入沟沿纵向全长分为三个爆破区段依次进行爆破和采运。从沟口起m范围内的炮孔深度为m此后各区段的炮孔与拟形成的出入沟坡面保持m的超深(如图中虚线所示)。炮孔在平面上采用间距等于行距的交错布置各个区段上采用不同的间距(如图中括号内的数字所示)。爆破爆破爆破区段区段区段mmmm(x)(x)(x)(x)(x)段沟mmmm图出入沟爆破设计实例出入沟掘完后继续掘段沟。掘段沟时是否需要分区段爆破要看段沟的长度而定。由于段沟为等深度没有必要采用不同的爆破设计。在图所示的情形中段沟的爆破设计除采用等深孔外与最后一段出入沟的爆破设计相同。沟底宽度是掘沟的重要参数。一般说来为了尽快到达新水平在新的工作台阶形成生产能力应尽量减少掘沟工作量。因此沟底宽度应尽量小一些。是满足采运设备最小沟底宽度基本的作业空间要求的宽度其值取决于电铲的作业技术规格、铲运方式与汽车的调车方式。最节省空间的调车方式是汽车在沟外调头而后倒退到沟内装车(图和)。这种调车方式下的沟底宽度只取决于电铲的作业方式和采装方式。最常用的采装方式是中线采装即电铲沿沟的中线移动向左、右、前三方挖掘(图)。这种采装方式下的最小沟底宽度是电铲在左、右两侧采掘时清底所需要的空间即W=G()Dmin式中G为电铲站立水平挖掘半径。若选用图所示的电铲从表中查得G为m。则最小沟底宽度为m。另一种更节省空间的采装方式是双侧交替采装(图)。电铲沿左右两条线前进当电铲位于左侧时采掘右前方的岩石装入停在右侧的汽车而后电铲移到右侧采装左前方的岩石装入停在左侧的汽车。这种采装方式下的最小沟底宽度为:W=GK()Dmin式中K为电铲尾部回转半径。若选用图中的电铲从表查得G,mK=m计算出WDm,m,m。in双侧交替采装所需的作业空间虽然小但电铲移动频繁作业效率低一般用于境界最底部作业空间有限的几个台阶上的掘沟。实际采用的沟底宽度应适当大于最小沟底宽度以保证作业的安全和正常的作业效率。采用沟外调头、倒车入沟的调车方式虽然节省空间但影响行车的速度与安全因此有的矿山采用沟内调车的方式包括沟内折返和环形调车(图和图)。由于汽车在沟内调车所需的空间一般要比电铲作业所需的空间大因此沟内调车方式下的沟底宽度(W)是由汽车的作业技术参数决定的可D用下面的公式计算:折返调车:W=Rlde()D环形调车:W=Rde()DGGB图沟外调头中线采装KGKGBB图沟外调头双侧交替采装式中R为汽车最小转弯半径l为汽车车身长度d为汽车车身宽度e为汽车距沟壁的安全距离。lleeRReddRRed图沟内环形调车图沟内折返调车若采用Webcoc(吨)汽车R=ml=md=m并设e=m。则折返和环形调车时的沟底宽度分别为m和m。二山坡露天矿掘沟在许多矿山最终开采境界范围内的地表是山坡或山包(图)随着开采的进行矿山由上部的山坡露天矿逐步转为深凹露天矿。采场由山坡转为深凹的水平称为封闭水平即在该水平上采场形成闭合圈。从图所示的剖面上看闭合圈位于箭头所指的水平。在山坡地带的开采也是分台阶逐层向下进行的。与深凹开采不同的是不需要在平地向下掘沟以到达下一水平只需要在山坡适当位置拉开初始工作面就可进行新台阶的推进。不过在习惯上将“初始工作面得拉开”也称之为掘沟。山坡上掘出的“沟”是仅在指向山坡的一面有沟壁的单壁沟。最终境界H封闭圈矿体图山坡露天矿剖面示意图图推土机开掘单壁沟如果山坡为较为松散的表土或风化的岩石覆盖层可直接用爆破爆破爆破推土机爆破段沟区段区段区段区段在选定的水平推出开采所需的工作平台(图)。如果山坡为x)(硬岩或坡度较陡则需要先进行穿孔爆破然后再行推平。mx()x()m山坡单壁沟也可用电铲掘出(图)电铲将沟内的岩x)(x()石直接倒在沟外的山坡堆置不再装车运走。沟底宽度应与电mmmmm铲作业技术规格相适应。从图可以看出沟底宽度为:W=GTe()D图XX出入沟的爆破设计式中G为电铲站立水平挖掘半径T为电铲回转中心到履带外缘距离e为电铲履带外缘到单壁沟外缘的安全距离。eTGWD图电铲开掘单壁沟第四节台阶的推进方式掘沟为一个新台阶的开采提供了运输通道和初始作业空间完成掘沟后即可开始台阶的侧向推进。由于汽车运输的灵活性有时在掘完出入沟后不开段沟立即以扇形工作面形式向外推进。