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1、采矿学教学课件金属矿床露天开采金属矿床露天开采露天开采l绪论l矿床品位与储量计算l岩石的力学性质及分级l最终开采境界的确定l露天开采程序l露天矿生产计划l露天矿床开拓l露天开采工艺l矿山技术经济第十五章露天开采程序1概述2台阶几何要素3掘沟4台阶的推进方式5采场扩延过程与布线方式6帮坡形式与帮坡角7生产剥采比8分期开采1 概述 最终开采境界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。如何采出最终境界内的矿石和岩石则是露天露天开采开采程序程序问题。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。露天采场平面投影与剖面示意图-12m0m1
2、2m24m36m48m48m-12m0m12m24m36m封闭圈48m36m24m0m12m2 台阶几何要素台阶由坡顶面、坡底面和台阶坡面组成。台阶几何要素：l台阶坡面角，是岩体稳定性的函数；l台阶高度，受生产规模生产规模、采装设备、采装设备、开采的选别性影响；选别性影响；l台阶宽度，W=Wc(爆破带宽度)+Ws(安全平台宽度)。台阶几何要素WWAHHA200m200m176m176m188m188m台阶坡面坡顶线A-A坡顶面坡底线台阶坡面坡底面台阶三要素：W台阶宽度H台阶高度台阶坡面角台阶立体图台阶立体图3 掘沟掘掘沟沟是新台阶开采的开始，一般分为两阶段进行：首先挖掘出出入入沟沟，以建立起上
3、下两个台阶水平的运输联系；然后开掘段段沟沟，为新台阶的开采推进提供初始作业空间。出入沟参数：l出入沟的坡度出入沟的坡度，取决于汽车的爬坡能力和运输安全要求；l最小沟底宽度最小沟底宽度WDmin，是满足采运设备基本作业空间要求的沟底宽度，其值取决于电铲的作业技术规格、采装方式与汽车的调车方式。出入沟与段沟示意图152m140m出入沟段沟164m3.1 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，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成为封闭水平，即在该水平上采场形成封闭圈封闭圈。在山坡地带的开采也是分台阶逐层向下进行的。与深凹露天矿
4、开采不同的是不需要在平地向下掘沟以达到下一水平，只需在山坡适当位置拉开初始工作面就可以进行新的台阶的推进。习惯上将“初始工作面的拉开”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单壁沟。封闭圈H最终境界矿体封闭圈单壁沟推土机开掘单壁沟WDGeT电铲开掘单壁沟WD=G+T+eG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。3.2 深凹露天矿掘沟不同的掘沟方式下，所需要的不同的掘沟方式下，所需要的WDmin：3.2.1 沟外调头中线采装沟外调头中线采装，WDmin2G3.2.2 沟外调头双侧交替采装沟外调头双侧交替采装，WDm
5、inGK3.2.3 沟内折返调车沟内折返调车，WDminRLd/22e3.2.4 沟内环行调车沟内环行调车，WDmin2Rd2e3.2.1 沟外调头中线采装WDmin2G沟外调头中线采装平面图GGBWDmin=2GG电铲站立水平挖掘半径；B电铲最大卸载高度处的卸载半径。3.2.2 沟外调头双侧交替采装WDminGK沟外调头双侧交替采装平面图KGBBGKWDmin=G+KG电铲站立水平挖掘半径；K电铲尾部回转半径；B电铲最大卸载高度处的卸载半径。3.2.3 沟内折返调车WDminRLd/22e沟内折返调车平面图leedRRWDmin=RLd/22eR汽车最小转弯半径；L汽车车身长度；d汽车车身宽
6、度；e汽车距沟壁的安全距离。3.2.4 沟内环形调车WDmin2Rd2e沟内环形调车平面图leeddRRWDmin=2Rd2eR汽车最小转弯半径；d汽车车身宽度；e汽车距沟壁的安全距离。3.2.5 不同掘沟方式的WDmin比较采用Weboo-120c(109t)汽车，；3电铲，站立水平最大挖掘半径，尾部回转半径，最大卸载高度处的卸载半径。计算得：沟外调头中线采装：沟外调头中线采装：WDmin；沟外调头双侧交替采装沟外调头双侧交替采装:WDminG；沟内折返调车沟内折返调车:WDminRLd/22e=30m；沟内环行调车沟内环行调车:WDmin2Rd2e=34m（最大）作业l绘图说明台阶的几何要
7、素，并论述影响各几何要素的主要因素。l绘制一采场平面图。已知：台阶高度12m，台阶坡面角70，安全平台宽度6m，出入沟宽24m，出入沟坡度为8%。要求至少画出两个工作台阶，两个非工作台阶。l一个露天矿山选用4m3的电铲，试确定不同掘沟方式下的最小沟底宽度。（提示：查采矿设计手册，先确定出与之匹配的汽车型号）4 台阶推进方式4.1采掘方式及工作平盘参数4.1.1垂直采掘4.1.2平行采掘4.1.3采区宽度与采掘带宽度4.1.4最小工作平盘宽度4.2工作线布置方式4.2.1纵向布置4.2.2横向布置4.2.3扇形布置4.1.1 采掘方式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
