第09章 露天矿生产能力与采掘进度计划.ppt

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NWK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。,,,,延深速度有两个概念，一个是矿山工程近深速度，另一个是采矿工程延深速度。矿山工程延深速度是根据新水平的准备时间及其台阶高度，折合每年下降的进尺来计算。采矿工程延深速度是指开采境界内每年采出矿体的垂直深度。两者的几何关系及数值关系如上图（a）所示，即,,露天矿按延深速度可能达到的生产能力用下式计算从上两公式可以看出，生产能力与矿山工程延深速度成正比。因此，按延深这度确定可能的生产能力可以归结为论证可能达到的延深速度。在台阶高度不变时，矿山工程延深速度取决于新水平的准备时间。新水平准备一般包括上一水平为保证新水平掘沟所需的扩帮工程及新水平出入沟、开段沟的掘沟工程。完成这些工程所需时间即新水平准备时间，它随采用的设备及工艺方式、工程顺序等条件的不同而异。,,设计中，新水平准备时间及矿山工程延深速度可以参照类似矿山的实际资料选取，也可以通过编制新水平准备的进度计划来确定。下面以汽车运输为例说明新水平准备时间的确定。某矿设计采用载重68t的汽车运输，7.6m3挖掘机采装，挖掘机效率为120～130万m3/台年。沿矿体上盘掘开段沟，向顶、底帮推进，移动坑线推至底帮成固定坑线，出入沟纵坡为8％～10％，台阶高度12m，沟底宽度30m，最小工作平盘宽度50m。新水平准备工程当开段沟掘进400m后，边掘开段沟，边向顶帮扩帮。当扩帮宽度达71m后，又开始下一水平的掘沟工作。工程布置情况见如下几个图片，各项工程的进度见课本表9-1。,,,,,,从表9-1可以看出，新水平准备工程完成一个循环所需时间为7.6个月，台阶高度是12m，因此矿山工程延深速度为19m/a。对于采用大型采掘设备的现代露天矿，技术上可能达到的生产能力主要取决于矿山工程延深速度。因此，目前设计中通常依据计算的分层矿量和选定的矿山工程延深速度估算可能达到的生产能力。,9.1.3按经济台理条件确定生产能力,对于技术上可能的生产能力，尚需按经济合理条件进行优化，以寻求经济上最佳的生产能力。目前，国内主要是按矿山服务年限加以分析论证。显然，露天矿合理的服务年限应与主要生产设备的寿命以及矿山工业构筑物、建筑物和后续工业设施的折旧年限相适应。若服务年限过短，除采装运输设备及部分机具可折旧处理外，其他固定资产将提前报废，造成经济损失。,,露天开采境界内的矿石工业储量圈定后，原矿的生产能力决定了露天矿的服务年限，两者的关系是露天矿合理服务年限受诸多因素影响，尤其与矿山生产规模密切相关。国内矿山规模类型的划分见课本表9-2，一般矿山服务年限的确定可参考课本表9－3。,,泰勒公式是反应矿石工业储量与矿山经济寿命之间合理关系的经验公式，确定露天矿服务年限时可以参考。该公式可写作,9.2露天矿生产剥采比,露天矿为了保持一定的生产能力，经济、持续地开采境界内的矿石，就要合理地推进矿山工程。通常，露天矿每个水平分层按先掘出人沟和开段沟再扩帮的程序进行开采。在开采时间和空间上，上部水平的矿山工程进展先于和超前下部水平；在工程形式和内容上，上一水平扩帮为下一水平掘沟提供条件，上部台阶一般是剥离台阶，而下部台阶一般是采矿台阶。因此，上下台阶的时空超前关系，反映了剥离与采矿的时空超前关系。露天矿除基建时期大量剥离而不采矿或附带采出少量矿石外，正常生产时期都要一边剥离一边采矿，剥离工作必须超前采矿工作，这是一条不能违背的客观规律。反映采剥关系的数量指标是生产剥采比和储备矿量。,9.2.1生产剥采比的变化规律,露天开采过程中，工作帮的范围和位置随着矿山工程的进展不断变化，剥离岩石量和采出矿石量也相应变化从而使生产剥采比发生变化。1）露天矿工作帮露天矿工作帮及其帮坡角φ与生产剥采比的变化有密切联系。现代露天矿，根据工作帮坡角的大小，可分为缓帮（φ＝80～150）和陡帮（φ＝160～350）两种开采方式。