如图所示刚完成掘沟时沟内的作业空间非常有限汽车须在沟口外进行调车倒入沟内装车(图a)当在沟底采出足够的空间时汽车可直接开到工作面进行调车(图b)随着工作面的不断推进作业空间不断扩大如果需要加大开采强度可在一定时候布置两台采掘设备同时作业(图c)。划归一台采掘设备开采的工作线长度称为采区长度。采区长度影响一个台阶可布置的采掘设备台数从而影响台阶的开采强度。采区长度随采运设备的作业技术规格而变。根据有关资料美国矿山的采区长度一般在~m国内矿山一般大于m。从新水平掘沟开始到新工作台阶形成预定的生产能力的过程叫做新水平准备。(c)(b)(a)图台阶推进示意图台阶推进方式主要包括采掘方式和工作线布置方式。一采掘方式及工作平盘参数根据采掘方向和工作线方向之间的关系有两种基本的采掘方式即垂直采掘和平行采掘。(一)垂直采掘垂直采掘时电铲的采掘方向垂直于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶的推进方向平行(图)。开始时在台阶坡面掘出一个小缺口而后向前、左、右三个方向采掘。图所示是双点装车的情形。电铲先采掘其左前侧的爆堆装入位于其左后侧的汽车装满后电铲转向其右前侧采掘装入位于其右后侧的汽车。这种采装方式的优点是电铲装。。。到之间平均为左右)装载效率高缺点是汽载回转角度小(车在电铲周围调车对位需要较大的空间要求较宽的工作平盘。当采掘到电铲的回转中心位于采掘前的台阶坡底线时电铲沿工作线移动到下一个位置开始下一轮采掘。垂直采掘时一次采掘深度(即采掘带宽度A)为电铲站立水平挖掘半径(G)沿工作线一次采掘长度为G。当然电铲在同一轮采掘中可以采掘更大的范围但超过上述范围时电铲需要作频繁的小距离的移动影响采装效率。台阶推进采区宽度方向工作线下一轮采掘位置采掘方向图垂直采掘示意图(二)平行采掘平行采掘时电铲的采掘方向与台阶工作线的方向平行、与台阶推进方向垂直。前面图所示即为平行采掘推进。根据汽车的调头与行驶方式(统称为供车方式)平行采掘可进一步细分为许多不同的类型。单向行车不调头和双向行车折返调头是两种有代表性的供车方式。单向行车不调头平行采掘如图所示汽车沿工作面直接驶到装车位置装满后沿同一方向驶离工作面。这种供车方式的优点是调车简单工作平盘只需设单车道。缺点是电铲回转角度大在工作平盘的两端都需出口(即双出入沟)因而增加了掘沟工作量。台阶推进方向采掘方向工作平盘宽度B安全挡墙图单向行车不调头平行采掘双向行车折返调车平行采掘如图所示空载汽车从电铲尾部接近电铲在电铲附近停车、调头倒退到装车位置装载后重车沿原路驶离工作面。这种供车方式只需在工作平盘一端设有出入沟但需要双车道。台阶推进方向采掘方向B工作平盘宽度安全挡墙图双向行车折返调车平行采掘(单点装车)图所示是单点装车情形。空车到来时常常需等待上一辆车装满驶离后才能开始调头对位而在汽车调车时电铲也处于等待状态。为减少等待时间可采用双点装车。如图所示汽车正在电铲右侧装车。汽车驶入工作面时不需等待即可调头、对位停在电铲左侧的装车位置。装满汽车后电铲可立即为汽车装载。当下一辆汽车(汽车)驶入时汽车已驶离工作面汽车可立即调车到电铲右侧的装车位置。这样左右交替供车、装车大大减少了车铲的等待时间提高了作业效率。在理想状态下汽车调车完毕汽车恰好装满汽车装载完毕汽车也刚好调车完毕车和铲的等待时间均为零作业效率达到最大值。但实际生产中这种理想状态是几乎不存在的。可以看出双点装车比单点装车需要更宽的工作平盘。台阶推进方向汽车正采掘方向在装车B工作平盘宽度B汽车正在调车安全挡墙图双向行车折返调车平行采掘(双点装车)(a)(b)图两种不同供车方式示意图其它两种供车方式如图所示。图中(a)为单向行车折返调车双点装车(b)为双向行车迂回调车单点装车。由于汽车运输的灵活性有许多可行的供车方式。这里不一一例举。(三)采区宽度与采掘带宽度破带的实体宽度挖掘机一次采掘的宽采区宽度是爆采掘带宽度是度。当矿岩松软无需爆破时采区宽度等于采掘带宽度。绝大多数金属矿山都需要爆破故采掘带宽度一般指一次采掘的爆堆宽度。二者关系见图。图中(a)为一次穿爆两次采掘(b)为一次穿爆一次采掘。