8、向)、与台阶推进方向相平行。垂直采掘时，若采用双点装车，电铲的装载回转角度小(10110之间，平均为60左右)，装载效率高；缺点是汽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。垂直采掘平面图采掘方向下一轮采掘位置工作线采区宽度台阶推进方向一次采掘深度（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2G。4.1.2 采掘方式平行采掘平行采掘时电铲的采掘方向平行于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶推进方向相垂直。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
9、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车是两种有代表性的供车方式。4.1.2.1a 单向行车不调头 4.1.2.1b 单向行车不调头B台阶推进方向工作平盘宽度采掘方向安全挡墙优点：优点：优点：优点：调车简单，工作平盘只需设单车道。缺点：缺点：缺点：缺点：电铲回转角度大，需双出入沟，增加了掘沟工作量。4.1.2.2a 双向行车折返调车（单点装车）双向行车折返调车（单点装车）4.1.2.2b 双向行车折返调车（单点装车）双向行车折返调车（单点装车）工作平盘宽度安全挡墙台阶推进方向采掘方向B优点：需要一个出入沟。优点：需要一个出入沟。优点：需要一个出入沟。优点：需要一个出入沟。缺点：需
10、要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一缺点：需要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一缺点：需要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一缺点：需要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一辆车处于等待状态。辆车处于等待状态。辆车处于等待状态。辆车处于等待状态。4.1.2.3a 双向行车折返调车（双点装车）双向行车折返调车（双点装车）4.1.2.3b 双向行车折返调车（双点装车）双向行车折返调车（双点装车）安全挡墙台阶推进方向工作平盘宽度采掘方向BB12汽车1正在装车优点：减少了等等时间，车和铲的作业率得到提高。优点：减少了等等时间，车和铲的作业率得到提高。优点：减少
11、了等等时间，车和铲的作业率得到提高。优点：减少了等等时间，车和铲的作业率得到提高。缺点：工作平盘宽度增加。缺点：工作平盘宽度增加。缺点：工作平盘宽度增加。缺点：工作平盘宽度增加。4.1.2.4a 单向行车折返调车单向行车折返调车(双点装车双点装车)4.1.2.4b 单向行车折返调车单向行车折返调车(双点装车双点装车)优点：优点：优点：优点：工作平盘只需设单车道。缺点：缺点：缺点：缺点：需双出入沟，增加了掘沟工作量。4.1.2.5a 双向行车迂回调车双向行车迂回调车(单点装车单点装车)4.1.2.5b 双向行车迂回调车双向行车迂回调车(单点装车单点装车)优点：单出入沟。优点：单出入沟。优点：单出
12、入沟。优点：单出入沟。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。4.1.3 采区宽度与采掘带宽度采掘带宽度采掘带宽度爆堆宽度bAcAcWcWs采区宽度爆破带安全平台台阶推进方向爆堆宽度bWcWs采区宽度爆破带安全平台台阶推进方向爆堆爆堆(b)(a)采区宽度采区宽度是爆破带的实体宽度，采掘带宽度采掘带宽度是挖掘机一次采掘的宽度。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。二者关系见上图。图
13、中，(a)为一次穿爆两次采掘，(b)为一次穿爆一次采掘。可用Ac取值，国内矿山一般为1，国外矿山可达。采区宽度与爆堆宽度的关系b=2ksWcH/Hb-Wc式中，b爆堆宽度；ks为矿岩爆破后的松散系数；Wc为采区宽度；H为台阶高度；Hb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，0；不坚硬岩石爆堆横断面近似梯形，1；中等坚硬岩石，01。采用一爆一采时，爆堆宽度即为采掘带宽度（即bAc），可根据上式反算出采区宽度。4.1.4 最小工作平盘宽度最小工作平盘宽度（最小工作平盘宽度（最小工作平盘宽度（最小工作平盘宽度（WWminmin）是刚好满足采运）是刚好满足采运）是刚好满足采运）是刚好
14、满足采运设备正常作业要求的工作平盘宽度，设备正常作业要求的工作平盘宽度，设备正常作业要求的工作平盘宽度，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。单向行车不调头平行采掘 GBesdAcWcWmin=G+B+d/2+e+s33mG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13.87m；采用Webco-120c汽车，d为汽车车体宽度；e为汽车到安全挡墙距离,取；s为安全挡墙宽度。折返调车单点装车Wmin台阶推进方向采掘方向BeeLsdRWmin=R+d/2+L
