国外露天采矿方法理论的发展.pdf

第 拍 卷 第 4期 I 9 9 9 有色金属设计 h ON FEKROUS NET AL 5 D巧 I G Vd 2 6 N o 4 】 9 9 9 国外露 天采矿方法理论 的发展 王泗代 中国有 色 昆明 公司 ，昆明6 5 0 1 摘要进 一步 阐明 了露天采矿方法的概念 、 实质及其 分类的基 础 ，提 出了延 深一 全 面法作 为一纽 独立采矿 方法应 用的特． 虽、条件 、范 围，指 出 了利 用模拟计 算 深入研 究采矿 方法发展 的必要性 和重要性 。 关键 词露天 开采延 深一 全面法模 拟计算 对采矿方法实质的理解 、模拟计算和应 用范 围的确定 ，涉及 到其他的露 天方法 与性 能对其作用 的程度 。由于存在这些 不同的联 系与作用范围，使对采矿方法的理解 、计算 与评价变得十分复杂。 采矿方法理论是矿山开采理论的一个主 要组成部分 ，在建立和发展露天采矿理论中 包括采矿方法 ，一些杰出的科学家和莫斯 科矿业学院～莫斯科矿业大学开创露天采矿 教学的奠基人教授 E 舍什可、科学 院院士 B B 热夫斯基，作出了巨大的贡献。 当前 ，由他们提 出的采矿方法概 念及其分 类 、引起了极大的科学兴趣。 舍什 可认为，采矿方法是对一定 的剥 离、开采工程与其他矿山工程进行综合实施 的方法 1 9 4 7年 。他把主要剥离过程中的 废石迁移方法作为采矿法分类的基础，更重 要的是 ，他把采矿方法划分成组，作为分类 的主要特征。舍什可研究了相对采矿作业线 的岩石迁移方向和将剥离废石运移的机械化 方法 如电铲 、专用推土机或运输设备等 作为分类的第二特征。 热夫斯基认为 ，采 矿方法是在露天矿 田 或矿段开采范 围内实施 采矿工程的顺序与程 序 1 9 6 8年 。他把采矿作业线在露天矿场 平面上与断面上推进 的方 向 ，作为采矿方法 分类的主要特征。 1 9 5 1 1 9 5 2年，科学院院士 H B 缅尼 可夫认为，采矿方法是废石运移到废石场的 方法和采用的运输设备类型。据此 ，他制定 了著名的采矿方法分类。 从 以上这 些观点看出 ，舍什 可 、缅尼 可 夫和热夫斯 基是分别以剥离岩石 的运移 方 向、剥离工作的机械化方法与采矿工程实施 的程序，作为露天采矿方法分类的基础。他 们提出的这些分类方法 ，是对以前完成大量 研究工作的重要科学总结，例如舍什可的开 拓与挖掘方法理论 ，缅尼可夫的露天采矿过 程机械化、热夫斯基的露天矿田与采矿作业 制度的几何分析。 露天采矿过程与辅助过程 的机械化方 法，还有例外的重要作用，因进步的机械化 设备没有被广泛应用 ，这一作用未得到充分 发挥 。因此 ，露 天采矿方 法要获得 优先发展 是不可能的。同时，采矿方法的发展 ，也不 能只归结为本身的机械化 ，而应该不断地从 科学研究中探索。热夫斯基在进行采矿方法 分类时 ，提出了相应的采矿综合机械化结构 * 收稿日期 1 9 9 9 0 6 2 9 维普资讯 有 色金 属 设计 第 卷 分类。后来 ，他又提出了采矿 、运输综合设 备分类 ，从 而区分 了采矿 方法 的概念 ，促进 了综合机械化理论的新发展。 在热 夫斯基的采矿方法 概念中 ，采矿作 业线确已参人了几何因素 这也是舍什可的 观点 ，但不 能就 此认 为采 矿法 归结 为 几何 结构是重复以前的科学思想，这是毫无根据 的 关于采 矿作业线 与其特 点 ，舍什可和热 夫斯基都进行过详细的分析和研究，至于采 矿作业的程序 ，这是一些动态的概念，应力 求 表明。 