WWWsWscc采区宽度采区宽度安安全全平平爆破带爆破带台台爆堆爆堆台台阶阶推推进进方方采掘带宽度采掘带宽度向向AAcc爆堆宽度b爆堆宽度b(b)(a)图采区与采掘带示意图从图可以看出采区宽度应与采掘带宽度相适应即实体(采区)爆破后的爆堆宽度应与挖掘机的采掘带宽度和采掘次数相适应。采掘带宽度过宽或过窄都会影响挖掘机的生产能力:过宽时挖掘机回转角度大且爆堆外缘残留矿岩多清理工作量大过窄时则挖掘机移动频繁行走时间长。采掘带宽。。度一般应保持挖掘机向里侧回转角不大于向外不大于其变化范围一般为:Ac=(~)G()式中G为挖掘机站立水平挖掘半径。国内矿山采掘带宽度一般为~G国外矿山的采掘带宽度可达G。国内采用汽车运输和~m挖掘机的矿山其采掘带宽度一般为~m。采用一次穿爆两次采掘时第一采掘带(外采掘带)一般要比第二采掘带宽一些。采区宽度与爆堆宽度的关系可根据矿山实际爆破的统计资料进行估计也可用下式作粗略估算:HbkW,,,W()sccHb式中b为爆堆宽度为矿岩爆ks破后的松散系数Wc为采区宽度H为台阶高,,度H为爆堆高度为爆堆形态系数。坚硬岩石爆堆横断面近似三角形b,,,不坚硬岩石爆堆横断面近似梯形=中等坚硬岩石<<。采用一爆一采时爆堆宽度即为采掘带宽度(即b=A)。式()可用来根据采掘带宽c度反算出采区宽度。。有的矿山采用大区微差爆破采区宽度很大。这时可将爆破方向转使之与工作线平行并采用横向采掘(图)。采掘方向工作线爆破方向图沿工作线方向爆破、横向采掘(四)最小工作平盘宽度最小工作平盘宽度是刚好满足采运设备正常作业要求的工作平盘宽度其取值需依据采运设备的作业技术规格、采掘方式和供车方式确定。采用单向行车、不调头供车的平行采掘方式时最小工作平盘宽度可根据装车条件计算(图)。这时最小工作平盘宽度(W)为:min=GBdes()Wmin式中G为挖掘机站立水平挖掘半径B为最大卸载高度时的卸载半径d为汽车车体宽度e为汽车到安全挡墙距离s为安全挡墙宽度。WcAcsedBG图按铲装条件确定最小工作平盘宽度。例已知台阶高度H=m坡面角,=采用图中的电铲从表查得G=mB=mWebcoc汽车车体宽度d=m假设e=ms=m采用平行采掘一爆一采。根据采装条件计算最小工作平盘宽度、采掘带宽度和采区宽度。解:直接套用式()得W=m,mmin采掘带宽度A=G=m,mc采区宽度:设爆堆高度H=H松散系数Ks=岩石为中等硬度b,取=应用式()得:W=m,mc必要的检验:a:爆堆外缘与汽车距离BGd=m>Ac说明爆堆外缘与汽车轮胎间有一定的距离检验通过。b:挖掘高度与坡面角电铲最大挖掘高度为m大于台阶高度(m)。故电铲可以挖到坡顶。电铲最大挖掘半径E=m电铲可以铲成的最缓坡面角为:H,,arctg()(arctg)小于台阶坡面角,,EG因此铲斗可以铲到坡面上的任何地方。检验通过。当采用折返调车单点装车时装车位置一般在电铲的右后侧远离工作面外缘最小工作平盘宽度主要取决于调车所需空间的大小。参照图有:台阶推进方向ed采掘方向BR=Rdles()Wmin式中R为汽车最小转弯半径l为汽车车体长度e为汽车距挡墙和台阶坡底线的安全距离。若选用Webcoc汽车R=md=ml=m设e=m。则W=m。min若采用双点装车当汽车位于电铲右后侧时所需的最小平盘宽度与上述单点装车相同。但当汽车向电铲左侧(靠近工作平盘外缘)的装车位置调车。对位时为节省调车时间汽车一般回转近后退到装车位置(图)。这时的最小工作平盘宽度为:W=Rdes()min应用Webcoc型汽车的作业技术参数计算得W=mmin实际上由于汽车的灵活性即使最小工作平盘宽度比式()和式()的计算结果小一些也可实现调车。但调车的时间会增长影响作业效率。其它供车方式下的最小工作平盘宽度可以仿照上述做法通过简单的几何分析计算求得。实际生产中的工作平盘宽度一般应大于理论计算值。当采用一次穿爆两次采掘(或如图所示的横向采掘)时由于采区宽度(W)大c大增加工作平盘宽度也将大大增加。台阶推进方向ed采掘方向BR图折返调车双点装车时最小工作平盘宽度二工作线的布置方式依据工作线的方向与台阶走向的关系工作线的布置方式可分为纵向、横向和扇形三种。纵向布置时工作线的方向与矿体走向平行(图)。