15、+2e+s=33.4mWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,L=11.38m,设折返调车双点装车Wmin台阶推进方向采掘方向2RBB12eeddsWminWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,设e=1.5m,s=3.5m小结小结实际上，由于汽车的灵活性，即使最小工作平盘宽度比用公式计算结果小一些，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15-22所示的横向采掘）时，由于采区宽度(Wc)大大增加，工作
16、平盘宽度也将大大增加。4.2 工作线布置工作线布置依据工作线的方向与矿体走向的关系，工作线的布置方式可分为：纵向横向扇形4.2.1a 工作线布置工作线布置横向4.2.1b 工作线布置工作线布置横向横向布置时工作线与矿体走向垂直。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。4.2.2a 工作线布置工作线布置纵向4
17、.2.2b 工作线布置工作线布置纵向纵向布置时，工作线的方向与矿体走向平行。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。4.2.3a 工作线布置工作线布置扇形扇形4.2.3b 工作线布置工作线布置扇形扇形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。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。5 采场扩延过程与布线方式采场扩延过程与布线方式5.1采场扩延的一般描述5.2布线方式5.3并段5.1ab 采场扩延
18、示意图采场扩延示意图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200m，台阶高度为12m。首选在地表境界线的一端沿矿体走向掘沟到188m水平（图a）。出入沟掘完后在沟底以扇形工作面推进（图b）。5.1cd 采场扩延示意图采场扩延示意图当188m水平被揭露出足够面积时，向176m水平掘沟，掘沟位置仍在左侧最终边帮(图c)。之后，形成了188-200米台阶和176-188米台阶同时推进的局面（图d）。5.1ef 采场扩延示意图采场扩延示意图随着开采的进行，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
19、所示的最终境界。当纵坡坡度为8%左右时，连续陡坡坡长限制在约350m以内。缓冲平台缓冲平台缓冲平台缓冲平台的坡度一般不大于3%，长度在80m左右。5.2 布线方式布线方式5.2.1螺旋布线5.2.2迂回布线5.2.3固定式布线5.2.4移动式布线5.2.1 螺旋布线螺旋布线台阶的出入沟沿最终边帮成螺旋状布置，故称为螺旋布线螺旋布线螺旋布线的特点螺旋布线的特点螺旋线弯道半径大，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
20、均较为稳固。5.2.2a 迂回布线迂回布线5.2.2b 迂回布线迂回布线出入沟以迂回形式布置在采场一侧的非工作帮上，称为迂回布线迂回布线迂回布线迂回布线。迂回布线的特点迂回布线的特点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。可同时布置两套或更多迂回线路，增加出入沟数目。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。行车条件不如螺旋布线。5.2.3 固定式布线固定式布线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固定式
21、布线。固定式布线的特点固定式布线的特点l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；l道路条件好。5.2.4 移动式布线移动式布线为尽快采出矿石，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。这种方式称为移动式布线移动式布线。临时出入沟形成过程临时出入沟形成过程临时出入沟采场扩延临时出入沟采场扩延临时出入沟的消失临时出入沟的消失5.3 并段6 帮坡形式与帮坡角帮坡形式与帮坡角6.1工作帮坡角6.2组合台阶6.3各种帮坡形式6
