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第十五章 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15-1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15-2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15-2中的上部台阶称为188 - 200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2 / 3。另一方面，为避免挖掘过程中 图15-1 露天采场平面投影与剖面示意图 a a W W A H H A 200m 200m 176m 176m 188m 188m 图15-2 台阶几何要素 台阶坡面 坡顶线 A-A 坡顶面 坡底线 台阶坡面 坡底面 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15-3所示是斗容为6.88m3的电铲，其各种作业技术规格列于表15-1。从表 15-1中可知，该挖掘机的最大挖掘高度是13.26m。若选用这样的电铲 ，台阶高度定为12m较为合适。 在品位变化大、矿物价值高的矿山（如金矿），开采选别性是制约台阶高度的重要因素。开采选别性系指在开采过程中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10m，以12m15m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10m，以68m最为常见。 图 15-3 电铲作业技术规格图解 表 15-1 图15-3中电铲的作业技术规格 斗容6.88m3 起重臂长度12.65 m 起重臂倾角45。 有效斗杆长度7.77m 斗杆全长9.38m 最大卸载高度A8.54m 最大卸载半径B114.48m 最大卸载半径处的卸载高度A16.25m 最大卸载高度处的卸载半径B13.87m 最大挖掘高度D13.26m 最大挖掘半径E16.62m 站立水平挖掘半径G10.75m 下挖深度H2.59m 天轮顶距地面的高度I12.88m 天轮外缘回转半径J12.20m 机体尾部回转半径K6.02m 机体包括驾驶室宽度S6.86m 司机视线水平高度U5.49m 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90。）。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15-2是均质 岩体中台阶坡面角与岩石硬度的大体关系。表15－3列出了国内部分金 属露天矿的台阶坡面角取值。 表15－2 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 814以上70～75 3～860～70 1～350～60 表15－3 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70 东鞍山铁矿75 南芬铁矿4850岩石层理倾角 大石河铁矿65 白云鄂博铁矿70 白银厂铜矿70 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、工作平盘）。如图15-4所示，工作台阶上正在被爆破、采掘的部分称为爆破带，其宽度 H W Wc Ws Ws 安全平台 爆破带 W Wc Ws 采区宽度 爆破带 安全平台 采掘方向 台阶推进方向 图 15-4 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2/31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1/3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15-5），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35。左右）。 图 15-5 安全挡墙 第三节 掘沟 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15-6所示，假设152m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140m水平的出入沟，以便开 采 140-152m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100吨以上的大吨位矿用汽车，出入沟的坡度一般在8％10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12m、出入沟的坡度为8时，出入沟的长度为150m。 图 15-6 出入沟与段沟示意图 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。 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15-7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12m，坡度为8％，穿孔设备 选用250mm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25m范围内的炮孔深度为4.5m，此后各区段的炮孔与拟形成的出入沟坡面保持2m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 区段2 爆破 区段3 爆破 区段1 4.5x4.5 5.5x5.5 6.0 x6.0 6.5x6.5 6.5x6.5 4.5m 25m 30m 35m 段沟 2m 12m 50m 35m 图 15-7 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15-7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。最小沟底宽度是满足采运设备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15-8和15-9）。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15-8）。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 WDmin 2G15-1 式中，G为电铲站立水平挖掘半径。若选用图15-3所示的电铲，从 表15-1中查得G为10.75m。则最小沟底宽度为21.5m。 另一种更节省空间的采装方式是双侧交替采装（图15-9）。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 WDmin G K 15-2） 式中，K为电铲尾部回转半径。若选用图15-3中的电铲，从表15-1查 得G＝10.75m，K6.02m，计算出WDmin ＝16.77m 17m。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15-10和图15-11）。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（WD ） 是由汽车的作业技术参数决定的，可用下面的公式计算 折返调车 WD R l d/2 2e 15-3 环形调车 WD 2R d 2e 15-4 K G B B G K 图 15-9 沟外调头双侧交替采装 G G B 图 15-8 沟外调头中线采装 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。 l e e d R R l e e d d R R 图 15-10 沟内折返调车 图 15-11 沟内环形调车 若采用Webco-120c109吨）汽车，R12.4m，l11.37m，d6.197m ，并设e1.5m。则折返和环形调车时的沟底宽度分别为30m和34m。 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15-12， 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15-12 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。 图 15-13 推土机开掘单壁沟 图 15-12 山坡露天矿剖面示意图 H 最终境界 矿体 封闭圈 如果山坡为较为松散的表土或风化的岩石覆盖层，可直接用推土机 在选定的水平推出开采所需的工作平台图15-13）。如果山坡为硬岩或 坡度较陡，则需要先进行穿孔爆破，然后再行推平。 山坡单壁沟也可用电铲掘出（图15-14），电铲将沟内的岩石直接 倒在沟外的山坡堆置，不再装车运走。沟底宽度应与电铲作业技术规格相适应。从图15-14可以看出，沟底宽度为 WD G T e15-5 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。 WD G e T 图 15-14 电铲开掘单壁沟 12