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。横向布置时工作线与矿体走向垂直(图)。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。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(图)。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。第五节采场扩延过程与布线方式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面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。图纵向工作面布置示意图图横向工作面布置示意图图扇形工作面布置示意图第六节帮坡形式与帮坡角在采场的扩延过程中会形成各式各样的帮坡。本节对帮坡角及其经济内涵、增加工作帮坡角的途径、各种帮坡角的计算进行较详细的论述。一工作帮坡角工作帮是由工作台阶组成的边帮并随台阶的推进而向最终边帮(非工作帮)靠近。工作帮坡角一般定义为最上一个工作台阶的坡顶线与最下一个工作台阶的坡底线联成的假想斜面与水平面的夹角(图)。若工作帮由n个相邻的工作台阶组成且工作平盘宽度相等工作帮坡角(θ)可由下式计算:nH,(),arctg(),nWnHtg,式中H为台阶高度W为工作平盘宽度,为台阶坡面角。实际生产中各工作平盘的宽度一般不相等。式()变为:nH,arctg,(),n,,WnHtgi,i式中Wi为从最下部工作台阶算起第i个工作平盘的宽度最上部工作平盘宽度不参与运算。非工作帮工作帮WH,WW,图工作帮与工作帮坡角设图中三个工作平盘的宽度均为m台阶高度为m台阶坡面。。则由式()求得工作帮坡角为,,。角为工作帮坡角对露天矿开采寿命期内的剥岩量变化有很大的影响。图所示是矿体规整、在上盘矿岩接触带掘沟、向两侧推进时的采剥关系示意图。图中将台阶式的工作帮简化为一条直线。可以看出当采到第三条带时要想采出矿量必须剥离岩石量。在开采过程中,T,V由于矿体规整每一条带的矿量基本保持不变但所需的剥岩量先是随着采场的延深而增加采到第五条带(H深度)时达到最大值而后逐年下降。如果采用如图中虚线所示的陡工作帮则前期的剥岩量大大降低峰值的到来将大大推迟(推迟到H深度)。若工作帮坡角等于最终帮坡角剥岩量将随采场的延深单调增加剥岩高峰推迟到最后。因此工作帮越缓前期剥岩量越大基建投资越高基建周期越长。由于资金的时间价值前期剥岩量的增加会降低整个矿山的经济效益。所以从动态经济观点出发工作帮坡角应尽量陡一些。ΔVHΔTH最终境界陡工作帮缓工作帮图剥岩量工作帮坡角关系示意图增加台阶高度或减小工作平盘宽度可以使工作帮坡角变陡。然而台阶高度受到设备规格和开采选别性的制约没有多大的变化余地工作平盘的宽度又必须满足采运设备所需的作业空间的要求并保持较高的设备作业效率可减小的幅度也非常有限。(即使采用前面所述的最小工作平盘宽度工作帮坡角仍较缓)。采用组合台阶开采是提高工作帮坡角的有效方法。二组合台阶组合台阶是将若干个(一般个左右)台阶组成一组划归一台采掘设备开采。这组台阶称为一个组合单元。图所示是四个台阶组成的一个单元。在组合单元中任一时间只有一个台阶处于工作状态保持正常的工作平盘宽度其它台阶处于待采状态只保持安全平台的宽度。组合台阶开采只有当采场下降到一定的深度后才能实现。如果采场空间允许可以在不同区段布置多台采掘设备同时进行组合台阶开采也可视工作帮的高度在同一区段垂直方向上布置多个组合单元。组合台阶开采常用于分期开采的扩帮工作。(分期开采将在后面介绍)。WWcsWWsHWs,g图组合台阶开采中的一个组合单元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:nH,arctg,()g(),,nWWnHtgs式中n为组合单元中台阶的数目Ws为安全平台的宽度W为工作平盘。。宽度。假设n=H=mW=mW=mα=则求得,=sg三各种帮坡形式图所示是在开采过程中形成的由个台阶组成的一段帮坡每一台阶均保持安全平台宽度(W)。