缓帮开采的特点是，组成工作帮的工作台阶各自独立开采（下图所示）。,,,因此，每个台阶必须保待正常或最小的工作平盘宽度。缓帮开采的工作帮坡角。可用下式计算通常h和a是定值，因此φ随B变化。当B＝Bmin时，φφmax；当单台阶逐个开采时φφmin0。由此可知，B值的改变可以调节φ。,,随着露天采矿技术的发展及大型设备的使用，出现了陡帮开采工艺，这种开采工艺一般用于剥离台阶。陡帮开采可分为组合台阶开采和倾斜条带开采两种主要形式。组合台阶开采是把采掘台阶分为若干组，每组由3～6个台阶组成，其中包括一个作业台阶和若于暂不作业台阶（下图所示）。作业台阶保留工作平盘宽度，其他台阶均保留安全平台宽度。每组台阶一般只配一台挖掘机，自上而下逐个台阶轮流作业，上一个台阶推进预定宽度后，设备转到下一台阶。当一组中的所有台阶均推进到预定位置后，即完成一个开采循环，循环周期一般为3～5a。,,,如上图所示，工作平台宽度Bp是扩帮宽度和安全平台宽度之和，该值不能小于最小工作平盘宽度。根据国内部分矿山的设计资料，Bp4060m。安全平台宽度b以能截留大部分爆破滚碴为宜，一般为10～20m。组合台阶工作帮坡角按下式确定,,倾斜条带开采（如下图所示）是把剥岩帮划分为若干倾斜条带，由里向外逐条带扩帮，各台阶从上而下尾随式开采。尾随的工作平台长度根据运输方式和工作面运输线路的布置确定，一般为150～250m。各台阶除正在作业的地段留有较宽的工作平台外，其余地段仅留安全平台即可。每个台阶设一台挖掘机，双侧进车时，可设置2台。当每个台阶全长都推进预定宽度后，即完成一个循环周期，每个周期一般为1～3a。,,,,陡帮开采的主要优点是基建剥离量小、投产早、达产快、初期生产剥采比小。此外，由于推迟了最终边帮岩体的暴露，有利于边帮的稳定与维护。2）生产剥采比的变化规律露天矿的采剥工程按一定的工作帮坡角发展时，生产剥采比通常是变化的。下面以一个示例来研究其变化规律。矿体赋存情况和开采境界如下图所示。采场沿底帮掘沟，工作帮由下盘向上盘推进，矿山工程延深方向与矿体倾向一致。按固定的工作帮坡角φ开采时，矿山工程延深到各水平的工作帮位置，如图中一组平行的斜线所示。每延深一个水平所采出的矿石量、岩土量及剥采比用下图中的曲线表示。,,,,从这些图示可以看出，工作帮坡角不变时，生产剥采比随着矿山工程的延深而变化。最初只剥离不采矿，随后开始出矿，这时生产剥采比随着矿山工程的延深而不断增大，达到一个最大值后逐渐减小。这个最大值称为剥离洪峰或剥采比高峰。高峰期一般发生在凹陷露天矿工作帮上端接近上部最终境界线的部位。生产剥采比的这种变化是开采倾斜和急倾斜矿体的普遍规律。,,工作帮坡角的大小对生产剥采比的演变有较大的影响。例如，在其他条件相同的情况下，工作帮分别按φ＝150和φ＝300两种方式延深（如下图第一幅），相应的生产剥采比变化曲线如下图第二幅所示。,,,,从图示可以看出，工作帮坡角取不同值时，生产剥采比的变化仍然是由小到大，再由大变小。但工作帮坡角较陡时剥离洪峰发生在较大的开采深度。工作帮坡角越小，生产剥采比与分层剥采比的变化曲线越接近，剥采比初期上升较快，剥采比高峰发生较早，然后在一个很长的时间剥采比逐渐下降。反之，工作帮坡角越大，生产剥采比与境界剥采比的变化曲线越接近，即剥采比上升较慢，时间较长，剥采比高峰出现较晚，高峰之后剥采比急骤下降。综上所述，工作帮坡角越大，初期生产剥采比越小。显然，这对于减少投资、降低初期生产成本、早出矿、多出矿是有利的。,9.2.2生产剥采比的调整与均衡,1）问题及意义矿岩生产能力若固定不变，由公式（9-1）可知，矿石产量的大小取决于生产剥采比。由于生产剥采比经常变化，则矿石产量也随之变动。矿石产量的频繁变动对原矿后续加工生产是不利的，故要求矿石产量相对稳定。为了保持矿石产量稳定而让矿岩生产能力随生产剥采比不断变化也不合适，如到剥采比高峰期就要大量增加生产设备和人员，高峰过后又要裁减，这种短期的波动显然是不经济的。因此，提出了调整生产剥采比使之均衡的问题，即让生产剥采比在一定时期内保持稳定，从而使露天矿的设备和产量也相对稳定。