露天开采境界确定的手工方法.doc

露天开采境界确定的手工方法 目前，在我国的露天开采设计中，广泛采用nj≤njh原则确定境界。现将确定露天开采境界的步骤和作法分述于下。 一）、确定露天矿最小底宽 露天矿最小底宽应满足采装运输设备的要求，保证矿山工程正常发展。 采用铁路运输时，露天矿的最小底宽为 Bmin2RwhT3e-hLcotα 8-18 式中 Bmin一一露天矿最小底宽，m； Rwh挖掘机机体回转半径，m； T一一铁道线路宽度，m； hL一一挖掘机机体底盘高度，m； e一一挖掘机机体、边披及车辆三者间的安全距离，e1.0～1.5m； α一一露天矿最下一个台阶的坡面角，（）。 当采用汽车运输时，底宽应满足汽车调车要求。当采用回返式调车时，其底宽为 Bmin2Rcmin0.5bce 8-19 若采用折返式调车，则 BminRcmin十0.5bc十2e0.5le 8-20 式中 Rmin汽车最小转弯半径，m； bc汽车宽度，m； e汽车距边坡的安全距离，m； lc--汽车长度，m。 在确定露天开采境界时，若矿体厚度小于最小底宽，底平面按最小底宽绘制；若矿体厚度比最小底宽大得不多，底平面可以矿体厚度为界；若矿体厚度远大于最小底宽，通常按最小底宽作图，并按下列因素确定露天矿底的位置 1使境界内的可采矿量最大而剥岩量最小； 2使可采矿量最可靠，通常露天矿底宜置于矿体中间，以避免地质作图误差所造成的影响； 3根据矿石品位分布，使采出的矿石质量最高； 4根据岩石的物理力学性质调整露天矿底位置，使边坡稳固且穿爆方便。 二）、选取露天矿最终边坡角 露天矿的最终边坡角，对剥采比有很大的影响。 随着开采深度增加和边坡角的减小，所需的剥岩量会急剧增加，因此从经济效果考虑，希望边坡角尽可能大；然而，有不少矿山由于盲目追求陡边坡而造成滑坡事故，严重影响生产。因此，选择时应同时考虑安全因素和经济因素，在保证露天矿安全前提下，最终边坡角尽可能大些，以减少剥离量。 由于边坡稳定受岩体物理力学性质、地质构造、水文地质、边坡破坏机理、爆破震动效应等一系列因素的影响，尽管目前有许多数学计算方法〈如二维、三维极限平衡计算法，有限元分析法，概率统计分析法等初始边坡优化设计方法〉，以及借助于数学模型和电算程序来提供科学数据，但在实际应用中还不够完善。因此，矿山设计选取边坡角时，多采用类比法，即参照类似矿山的实际资料选取。工程地质条件复杂的矿山，在进行设计的同时，由研究部门通过系统的工程地质调查后，用计算方法确定。 所谓类比法，即设计部门根据工程实践，按照组成边坡岩体的地质条件、水文地质条件、边坡高度及其形状、存在年限等因素，由大量的统计资料和经验数表并结合设计者的经验选取边坡角的方法。表8-1所列边坡角，为冶金矿山设计部门用类比法初选边坡角时的经验参考值。 表8-1 边坡角初选时的经验参考值 岩石 类型 f 岩石名称 台阶坡面角 高度为下列值时的稳定边坡角 工作的 非工作的 90m 90-180m 180-240m 240-300m 极硬 15-20 最坚硬致密的石英岩、玄武岩及其他极硬岩石，特别硬的花岗岩、石英斑岩、砂质页岩、各种石英岩，极硬的砂岩和石灰岩 80-90 75-85 60-68 57-65 53-60 48-54 坚硬 8- 14 密质的花岗岩、特硬砂岩及石英岩脉，特硬铁矿、石灰岩、不坚硬的花岗岩、硬砂岩、硬大理岩、白云岩、铁矿石 70-80 70-75 50-60 48-57 45-53 42-48 中硬 3-7 普通砂岩、铁矿、砂质页岩、片状砂岩、坚硬粘土质页岩、非坚硬砂岩、石灰岩、软岩、各种页岩、密质泥灰岩 60-70 60-65 43-50 41-48 39-45 36-42 软 1-2 侏罗纪粘土、软质石灰纪粘土、油性粘土、含有小碎石和砾石的重砂质粘土、漂砾石、片状粘土、块度达90mm砾石 45-60 45-60 30-43 28-41 26-39 24-36 极软 0.5- 0.9 软油性粘土、轻重砂质粘土、湿的松散黄土、种植土泥炭、腐植土、砂腐植土、含小碎石的砂质垆姆 35-45 25-40 21-30 20-25 在设计中用类比法选取的边坡角，应满足矿山生产技术上的要求。