从最上一个台阶的坡顶线到最下一s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式()相同只需将式中的W换成Ws即可。设。。W=mH=mα=。则得,=。s如果图中的剖面通过一宽度为WR的斜坡道斜坡道位于第三台阶的中腰该段边帮变为图。建议读者画出这段边帮的水平投影草图。图中的,仍为总帮坡角。道路将整段边帮分为AC和DB两段图中,和,称为路间帮坡角。若W=m其它数据不变则,R。。。=,=,=。可见在边帮上加入运输道路会使总。帮坡角变缓许多(本例中变缓了约)。若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。AWsWs道路,W,sWsW,RWsWsDCHHWsWsWsWs,,,B图一段边帮图具有道路的一段边帮AW工作平盘s,WWcsCD,WsHWsWs,,B若图所示的边帮上有一个台阶是工作台阶边帮将变为如图图具有一个工作台阶的一段边帮所示。工作台阶对帮坡角的影响与道路相似。若这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(,)。工作平盘上下两段的帮坡角(,和,)有时也称为g。路间帮坡角。若其它的数据不变工作平盘宽度W=m则,=。。,=,=。更复杂的边帮是既有工作台阶又有道路如图所示。读者可利用前面的有关数据计算总帮坡角和路间帮坡角。若将图中的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。单个组合单元的工作帮坡角可用式()计。。算。利用前面的数据计算结果为:,,,,。g。图是实行三台阶并段的最终边帮。若坡面角α,台阶高度H=。m安全平台宽度W=m则该段边帮的总帮坡角为,=。若一s露天矿最终境界深为个台阶高度(即m)采用这样的安全平台宽。度和并段方式不考虑运输道路时最终帮坡角可达。如果不实行并段每一台阶都留m宽的安全平台同一露天矿的最终帮坡角为。。W工作平盘s,WWcs道路,WsHWR,WsWs,,图具有工作台阶和道路的一段边帮W工作平盘s,WWcs工作平盘W,sgHWWcsWs,,g图组合台阶开采工作帮,WsH第七节生产剥采比图实行并段的最终边帮生产剥采比是露天生产过程中某一时段(或某一开采区域)内的岩石量与矿石量之比。常用的生产剥采比的单位有m(岩石)m(矿石)、t(岩石)t(矿石)、m(岩石)t(矿石)。如图所示生产剥采比一般是按工作帮坡计算的、采场下降一个台阶采出的岩石量与矿石量之比即VT。HH为了与下面将要提到的其它生产剥采比相区别这里将图所示的生产剥采比称为几何生产剥采比记为SR。H从图中可以看出一般情况下几何生产剥采比先随采场的降深而增加在某一深度达到最大值然后随深度的增加而减小。在矿体形态较复杂的矿山几何生产剥采比随采场深度变化的曲线可能出现几个峰值。VHDHTH工作帮累积生产剥采比是指从开采开始到某一深度(或时间)累积采出的岩石量与矿石量之比记为SR。如图所示采场下降到深度D时的c累积生产剥采比为SR=VT。cDDVDDTD工作帮最终边帮图累积生产剥采比在编制采掘计划时往往需考虑剥采比的逐年变化情况并采取措施(如改变台阶的推进方向、调整工作面的布置方式等)尽量避免剥采比的大幅度波动。因此年生产剥采比是编制采掘进度计划时最常用的生产剥采比。顾名思义年生产剥采比(SR)是某一年内采出的岩石量y(V)与矿石量(T)之比,即:SR=VT。yyyyy从设备管理(包括备品备件)和生产组织的角度生产剥采比在生产过程中的波动越小越好。这样可以保持较稳定的设备数量、备品备件的库存量、机修设施的能力以及设备操作和维护人员队伍。因此在生产计划中常进行所谓的剥采比均衡以得到较稳定的生产剥采比。然而对于一定的矿体形态、最终境界和开采方式剥采比均衡的结果往往是将剥离高峰处的岩石提前剥离。图中曲线A是不进行剥采比均衡的生产剥采比随时间变化的曲线。在“极限均衡状态”即均衡后的生产剥采比是一常数时(图中的直线B)需要将高峰期的剥岩量Vp'剥离。由于资金的时间价值提前剥离量大会降低总体经济效提前到Vp益。