,,2）调整方法调整生产剥采比的基本方法是调整工作台阶间的相互位置，即改变工作平盘宽度。如下图所示，若将高峰期剥离量的一部分（∆V1m3）提前，另一部分（∆V2m3）推后，这样便削减了剥采比峰值。其减少的剥采比（∆nm3/m3）为改变工作平盘宽度有一定限度。工作平盘宽度减小后不得窄于最小工作平盘宽度，加大后应使工作帮保持足够的工作台阶数目，以满足配置采掘设备的需要。调整生产剥采比，除了采用改变工作平盘宽度的方法之外，还可以运用改变开段沟长度改变矿山工程延深方向和改变工作线推进方向等方法来实现。,,,3）均衡分期,生产剥采比的均衡有全期均衡和分期均衡两种方式。前者表示在露天矿整个或主要生产时期按一个均衡生产剥采比进行生产；后者表示按若干不同的均衡生产剥采比进行生产。均衡生产剥采比是指经过调整并在某一时期内保持稳定的生产剥采比。以下两图表示一个存在年限很长的大型露天矿，分别采用不均衡（φ＝300）、分期均衡和全期均衡三种方式时，生产剥采比变化曲线示意图。图中HⅠ、HⅡ、HⅢ表示分期均衡的分期开采深度；nⅠ、nⅡ、nⅢ表示各期的均衡生产剥采比；nc为深度HⅢ以上采用全期均衡的均衡生产剥采比。,,,,,,一般情况下，对于存在年限不长的小型矿山，全期均衡问题不突出。对于大、中型矿山，全期均衡要大量提前剥离，这意味着要把几年甚至十几年后的工程提前投资，这显然是不经济的。因此，大、中型矿山宜采用分期均衡。均衡生产剥采比的分析和拟定可在矿岩变化曲线Vf（P）图或生产剥采比变化曲线nf（P）图上进行，也可以采用经验系数法或最大水平分层矿岩量法进行粗略估算。,9.2.3储备矿量,露天矿储备矿量亦称生产准备矿量，是指开拓和剥离为采矿所准备的矿量。对于生产矿山，保有一定的储备矿量，是维持正常生产的可靠方法。对于基建矿山，其采剥工程的基建投资是按投产或达产时应保有的储备矿量所需的工程量拨付的，因此储备矿量也是关系到基建投资的重要指标。目前，国内金属矿山、非金属矿山和化工原料矿山倾向于将储备矿量划分为开拓矿量和回采矿量两级。,,1）开拓矿量指开拓工程已完成，主要运输枢纽已形成，并具备了采准工作条件的新水平底部标高以上的矿体矿量。2）回采矿量指位于采矿台阶最小工作平盘宽度以外，其上部和侧面已被揭露的矿体矿量。回采矿量是开拓矿量的一部分。两级储备矿量的演化及图示见下表。,,,,储备矿量过多，意味着过早进行开拓和剥离工作，会积压生产资金。因此，应该有一个能满足持续生产的合理储备矿量数值。这一指标可用露天矿按一定的生产能力开采的年数和月数来表示，称为储备矿量保有期或保有时间。储备矿量保有期可以根据矿山的矿体赋存状况、开拓运输方式、采装运输设备作业空间等因素核定。一般情况下，回采矿量保有期为3～6个月，开拓矿量保有期为1～2年。新建矿山投产时，开拓矿量和回采矿量保有期分别按设计规模和投产年年产量计算。,9.3露天矿采掘进度计划的编制,露天矿采掘进度计划是用图表形式表示设计或生产矿山采掘工程发展的时间进度、空间位置和数量指标及其相互关系的综合性文件。通过编制采掘进度计划，对初步拟定的矿山生产能力、均衡生产剥采比和储备矿量保有期予以验证及修正，并安排落实。因此，采掘进度计划要在全面系统地研究露天矿剥采关系、生产能力协调和各生产工艺配合的基础上编制。,,采掘进度计划分长远计划和生产作业计划。1）长远计划设计中以年为单位编制的采掘进度计划称为长远计划。它的主要任务是确定露天矿基建工程量、基建时间、投产和达产时间、均衡生产剥采比、矿石与矿岩生产能力、逐年工作线推进位置，以及计算各个时期所需的设备、人员和材料等。2）生产作业计划年、季、月的采掘计划称生产作业计划。年采掘计划以长远计划和用户要求的产品数量及质量指标为依据，安排年末、季末或月末的工作线推进位置，并计算穿爆、采装、运输、排土、机修等主要生产工艺和辅助车间的生产能力。长远计划与年采掘计划的编制方法基本相同，下面仅介绍如何编制长远计划。