7 09 0年 代 ， 出现 的 一些 露 天 采 矿 方 法新分类 ，基本上是接近于热夫斯基的分类 法 ，或者 是试图把热夫斯基 的分类法与缅尼 可夫的分类法结合 但是 ，这种结合的采矿 法分类显得多余 、累赘。即使利用了大量的 往往是各种 不同类型的分类特征，也难 以从总体分类的基础上达到建构采矿法理论 的目的。特别是各种分类原则产生了混杂的 情况下 ，明显的表现是企图从不同的分类法 中进行所谓的 “ 择优” 。对于这种 “ 择优分 类”的做法 ，应持慎重的态度。过去，许多 优秀的学者认为，进行新的方法分类时，应 能使采矿方法得到进一步的发展。 科学院院士 B B 热夫斯基提出的露天 采矿方法概念及其分类 ，是最完整地符合现 代露天采矿理论发展的现状。他的分类法指 导实践应用 ，已有 3 0年的经验，完成 了对 许多研究成果的分析。其中包括本身解决的 与未解决的课题和一些实际质询 ，因此，技 术科学博士、教授 B B 伊斯托明和B C 科 瓦连柯认为，应把延深一全面采矿法作为一 组独立的采矿方法来应用是比较合理的。 延深一全面采矿法，并不是这类方法在 露天矿 田不 同开 采 矿段 中的 “ 混合 ”应 用 ， 也不是其相互间的配合使用，而是一组单独 应用的方法。为此，必须明确界定全面采矿 法与延深采矿法 的概 念。 按照现今 的理解 ，首 先应将 “ 混合 ”采 矿法从 方法 分类中划除 。因为露天矿 田不同 矿段 的开采 ，实 际上 可 以分别采用不 同的采 矿方法 ，就如同采用不同的采矿综合设备一 样 。 b C 图 1 露 天开采的 3种采矿 方涪 r一 全 面法 面积法 b 一延 深法 r 延深一 全面 法 延 深一 面积法 1 一回采空问底都 全面 采 矿法 又 被 合 理 的称 为 面积 采 矿 法，这更能正确地反映这种方法的实质。全 面采矿法 面积法 的特点 ，是采矿 工程 或作业 区发展在露天矿田的平面上进行， 其发展的矢量方向与速度呈水平状展开 ，见 图 l a 。这种方法 剥离 、开采废石和矿石 的 总厚度 ，可视 为一个 厚大 的 “ 岩矿 层 ” 。随 着采矿作业线的推进 ，在回采空 间平面上， 可构成宽展的水平面积，很有利于形成露天 矿内部废 石场。 应用延深采矿法时，采矿发展的矢量方 向往往是沿矿体的倾斜 以 1 5 。 倾角的梯段 耋 罩 与 维普资讯 暂 第 4 期 王洒代国外露天采矿方法理论的发展 展开 ，见图 l b 。矿 山作业 在平 面上 的发 展 ， 是为了保证采矿深度 的下降。由于在 3 0 ％ 一 5 0 ％的斜坡上施 工缺乏高效率的生产 设 备，因此 ，回采工作需采用水平分层实施。 作业线的推进速度 与采矿延深速度v 的 最小 比值 ，即 1 ． 5～5 ，而 y r 2 ． 51 0 y r为采 矿垂 直下 降深度 。为此 ， 开采时期必须系统地实施采矿准备工作。这 种 采矿方 法 的 应 用 ，由 于 回采 空 间的 水 平 或缓水平基面受切割堑沟 或切割基坑 底面的限制，不 可能形成露天矿内部废石 场。甚至使用纵向单翼延深采矿法时，也不 例外 。 延深一 全 面 采 矿 法 具 有 两 个 不 同 的特 点 一个是采矿作业发展的矢量方向呈缓倾 斜 ；另一个是回采空间平面有可能形成内部 废石场．见 图 1 e 。可利用 电铲进行倾 斜分 层 回采 ，其 开采的最小 比值 ／V y1 ． 1 5～ 2 ． 3 。而 yr 8 2 5 。当使 用一般 轮式运 输时．可系统地掘进剥离基坑。新中段的切 割 也逐 渐形成 。一般不需掘进切割堑 沟。 