因此在提前剥离所带来的经济效益损失与剥采比均衡所能带来的好处之间应进行成本效益分析以确定每年最佳的生产剥采比。这是一个生产剥采比的优化问题采矿优化界已研究出基于动态规划的剥采比动态优化算法。应用这些算法可求出在满足每年矿石目标产量的条件下使矿山生产的总体经济效益达到最大的最佳年生产剥采比。优化后的生产剥采比曲线一般位于A与B之间(图中曲线C)。剥C优化剥采比曲A未均衡剥采比曲线采线比B极限均衡剥采比曲Vp线V'p时间t(年)图剥采比均衡示意图第八节分期开采在前面图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法。由于工作帮坡角一般比最终境界帮坡角缓得多所以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。全境界开采法的缺点是基建时间长、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。与全境界开采方法相对应的是分期开采所谓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。当某一分期境界内的矿岩将近采完时开始下一分期境界上部台阶的采剥即开始分期扩帮或扩帮过渡逐步过渡到下一分期境界内的正常开采。如此逐期开采、逐期过渡直至推进到最后一个分期即最终开采境界。图是分期开采概念示意图。从图中可以看出由于第一分期境界比最终境界小得多所以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经济效益。二期开采境界一期开采境界最终开采境界分期开采的另一个重要优点是可以降低由最终境界的不确定性所带来的投资风险。一个大型露天矿一般具有几十年的开采寿命在进行可行性研究(或初步设计)时确定的最终境界在几十年以后才能形成。在科学技术飞速发展、经济环境不断变化的今天几十年后的开采技术(包括设备)和经济环境与开采初期相比将有很大的差别这意味着在优化开采境界时采用的技术、经济参数在一个时期后将不再适用最初设计的最终开采境界也不再是最优境界甚至是一个很糟糕的境界。因此最终开采境界的设计应当是一个动态的过程而不应是一成不变的。一开始就将台阶推进到最终境界是高风险的、不明智的。若采用分期开采最初设计的各分期境界(除第一分期境界之外)都是参考性质的。在一个分期将要开采完毕向下一分期过渡时可充分利用在开采过程中已获得的矿床地质资料和当时的技术、经济参数对矿床未开采部分建立新的矿床模型对未来的分期境界(尤其是下一分期境界)做更适合当时的技术和经济条件的优化设计。依此类推直至开采结束。实践证明许多大型露天矿最终形成的开采境界与可行性研究(或初步设计)阶段设计的境界有较大的差别。采用分期开采对境界实行动态优化大大降低了最终境界随时间的不确定性可能带来的经济损失。分期开采对生产技术手段和管理水平要求较高这主要体现在从一个分期向下一个分期的过渡上。分期间的过渡时间尤为重要若过渡得太早则会增加前期剥岩量与分期开采的目的相悖若过渡得太晚因下一分期境界上部台阶没有矿石或矿石量很少而其下部台阶还未被揭露当前分期的开采却已经结束从而造成一段时间内减产、甚至是停产剥离的被动局面这是重大的生产技术事故。所以在进行采剥计划编制时必须对各分期间的过渡时间以及过渡期内的生产进行全面、周密的计划并在实施中实行严格的生产组织管理。分期之间的过渡时间应根据相邻分期境界的大小及形态、矿体的赋存条件与形态、矿石的品位分布、矿山的采剥生产能力、开采强度等因素综合确定。总的原则是既要确保矿山生产的连续性、满足选厂对矿石产量与质量的要求又要避免无为的提前过渡。这一准则可用图加以CD时开始在第二分期境界的上部说明。当第一分期工作帮推进到B(AA和EE)区段进行扩帮过渡。第一分期的正常开采与第二分期的扩帮过渡分别在不同水平独立作业二者间留有较陡的工作帮。如果过渡开始时间选择得当、过渡时期的生产组织得力第一期正常开采结束时(即工作帮推进到CF时)在区段AAEEDF的扩帮工作也恰好和CB结束从而顺利地过渡到第二分期。这是最理想的过渡。