为了保证矿山正常 生产，露天矿边坡通常由安全平台、清扫平台、运输平台及相应的坡面组成,如图8-2-9所示。 图8-2-9 露天矿的边坡组成 安全平台a，一般不小于4m。清扫平台b，一般每隔2～3个台阶设置一个，其宽度要保证清扫运输设备正常工作。当运输平台与安全平台或清扫平台重合时，其宽度要增加1～2m。近年来，鉴于安全平台和清扫平台往往因宽度不够而起不到应有作用，不少矿山取消安全平台，将两个台阶合并在一起，然后设一个宽达8～12m的清扫平台。还有人提出将4～6个台阶合并，设一个更宽大的清扫平台，以便清扫工作能采用大型设备。水平运输平台c和倾斜运输平台d，其位置根据开拓系统布置的运输线路确定。它们的宽度取决于运输设备类型、规格和线路数目。露天矿运输平台最小宽度资料见表8-2、8-3、8-4。 表8-2 露天矿准轨铁路运输平台最小宽度（m） 设备类型 线路平面情况 单线 双线 三线 电机车 直线 曲线 7.5 8.0 12.0 12.5 17.5 18.0 表8-3 金属露天矿窄轨铁路运输平台最小宽度（m） 机车类型 车辆最大宽度m 单 线（mm） 双 线（mm） 600轨距 762轨距 900轨距 600轨距 762轨距 900轨距 电机车 2.4～2.8 1.9～2.3 1.4～1.8 1.3 - - 5.3 5.1 6.0 5.7 5.5 - 6.1 5.8 5.6 - - - 8.5 7.5 10.5 9.5 8.5 - 10.5 9.5 8.5 - 表8-4 汽车运输平台最小宽度（m） 车宽分类 一 二 三 四 五 六 车身计算宽度m 载重量t 2.5 7 3.0 20 3.5 30 5.0 68 6.0 100 7.0 154 运输平台宽m 单线 双线 8 11.5 9 13 10 14.5 12 17.5 15 22.5 18 26 最终台阶坡面角与岩石性质，岩层的倾角、倾向、构造、节理，以及穿爆方法等因素有关。例如，当岩层倾角大于30，并且岩层层理较发育时，若选取的台阶坡面角大于岩层倾角，岩石容易滑落。这时应取台阶坡面角等于岩层倾角。露天矿设计一般采用的最终台阶坡面角资料见表8-5。 表8-5 台阶坡面角参考资料 岩石坚固性系数f 15～20 8～14 3～7 1～2 台阶坡面角（） 75～85 70～75 60～65 45～60 当各种平台确定之后，露天矿最终边坡角可按下式计算 （8-21） 式中 β最终边坡角，（）； n台阶数目； h台阶高度，m； α台阶坡面角，（）； a安全平台的宽度，m； b清扫平台的宽度，m； c水平运输平台的宽度，m； d倾斜运输平台的宽度，m。 n1、n2、n3、n4分别为安全平台、清扫平台、水平运输平台和倾斜运输平台数目。 上述按安全条件和技术条件确定的最小边坡角，便是露天矿的最终边坡角。不过，对缓倾斜矿体来说，若边坡角大于矿体倾角，则最终边坡角应沿矿体下盘布置，以便充分采出下盘矿石。如图8-2-10所示，应以cd作境界线，而不能用cd’。 图8-2-10 缓倾斜矿体下盘的边坡角 我国部分露天矿最终边坡组成资料见表8-6，国外部分露天矿边坡角资料见表8-7。 表8-7 国外部分露天矿边坡角资料 表8-6 我国部分露天矿山最终边坡组成 三）、确定露天矿开采深度 1.长露天矿开采深度的确定 露天矿走向长度大时，首先是在各地质横剖面图上初步确定开采深度，然后再用纵剖面图调整露天矿底部标高。 1在各地质横剖面上初步确定露天开采深度 首先，在各横剖面图上作出若干个深度的开采境界方案〈图8-2-11〉。