以上 3种方 法的应用 ，取决于矿体 的赋 存产状 ，对水平产状 的矿体 ，采用 全面采矿 法；缓倾 斜矿体 ，采用延深一全面采矿 法 或延深一面积法 ；倾斜与急倾斜矿体 ，采 用延深采矿法 。 在实际应用中，不管是采用哪种方法 ， 都不能只单一地联系到矿体的类型。莫斯科 矿业大学 ，现在正系统的进行扩大采矿法应 用 的研究 。可 以证实的是 ，对于 急倾斜延 伸 矿体 的开采 ，可首先在露天矿场 范围内 ，利 用露 天矿终点深度的梯段切割基坑 开拓 ，再 用全面采矿法开采，以形成内部废石场。 一r 图 2开采 急倾斜矿 体的横 向延深一 全面采矿法 ’ 1 一初期露天采矿场2 一邻近边帮的麈石场3 一工作台阶4 倾斜状的阶梯结掏5 一上部废石场 维普资讯 有色金属设计 第 拍 卷 开采水平矿体时 ，如果矿体的覆盖岩层 很厚 达 6 01 0 0 m ，则 在 露 天矿 基 建 时 期 ，应按 年度实测剥离 的废石量 。对于废石 剥离量达 几千万 的露 天矿 场 ，实 际上 可 应用延深采矿法进行施工 ，生产时期可使用 全面采矿法开采。这样，就可以确定斯托依 连斯 克富铁 矿和剜 别金斯克富铁矿 的采矿方 法 ，这些矿床可应用延深采矿法进行开采， 采用深度 达 8 01 5 0 m的外部 基本 堑沟 开采急倾斜矿体可采用横向延深一全面 采矿法。近年来 莫斯科矿业大学提出的这 种采矿法方案 ，特点是在投入使用的初期阶 段 ，便可形成露天矿内部废石场，见图 2 。 从图 2 看出该采矿法的步骤 首先在露 天矿田的一侧翼 ，利用切割堑沟 或切割基 坑建成采深为B n的初期露天采矿场。使 用的采矿方法为纵向或横向延深法 ，厚大矿 体 可采用分层 回采 。开 采剥 离的废 石堆存在 邻近边帮的废石场。初期露天矿形成的最后 阶段 ，在其端部构成工作台阶。其他端部构 成运输狭道。随后，采用横向延深一全面法 开采 ，矿山作业 可在矿场深 度的所有梯段 上 ，同时展开施工，采矿作业线沿矿体走向 推进。在矿床开采的这个主要时期 ，采矿作 业在平面上 的推进速 度加快 ，经过一定周 期，矿场的回采工作，便与划分开采阶段的 周边矿体的延深相重合。这样 ，采矿工程的 发展 ，便在矿场的底部，构成了倾斜状的阶 梯结构。倾角 a 取决于露天矿田长度、初期 矿场深度n n和对面矿体开采的极限深度 月 或延深一全面法转为全面法开采的最终矿 段的回采深度 ，其数值 由计算确定 ，所计 算的倾斜底部基础应保证上部废石场蝇稳定 性与满足接受废石的能力 ，一般为 a2 。 一 6 。 。 此采矿法在每个开采阶段都具有两个特 点 一是必须完成新中段的开拓工程，二是 当回采工作暂不延深下降时，矿场所有的工 作边帮能保持进一步推进。该采矿法横向切 割堑 沟间的距 离 ，影响开采阶段的长度 ，不 同的开拓深 度和 阶段 长度有 不 同的延 深角 。 露天矿场延深 的方 向 ，可通 过对 生产阶段 之 间的改变 和调整 回采空 间的剥离废 石量来 实 现。采矿 作业在矿场平 面上 与深度上的发 展，应能使露天矿达到最大的开采量 ，并有 效利用 回采空间的资源。目标管理应建立在 优化计算的基础上，生产过程应根据外部变 化的情况进 行调整 当横 向延深一全面采矿法的开采深度增 加到影响经济效果时 ，应转为全面采矿法． 可不必改变 剥离 、开采工艺 ，也不需要补充 资金 。 延深一 全面采矿法具有易适应外部因素 多变 诸如对煤炭的产量需求 、国家价格 、 税收政策的调整等的特点，不论在初步选 择露天开采境界线，或在开采中进行设计修 改时 ，都会出现这种情况。 