AEAEDBCDBF一期开采境界C最终开采境界图分期过渡示意图从理论上讲可以利用最终帮坡角、工作帮坡角、分期境界边帮间的水平距离、开采下降速度、扩帮能力、采选生产能力等参数通过几何推导得出扩帮开始时间。但由于大部分矿山的矿体赋存条件较为复杂、境界形态不规则等原因纯几何计算公式的应用价值很小。只有通过建立矿床模型应用运筹学手段对开采顺序进行全面优化才能真正解决问题。分期过渡中的扩帮通常采用组合台阶开采。在不同的扩帮区段可以根据扩帮强度、分期境界边帮间的水平距离和采场形态灵活安排扩帮工作面并保持较陡的工作帮坡角。图是在扩帮区段分两个组合单元、以组合台阶形式进行扩帮的示意图。一期境界组合台阶扩帮工作面二期境界A第一分期境界第二分期境界图XX分期过渡示意图在某些矿山相邻两个分期境界边帮间的水平距离小不能象图所示的那样在垂直方向上划分多个组合单元在一个扩帮区段只能安排一个工作面自上而下进行扩帮。如果扩帮强度不够可以在一个扩帮区)。这种在一个扩帮区段不分组段采用“尾追式”布置两个工作面(图(也可以看作只分一组)的扩帮方式有时称为自上而下扩帮法。当然若对扩帮强度要求低即使可以在两分期境界边帮之间布置一个以上的组合单元也可只用一台电铲在一个扩帮区段实施自上而下扩帮。这时若在两个分期境界的边帮之间实行一次推进的工作面太宽或一次推进下降的速度太慢可以沿境界边帮纵向分条带进行。例如在图所示的情况下实行自上而下扩帮时可分两个条带进行即图中点划线左右侧各为一个条带。在另外一些矿山由于矿体赋存条件和地形等因素设计的分期数目多每一分期开采时间短扩帮是连续进行的即在当前分期正常开采的一开始向下一分期的扩帮工作就已经开始。这样正常开采与扩图尾随工作面至上而下扩帮示意图帮始终同时进行。如图所示正常开采I的同时在处扩帮正常开采II时在处扩帮依此类推。这种开采方式称为扩帮开采。IIIIIIIVV图扩帮开采示意图分期开采较全境界开采更符合露天矿建设与生产发展规律在国外得到十分广泛的应用。我国一些露天矿也采用了分期开采。对分期开采的整体经济效益影响最大的四个参数是:()最佳分期数()各分期境界的最佳位置、大小和形状()相邻分期间的最佳过渡时间()分期内和分期间的最佳开采顺序。对以上四大参数的优化是采矿优化界的一个重要研究课题并已取得了一定的研究成果。感兴趣的读者可参阅书后的有关论文。小结:本章以露天开采时空发展程序为主线较详细地介绍了露天开采中较常用的开采方式(包括工作面与线路的布置、设备的工作方式及分期开采等)以及相关的参数计算同时引入了有关露天开采的基本概念和术语。由于露天开采受空间约束较小、设备的布置与运行机动灵活实际生产中不同的矿山在开采方式上均有其自己的特点。因此很难将露天开采在方法上象地下开采那样归纳为几大类进而在每一类中划分出各具特色的不同方法而且这样做的结果对于露天开采的研究与实践并不具有什么指导意义。重要的是了解露天开采的基本几何约束、时空发展的基本顺序要求和主要参数的经济内涵。掌握了这些基本内容就可以根据具体条件灵活处理各种问题制定出符合具体条件的合理开采方案。这也是本章的编写宗旨。本章只是定性地论述了露天开采的一般时空发展程序和常见的开采方式并没有定量地讨论开采顺序问题。换言之本章回答的是什么条件下可以采什么地方的问题。实际上在一给定的时段(一年、一季度、或一个月)有多个符合时空发展基本要求的开采地段。由于资金的时间价值定量地确定任一时段的开采地段和开采量对于获得最大的经济效益十分重要。开采顺序与产量的定量优化是采矿界的一个重要研究课题在发达国家倍受重视并且已取得了一些具有实用价值的研究成果。本章引入的运输线路布置方式在以往的国内教材中均划归露天矿开拓。然而线路不仅是到达矿体和运出矿岩的通道其布置方式对开采时空的发展程序有直接影响是确定开采顺序必须考虑的因素故编者认为将其归入本章更为合适。一采场扩延过程的一般描述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m台阶高度为m。图是该露天矿扩延过程示意图。首选在地表境界线的一端沿矿体走向掘沟到m水平(图a)。出入沟掘完后在沟底以扇形工作面推进(图b)。当m水平被揭露出足够面积时向m水平掘沟掘沟位置仍在左侧最终边帮(图c)。