,9.3.1编制采掘进度计划所需的基础资料,编制采掘进度计划时必须具备下列资料和数据12000或15000的地形地质图；11000或12000的分层平面图，图上绘有矿床地质界线、开采境界、出入沟和开段沟的位置等；分层矿岩量计算表；露天矿开拓运输系统图，扩建或改建矿山的开采现状图；露天矿的台阶高度、采掘带宽度、采区长度、最小工作平盘宽度、工作线推进方向、矿山工程延深方式等有关开采参数；矿石回收率和废石混入率；穿孔、采装、运输设备的型号、数量和生产能力；露天矿开始基建的时间，要求的投产日期，以及规定的投产标准。,9.3.2露天矿生产时期划分和基建工程量,露天矿的存在年限，从开始建设到开采结束，可划分为基建、投产、达产和结束四个时期。1投产与达产露天矿投人生产必须具备下列条件正常生产所需要的外部运输、供电和供水等工程设施均应建成完整的系统；破碎站、选矿厂和压气、机修等辅助设施均应全部或分期建成并达到相应规模；矿山内部已建成完整的矿石和废石运输系统；基建剥离工程应保证矿山具有持续增长的生产能力，并保有相应的储备矿量；矿石产量和质量达到规定的指标，并在经济上要有所积累。露天矿投产时矿石产量指标和达产期限见课本表9－5。,,2）达产与设计计算年矿山达到设计生产能力后应保持较长的稳定时间，一般应超过服务年限的2/3。设计计算年是指露天采剥总量达到最大规模的初始年度。从这一年开始，将按设计矿石生产能力和最大均衡生产剥采比持续生产一段较长时间。在设计中将计算年的采剥总量作为计算矿山设备、动力、材料消耗、人员编制、建设规模及辅助设施的依据。,,3）基建工程量矿山基建工程项目一般包括采矿、选矿或矿物加工、运输、尾矿处理、机修、供电、供水、通讯、民用福利设施等。采矿基建工程项目包括以下内容露天矿达到设计规模以前所需完成的开拓及排水工程，主要有运输线路，开拓系统的沟道及井巷工程，和排水疏干的井巷工程及排水沟。露天矿投产以前掘进的开段沟、采矿和剥离工程。露天矿在基建时期使用基建投资完成的工程量叫做基建工程量。,9.3.3采掘进度计划的编制方法与步骤,编制采掘进度计划一般在平面图上进行，并以挖掘机年生产能力为计算单元。现以凹山铁矿为例说明具体编制方法。1）在分层平面图上逐年逐水平确定年末工作线位置根据挖掘机的年生产能力，从露天矿上部水平分层平面图开始，逐水平用求积仪在图纸上求出挖掘机的年采掘面积，绘出各水平年末线起止位置，并标出每一水平各年度的矿岩量及挖掘机台号，见下图所示。上下相邻水平同年份的年末工作线必须保持一定的超前距离，以满足最小工作平盘宽度及储备矿量、开拓运输线路布置、延深与扩帮关系等方面的要求。绘制具有年末位置线的分层平面图，可以确定挖掘机的作业起止时间及调配情况。各种情况下的挖掘机生产能力乃掘沟与扩帮，采矿与剥离，基建与生产等）可按类似矿山的实际资料选取。,,,,2）确定新水平投人生产的时间当上水平推进一定的宽度后，下水平才能开始掘沟，以保持上下相邻水平有足够的超前关系。挖掘机在上水平采掘规定宽度所需的时间，即为下水平滞后开采的时间。3）编制采掘进度计划表在分层平面图上确定年末工作线位置的同时，编制采掘进度计划表。该表可以表示每台挖掘机的工作水平，作业起止时间及其采掘量；新水平准备，出入沟、开段沟和各水平开采的起止时间；逐年采出的矿、岩量和生产剥采比；各水平矿、岩量及其种类；主要设备数量及调动情况；投产、达产和设计计算年的时间等，如课本表9-6所示。根据设计常规，采掘进度计划表一般要编制到设计计算年以后3～5年，以保证矿山生产持续稳定。,,4）绘制露天采场年末开采综合平面图该图亦称开采状况图或简称年末图，是以地质地形图和采掘分层平面图为基础绘制的，见下图。图中绘有坐标网、勘探线、地质界线，露天采场上部境界线和采场外的地形线，以及破碎厂、排上场等有关站点。该图主要表示矿山工程状况即各水平年末的开采位置及超前关系，挖掘机数量及配置，矿岩运输线路布置及各水平与破碎厂和排土场的运输联系。,,,,5）绘制逐年产量发展图表依据采掘进度计划表中各年的矿岩量数值，整理成逐年产量发展曲线（下图所示）和逐年产量发展表（见课本表9-7）。采掘进度计划只编制到设计计算年以后3～5年，后续的历年产量可按各水平矿石量比例及分层剥采比推算。,,,