横向延 深一全面法应用 的分 析研究 表 明，采场平面和断面的推进通过 管理控制 ， 可使 y r的比值增达 柏 -8 0 ，因而开采 的结果 ，能形成较宽大的回采空间平面，增 加内部废石场容量 。 若采用纵向延深一全面采矿法开采层状 缓倾斜矿体时，同样可依靠作业线的强化推 进 ，增大 y r的比值。这在开 采上部矿 层时，还可降低现有的剥离量。 在多梯段工作区，作业线的推进速度， 是现今开采急倾斜与倾斜矿体加速下降公认 的主要因素 。目前在延深采矿法的应用 中， 由于出现 了 y r的 比值 有增 大 的为 向， 舢企业中产生 了不急于加深露天矿场、不 急于 “ 恶化”采矿法技术经济指标的现象。 列别金 斯 克 露 天 矿就 是 明 显 的例证 。该 矿 l 8 年来 ，采矿的平均下降深度为 2 ． 5 m ／ a 。 现在 ，直接属于采矿方法 的现实问题 ， 是论证露天矿生产作业区的合理规格 、要 素 首先是作业梯段数量和备采矿量保有 量。现今生产企业力求以缩小工作梯段的台 维普资讯 第 4 期 王泗代国外露玉采矿方{ 岳理论的发展 阶面积 ，分 区使 用不同的采矿方法 ，提高露 天矿边坡 ，降低现有的剥离工作量。因此 ， 随着露天采矿深度的加大，虽然增加了作业 梯段的数量 ，但是，降低了备采矿量和采矿 强 度 ，乃 至整个矿山作业的强度 。 这种现象的产生，依据 1 5年来对采矿 法动态参数的统计与分析研究 ，不难作出评 价。同时，如对这方面的生产报表资料进行 系统 了解 、研究 ，也可从 中逐渐找到 问题 的 答案。例如列别金斯克露天矿每个季度都按 计划对生产作业线的长度和 1 4 个硬岩剥离、 采矿的梯段台阶宽度，进行确定 、分析与计 算。该矿生产活动与非活动的梯段作业线长 度 ，分别为总长度 1 5 ． 5 1 7 ． 5 k m 的 6 5 ％ 舳％与 2 o ％ 一3 5 ％。剥离与 开采 的梯段 台 阶，平均宽度 3 0 m 。其 中备采矿 量的梯 段台阶宽度为 4 9 m，非备采矿量的台阶宽度 为 2 0 r n 。 莫斯科矿业大学依据金属露天矿采矿作 业线发展的几何{ 昊 I 量资料，利用因式分解主 C 圆 T 2 3 4 要成分 的方法 ，完成 了对采矿 法参 数的统计 总结 ，证实 了列别金斯克露天 矿下 部 中段保 有的备采矿量和一年期的开采矿量，已呈实 质性下降。这是该矿采矿能力消失的重要因 素。 鉴于这种情况，很有必要实施对采矿方 法 的模拟研究 ，以发挥重要 的理论与实践作 用。现在 ，设计中广泛使用的模拟采矿工艺 的经典方法是矿山几何分析法。这个方法是 由科学院院士 B B 热夫斯基和教授 A H 阿尔谢奇耶夫创建并由他们的学生在实践中 发展的方法。目前，这种方法的应用，从各 个方面都得到了电子计算机的保证。在初期 阶段 ，是合理利用 C 且 科罗波夫教授提出 的采矿法的参数分析法。 阿尔谢奇耶夫提出的用图表构成的图表 解析模拟法，是将时间因素与矿山设备引人 了科学的计算和应用，这是联系中段开拓模 拟采矿方法迈出的重要一步。 图 3 采矿方法要素的分布方案 r一 全面采矿法，b ，c ，d 廷探采矿法 1 ，卜 分舁 l 为活动矿量与非活动矿量矿块3 ，4 _分别为活动与非活动的剥离矿块 维普资讯 有色金属设计 第 卷 在实施具体模拟时 ，把作业梯 段的生产 活动矿量 与非活动矿量作 为矿块 要素利 用是 合理的，见图 3 。生产活动矿量是指备采矿 量 ，非活动矿量是指位于最小 工作台 阶、边 缘地带 、斜坡道、矿石转载点 、矿仓与其他 矿山技术构筑物下部 的开拓矿量 。