之后形成了米台阶和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)。若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。从图可以看出在斜坡道之间留有一段水平(或坡度很缓的)道路称为缓冲平台。缓冲平台的作用是减少陡坡的持续长度以免重车在陡坡上连续行驶时间过长引起引擎过热和加速机械磨损同时也避免下坡连续刹车时间过长使汽车制动鼓发热造成可能的车速失控发生车祸。缓冲平台的坡度一般不大于,长度在m左右。实际生产中可能每隔几个台阶留有一段缓冲平台。连续陡坡坡长随道路纵坡坡度增加而减小当纵坡坡度为,左右时连续陡坡坡长应限制在约m以内。二布线方式图所示的采场扩延过程的一个特点是台阶的出入沟沿最终边帮成螺旋状布置故称为螺旋布线。这种布线方式的特点主要有:()螺旋线弯道半径大线路通视条件好,汽车直进行驶不需经常改变运行速度道路通过能力强()工作线的长度和推进方向会因采场条件的变化而发生变化生产组织较为复杂()各开采水平之间有一定的影响新水平准备和采剥作业程序较为复杂()要求采场四周边帮的岩体均较为稳固有的矿山将出入沟以迂回形式布置在采场一侧的非工作帮上称为迂回布线(图)。迂回布线要求布线边帮的岩石较为稳固地质条件允许时一般将迂回线路布置在矿体下盘的非工作帮上这样可以使工作线较快接近矿体减少初期剥岩量。迂回线路布置在矿体上盘非工作帮时虽然工作线到达矿体的时间长但可减少矿石的损失和贫化。当然视具体条件也可将迂回线路布置在采场的端帮。线路迂回曲线的半径必须大于汽车运行的最小转弯半径故在迂回区段需留较大的台阶宽度。在生产规模大、服务年限长的矿山其选厂和废石场不在采场的同一方向或分散设置废石场时为了分散矿岩运量缩短运输距离图采场扩延过程示意图图迂回式布线示意图减少运输干扰可同时布置两套或更多迂回线路增加出入沟数目。但线路增多会减缓最终帮坡角增加最终境界内的平均剥采比。与螺旋布线相比采用迂回布线时开采工作线长度和方向较为固定各开采水平间相互影响小故生产组织管理简单。但行车条件不如螺旋布线。有些矿山采用上部迂回布线、下部螺旋布线的所谓“联合布线”形式。采用联合布线的矿山往往是由于采场下部尺寸小迂回布线发生困难。图所示的采场扩延过程的另一特点是每一新水平的掘沟位置选在最终边帮上出入沟固定在最终边帮上不再改变位置。这种布线方式称为固定式布线。由于矿体一般位于采场中部(缓倾斜矿体除外)固定布线时的掘沟位置离矿体远开采工作线需较长时间才能到达矿体。为尽快采出矿石可将掘沟位置选在采场中间(一般为上盘或下盘矿岩接触带)在台阶推进过程中出入沟始终保留在工作帮上随工作帮的推进而移动直至到达最终边帮位置才固定下来。这种方式称为移动。采用移动式布线时台阶向两侧或呈扇形推进(图)。式布线无论是固定式布线还是移动式布线新水平准备的掘沟位置都受到一定的限制这在固定螺旋式布线时尤为明显。这种限制会使新水平准备延缓影响开采强度。在实践中可充分利用汽车运输灵活机动的特点以掘进临时出入沟的方式尽早进行新水平准备。临时出入沟一般布置在既有足够的空间又急需开采的区段(图a)。临时出入沟到达新水平标高后以短段沟或无段沟扇形扩展(图b)。临时出入沟一般不随工作线的推进而移动。当固定出入沟掘进到新水平并与工作面贯通后汽车改用固定出入沟临时出入沟随工作线的推进而被采掉(图c)。三并段图所示的采场扩延过程中每一台阶推进到最终边帮时均与上部台阶之间留有安全平台。在实际生产中常常在最终边帮上每隔两个或三个台阶留一个安全平台将安全平台之间的台阶合并为一个并段。图c中米台阶与米台阶在上侧最终“高台阶”称为边帮实行了并段。由于并段后台阶的高度增加石块滚落到安全平台上的滚落速度也加大故实行并段后的安全平台宽度应适当加宽。一般是每并入一个台阶安全平台的宽度增加左右。选择安全平台的宽度时还应考虑最终帮坡角的要求。若依据滚石安全要求所设置的安全平台宽度使最终帮坡角大于最大允许帮坡角时需增加安全平台宽度。图移动式布线示意图图采用临时出入沟的采场扩延过程示意图

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