当矿体埋藏条件简单时，深度方案取得少一些；矿体复杂时，深度方案取多些，并且必须包括境界剥采比有显著变化的深度。绘制境界时，依据前面选定的最小底宽和边坡角，这时既要注意露天矿底 在矿体中的位置，还要鉴别该横剖面图上的边坡角是实际的还是伪倾角。若为伪倾角，则 需进行换算。 其次，针对各深度方案，用面积比法〈图8-2-11方案H1〉或线段比法图8-2-11方案H3计算其境界剥采比。 最后，将各方案的境界剥采比与开采深度绘成关系曲线〈图8-2-12〉,再画出代表经济合理剥采比的水平线，两线交点的横坐标Hj,就是所要求的开采深度。 图8-2-11 长露天矿开采深度的确定 图8-2-12 境界剥采比与深度的关系曲线 至此，完成了一个地质横剖面图上露天开采理论深度的确定。按同样的方法，可将露天矿范围内所有横剖面图上的理论深度都确定下来。 应当指出，在确定厚矿体的开采深度时，鉴于露天矿底的位置不易确定，有时先按矿体厚度而不是最小底宽作图图8-2-13，然后继续向下无剥离采矿，直至最小底宽为止。这时，作为露天开采的最终深度，显然是最初确定的深度与无剥离开采深度之和。 图8-2-13 厚矿体的无剥离开采 H1-最初确定的开采深度；H2-无剥离开采的深度 H-最终的露天开采深度 〈2〉在地质纵剖面图上调整露天矿底部标高 在各个地质横剖面图上初步确定了露天开采的理论深度后，由于各剖面的矿体厚度和地形变化不等，所得开采深度也不一。将各剖面图上的深度投影到地质纵剖面图上，连接各点，得出一条不规则的折线图8-2-14中的虚线。 图8-2-14 在地质纵剖面图上调整露天底平面标高 虚线是调整前的开采深度；实线是调整后的开采深度 为了便于开采和布置运输线路，露天矿的底平面宜调整至同一标高。当矿体埋藏深度沿走向变化较大，而且长度又允许时，其底平面可调整成阶梯状。调整的原则是，使少采出的矿石量与多采出的矿石量基本均衡，并让剥采比尽可能小。图8-2-14的实线便是调整后的设计深度。 2.短露天矿开采深度的确定 对于走向短的露天矿，需要充分考虑端帮剥离岩石量的影响。在确定开采深度时，用平面图把露天矿作为一个整体来考虑，其具体步骤如下 1根据矿体形状和已确定的经济合理剥采比，选定几个可能的深度方案H1、H2、H3、等； 2针对每一个深度方案，在相应的分层平面图上，按选定的最小底宽并参照矿体形状,绘出该水平的底部周界D图8-2-15a； 图8-2-15 短露天矿开采深度的确定 a平面图；b第Ⅳ勘探线剖面图；c1-1’辅助剖面图 〈3〉在同一分层平面图上，进一步确定露天矿地表周界L及边坡上矿岩接触线的垂直投影S。在各横剖面图及纵剖面图上，按选定的边坡角作边坡线图8-2-15b,找出每条边坡线与地形及矿岩接触线交点，然后投影到分层平面图上图上的a、b、c、f点。在没有剖面的地方，则在分层平面图上，选有代表性的各点作垂直于底部周界的辅助剖面图8-2-15c的1-1，然后在辅助剖面图上绘出边坡线，找出它与地形线及矿岩接触线的交点，再投影到分层平面图上。最后，将上述横剖面、纵剖面、辅助剖面的投影点连接，即得露天矿地表周界和边坡面上矿岩接触线的垂直投影； 4按平面图法计算各深度方案的境界剥采比nj1、nj2、nj3、； 5绘制境界剥采比,nj随深度H变化的关系曲线，在曲线上找出境界剥采比等于经济合理剥采比的深度。这一深度就是露天矿的合理开采深度。 四）、绘制露天矿底部周界 无论是长露天矿还是短露天矿，调整后的开采深度往往不再是最初方案的深度，因此需要重新绘制底部周界，如图8-2-16所示，其步骤为 图8-2-16 底部周界的确定 理论周界； 设计周界；F1、F2断层 1按调整后的露天开采深度，绘制该水平的地质分层平面图； 2在各横剖面、纵剖面、辅助剖面图上，按所确定的露天开采深度绘出境界； 3将各剖面图上露天矿底部周界投影到分层平面图上，连接各点，得出理论上的底部周界图8-2-16上的虚线； 4为了便于采掘运输，初步得出的理论周界，尚需进一步修整，修整的原则是 1底部周界要尽量平直，弯曲部分要满足运输设备对曲率半径的要求； 2露天矿底的长度应满足运输线路的要求，特别是采用铁路运输的矿山，其长度要保证列车正常出入工作面。 