生产活动 矿量的特点是具有有效的梯段生产作业线 ． 而非活动矿量则缺乏这种有效的作业线 。这 种类似的要素 ，在废石梯段也可以划分 包 括 露天回采空 间的 内部废石 场 。这样 就从 原则上确定 了整个开采工程 包括 废石场工 程 ，进行全部模拟的可能性。 把生产活动矿量与非活动矿量利用作为 矿块要素模拟采矿方法 ，在质量上能够获得 新的效果。莫斯科矿业大学利用足以简化的 随机模型 ，也能确定俄罗斯露天矿多梯段作 业区的高度生产惰性和因此而恶化的采矿法 指标。这样也就从整个活动矿量与非活动矿 量的意义上和采矿法要素的一些参数上 包 括梯段高度 ，使采矿法的概念得到了实质 性的扩大。因此 ，在采矿随机模型的实施 中，便产生了大量的复杂情况 ，甚至在利用 矿床数学模型测定时 ，如果时间步距小 ，则 模 拟测定 的总次数很大 。 采矿方法不仅能对采矿工艺产生强烈的 影响，而且对露天矿的其他方法及其参数的 影响 ，也 不 例 外 。鉴 于采 矿 方 法 经 常 与采 矿、运输综合设备和生产中段的开拓密切联 系 ，因此 ，舍什可和热夫斯基特别重视 ，在 热夫斯基第三次出版的教科书中，引入了剥 离与开采的综合工艺概念，目的是要用统一 的工艺方法观点 首先是采矿方法 和综合 设备参数 ，共 同进行工艺过程的分析研究 。 目前 ，不同类型采矿方法与露天工艺的本身 尚存在 着概念的多样 性 ，需要对这些概念深 入理解 ，将科技发展的动态加以整理 、归纳 和总结 ，莫斯科矿业大学现在正进行这方面 的工作 。 采矿方法 的主要功能之 一 ，是建立露天 可靠的生产系统与运输系统。莫斯科矿业大 学在完成 研究工作 的基础上 ，曾制定 出 了有 关这方 面的一些 推荐 方案 即依据 采矿作业 方 向的发展 ，建立合理 的固定 与半 固定式的 开拓 运输 系统 。 在少量梯 段 3～6个 生 产 的露 天矿 作业区，调整将非生产的固定边帮的条件 下，可采用有利的采 、运综合设备实行集中 强化开采的联合方案。尽管某些时期需要加 大现有的开采量 ，这样 的采矿方法也能促使 矿山企业的技术经济指标得到实质性改善。 这一点 ，已被科研成果和 国外金属露 天矿 的 生产经验 所证 实 。 在大多数情况下，当使用延深一全面法 开采时，若力求利用有利于延深采矿法中的 固定排废斜坡道开拓 ，则不会取得满意的开 采效 果。 因为在这种情 况下 ，汽车运送废石 到内部排废场的距离，会急剧增加到 1 0 1 2 k in 。自卸汽车沿露天矿非生产的纵向边 界往返运行 ，线 路的加 长系 数将 达到 2 ． 3～ 2 ． 8，见图 4中 的 a图 和 b图。另 外 ，由于 固定线路 的设置 ，使 回采空 间接受废石的能 力减少 2 o ％ ～4 0 ％。 一 些利用生产梯段 、排废场分层和改建 斜坡道的水平运移废石的著名开拓方法，同 样不能保证运输费用的降低。实际上，这些 开拓方法与使用延深采矿法在外部建立排废 场是一样的。因此 ，对于生产作业区与排废 区经常变化的新采矿方法来说 ，由于回采空 间已成为采矿法的组成部分而不能保证剥离 废石的有效迁移时 ，都必须对常用的开拓方 法进行修 改。 在采掘作业过程中，应合理地对现有的 废石流量重新再分配，使每个开采阶段的作 业梯段所确定的剥离废石流量与排废场每分 层废石堆放量相符合 ，建立相对稳定的工艺 联 系。这样 ，就可 以沿 露天矿场的深度形成 开采 区 ，该 区的数 量是 经常变化 的。 维普资讯 维普资讯