22、.1 工作帮坡角工作帮坡角6HWWW非工作帮工作帮工作帮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。工作帮工作帮坡角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。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（）可由下式计算：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。上式变为：工作帮坡角的计算工作帮坡角的计算工作帮坡角与剥岩量关系工作帮坡角与剥岩量关系32154 VH1H2T最终境界陡工作帮缓工作帮如采用缓工作帮，由于矿体规整，每一条带的矿量基本保持不
23、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（H1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H2深度）。资金时间价值显示出陡工作帮开采的优越性。增加工作帮坡角的方式增加工作帮坡角的方式l增加台阶高度（受到设备与开采选别性的限制）l减小工作平盘宽度（受到最小工作平盘宽度的限制）l采用组合台阶开采6.2 组合台阶组合台阶 组合台阶组合台阶是将若干个（一般4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组合单元。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
24、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。组合台阶的工作帮坡角组合台阶的工作帮坡角g4HWsWcWWsWs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：g 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=4，H=12m，Ws=10m，W=40m，=70。，则求得g。6.3a 各种帮
25、坡各种帮坡（一段边帮）1236H456WsWsWsWsWs右图是在开采过程中形成的由6个台阶组成的一段帮坡，每一台阶均保持安全平台宽度（Ws）。从最上一个台阶的坡顶线到最下一个台阶的坡底线的斜面与水平面的夹角（）称为该段边帮的总帮坡角，其计算式与式（15-11）相同，只需将式中的W换成Ws即可。设Ws=10m，H=12m，=70。则得 。6.3b 各种帮坡各种帮坡（具有道路）123456A道路WRDC6HBWsWs12WsWsWs如果上图中的第三台阶的中腰通过一宽度为WR的斜坡道，该段边帮变为左图。左图的 仍为总帮坡角。道路将整段边帮分为AC和DB两段，图中1 和2 称为路间帮坡角路间帮坡角。
26、若WR=30m，其它数据不变，则=。，1。，2。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9。）。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。6.3c 各种帮坡各种帮坡（具有工作台阶）WsA123456工作平盘WcDC6HBWsWs12WsWs若图a所示的边帮上有一个台阶是工作台阶，边帮将变为左图所示。工作台阶对帮坡角的影响与道路相似。若这6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(g）。工作平盘上下两段的帮坡角(1和2）有时也
27、称为路间帮坡角。若其它的数据不变，工作平盘宽度W=40m，则。，1。，2。6.3d 各种帮坡各种帮坡（具有道路和工作台阶）123456工作平盘道路Wc6HWsWs123WsWRWsWs更复杂的边帮是既有工作台阶又有道路，。6.3e 各种帮坡各种帮坡（组合台阶开采工作帮）若将图a中的6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e。单个组合单元的工作帮坡角可用式（15-15)计算。利用前面的数据，计算结果为：。，g。123456工作平盘工作平盘WcWsWsgWsWcWsg6H6.3e 各种帮坡各种帮坡（组合台阶开采工作帮）6HWs右图是实行三台阶并段的最终边帮。若坡面角70。，
28、台阶高度H=12m，安全平台宽度Ws=17m，则该段边帮的总帮坡角为=59。若一露天矿最终境界深为42个台阶高度（即504m），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7m宽的安全平台，同一露天矿的最终帮坡角为。7 生产剥采比生产剥采比7.1生产剥采比的概念7.2确定生产剥采比的方法PV图均衡生产剥采比经验法7.1 生产剥采比的概念生产剥采比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m3(岩石)/m3(矿石)、t(岩石)/t(矿石)、m3(岩石)/t(矿石)。如图15-42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VH/TH。为了与下面将要提到的其它生产剥采比相区别，这里将图15-42所示的生产剥采比称为几何几何生产剥采比生产剥采比，记为SRH。7.2 确定生产剥采比的方法确定生产剥采比的方法lPV图均衡生产剥采比l经验法8 分期开采8.1分期开采概述8.2分期开采优点8.3扩帮开采谢 谢二OO二年三月