这样得出的底部周界，就是最终的设计周界，如图8-2-16的实线所示。 五）、绘制露天矿开采终了平面图 露天矿开采终了平面图的绘制方法是 1将上述露天矿底部周界绘在透明纸上。 2将透明纸覆于地形图上，然后按边坡组成要素，从底部周界开始，由里向外依次绘出各个台阶的坡底线图8-2-17。很明显，露天矿深部各台阶的坡底线在平面图上是闭合的，而处在地表以上的则不能闭合，但要使其末端与相同标高的地形等高线密接。 3在图上布置开拓运输线路。 4在底部周界开始，由里向外依次绘出各个台阶的坡面和平台图8-2-18。绘制时,要注意倾斜运输道和各台阶的连接。在圈定各个水平时，应经常用地质横、纵剖面图和分层平面图校核矿体边界，以使在圈定的范围内矿石量多而剥岩量少。此外，各水平的周界还要满足运输工作的要求。 图8-2-17 初步圈定的露天开采终了平面图 当开采方案简单或设计技术成熟时，上述2、3、4步可以合并，亦即绘出露天矿底部周界后，根据选定的开拓运输方式及出入沟口位置，自里向外绘出各个台阶的平台和坡面，一次绘出露天矿开采终了平面图。 5检查和修改上述露天开采境界。由于在绘图过程中，原定的露天开采境界常受开拓运输线路影响而有变动，因而需要重新计算其境界剥采比和平均剥采比，检查它们是否合理。假如差别太大，就要重新确定境界。此外，上述境界还要根据具体条件进行修改。例如，当境界内有高山峻岭时，为了大幅度减小剥采比，就需要避开高山部位；又如，当境界外所剩矿量不多，若全部采出所增加的剥采比又不大，则宜扩大境界，全部用露天开采。 总之，露天开采境界的确定，是一个复杂的课题。在设计工作中，既要遵循基本原则,又要机动灵活地适应具体的条件，使境界确定得更加合理。应该指出，本节所阐述的，是指矿体一一围岩界线已知的境界确定。通常铁矿床的开采境界就是这样确定的。但是，对于浸染状铜矿之类的矿床，其矿石与围岩的界线不明显，境界圈定的课题有时就和边界品位的确定综合在一起。随着边界品位的变动，矿体与围岩的界线及矿石量也将发生变化，相应地露天开采境界也不一样。单就某一边界品位而言，由于矿体界线和矿石储量已相对给出，其境界确定方法还是如本节所述。只不过这一境界并不一定就是所采纳的最终境界，它尚需结合边界品位，从整个矿床开采的经济效果去衡量。 应该指出，上述方法均是在选用的若干地质剖面图上确定开采深度，并据此圈定露天开采境界。这种确定露天开采境界的方法，虽然仍被广泛应用，但由于所选剖面并不一定垂直露天矿边坡走向，上部交角与深部交角不一，上盘交角与下盘交角不一的现象屡见不鲜，所以用剖面图上矿岩面积相比来模拟真正剥采比，有时会产生很大的误差，因而所确定的露天开采境界，往往难以获得经济上最优的结果。而当今发展起来的借助于矿床模型，通过电子计算机程序以确定露天开采境界的方法，则可以成为最佳采场境界的确定方法。 六、露天矿开采境界合理确定与安全的关系 由于开采是从上向下逐台阶开采、致使上部台阶先期开采到境界，部分形成固定边坡，而且要求在较长时间内保持稳定、不发生大量滑坡。从操作上讲，最终边坡角越小越安全。但最终坡面角过小，会在开采过程中增加大量的剥岩量，导致矿山经济效益恶化。如果加大最终边坡角，超出出了安全稳定的角度，会造成边坡滑坡，危及采场作业人员的安全。在国内某大型露天矿山曾发生几十万m3的滑坡事故，给矿山造成很大的经济损失，因此不能盲目加大最终边坡角，以防事故发生。国内一些矿山的最终边坡角变化在35～65左右。