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露天开采排土场概述
2013-10-25
露天开采排土场概述。
第十章 露天开采 第一节 概 述 一、露天开采的特点 露天开采和特点是采掘空间直接露于地表,为了采出有 用矿物,需将矿体周围的岩石及其上覆的土岩剥离掉,通过 露天沟道线路系统把 矿石和岩石运走(图 1 0-1)。所以露天开 采是采矿和剥离两部 分作业的总称。 图10-1 露天开采示意图 露天开采与地下开采相比,有以下优缺点: ( 1)矿山产量规模大。目前我国五大露天采煤矿区的露 天矿单坑生产能力均在800~1500万t/a(原煤),国外已有 年产原矿5000万t/a的露天矿,年剥离量可达1亿到3亿m3。 ( 2)建设周期短。千万吨级的露天矿区建设周期一般为 ~4年,移交到达产期约需1~3年。 3)开采成本低。目前我国露天采煤成本为地下采煤成 本的1/3~1/2。 3 ( ( 4)劳动生产率高。我国露天采煤的劳动生产率为地下 开采的5~10倍。 ( 5)吨矿投资低。露天矿单位吨煤投资比地下矿井平均 单位投资低20~30%。 ( 6)资源回收率高。 ( ( ( ( ( ( 7)木材、金属、电力的消耗少。 8)作业安全、劳动条件好。 9)占用土地多。 10)对环境污染较大。 11)受气候影响大。 12)对矿床赋存条件要求严格。只能开采矿体厚度 大,且埋藏相对较浅的矿床。 在我国也已在霍林河、伊敏河、准格尔、山西平朔、 元宝山等大煤田建成了一批年产量超过1000万吨原煤的大 型露天矿,同时我国自行设计、制造的千万吨级的大型露 天矿用设备已投入使用,为我国大力发展露天采矿事业奠 定了基础。 二、露天开采步骤 露天开采的必要前提是有适宜的矿床。适宜露天开采 的矿床,经过进一步勘探提出了满足露天矿设计要求的地 质报告;经批准后,才可由设计部门进行设计。 露天矿经过详尽设计,设计书经主管部门审查批准后, 才能进行建设。此后的露天矿建设和生产的一般步骤如下: 1 .地面准备 把交通线、输电线引入矿区,在进行开采的地区清除 或迁移天然和人为的障碍物,如树木、村庄、沼泽、厂房、 道路、水渠、坟地等等。 2 .矿区隔水和疏干 截断通过开采地区的河流或把它改道,疏干地下水, 使水位低于要求的水平。 3 ( ( ( ( 4 .矿山基建工程 1)包括开掘沟道,建立地面到开采水平的道路; 2)建立工作线,进行基建剥离以揭露开采的矿体; 3)建立运输线、排土场、桥梁等; 4)建设地面工业设施和必要的民用建筑。 .日常生产 矿山基建工程在开辟了必要的采剥工作线,保证达到一 定采矿能力即可移交生产。 露天矿区的建设和生产是十分复杂的工程项目。土地的 购置,设备的采购、安装和调试,人员的培训,组织管理机 构的建立,以及复土造田等等。 三、露天开采生产工艺系统分类 露天矿的生产就是要进行剥离和采矿作业,把剥离出的 废石和采掘出的有用矿物分别移运至排卸地点进行排卸。排 卸废石的地点叫排土场。采矿与剥离作业过程的总体称为生 产工艺,主要包括以下环节。 1 .矿岩准备 矿岩准备常用的方法是穿孔爆破。个别情况下,也有用 机械的方法松解矿岩,或用水使土岩松软。 2 .矿岩采掘和装载 采掘和装载主要由挖掘机或其他设备来完成,这是露天 开采的核心环节。 3 .矿岩移运 即把剥离物运到排土场,有用矿物运往规定的卸载点。 矿岩移运是联系露天矿各生产环节的纽带,所需设备多, 消耗动力、劳力多,是日常生产管理中变化最繁忙的环节。 4 .排卸 即剥离物的排弃,有用矿物向破碎、选矿厂的受料仓 卸载。 上述各工艺环节所使用的设备是有联系的,我们用 “ 生产工艺系统”一词来反映采、运、排各环节所用设备 的特征。 根据露天矿使用的采、运、排设备特征,生产工艺系统的 分类如表10-3所示。 表10-3 主要工艺系统分类 间断式生产工艺适应于各种硬度的砂岩和赋存条件,在我 国及世界上得到广泛的使用。连续式生产工艺生产能力高,是 开采工艺的发展方向,但对岩性有严格要求的要求,一般适用 于开采松软的土岩。半连续式生产工艺是介于间断式和连续式 工艺之间的一种方式,具有两工艺的优点,在采深大及矿岩运 距远的露天矿山中有很大的发展前途。 四、基本名词述语 ( 一)露天开采境界及边帮 1 .露天开采境界 露天开采境界——露天开采终了时的空间状态。它包括 开采终了时的地面境界AB,边帮AC、BD和底部境界线CD ( 图10-2)。 .边帮 边帮——由采场四周坡面及平台组合成的表面总体。其 中包括: 2 ( 1)工作帮(图10-2中GE) 由工作台阶所组成,正在进行 开采的边帮或一部分。 ( 2)非工作帮(图10-2中 AG,BF)由非工作台阶所组 成的边帮。 图10-2 露天采场构成示意图 3 .边帮角 (1)工作边帮角(图10-2中ϕ)工作帮最上台阶和最 下台阶坡底线形成的假想平面与水平面的夹角。 ( 2)最终边帮角(图10-2中βγ)露天采场终了时,最 上台阶坡顶线和最下台阶坡底线组合成的假想平面与水平 面的夹角。 ( 二)台阶要素 1 .台阶 台阶——在开采过程中,为采运作业需要,往往把露 天采场划分为具有一定高度的水平(或倾斜)分层,每一 个分层称为一个台阶(图10-3、图10-4) ( 1)台阶坡面:台阶朝向采空区一侧的倾斜面(图 0-4中3)或台阶上、下平盘之间的倾斜面。 2)台阶坡面角:台阶坡面与水平面的夹角(图10-4 中α)。 1 ( 图10-4 台阶构成要素 图10-3 矿场划分为台阶 2 .台阶坡顶线 台阶坡顶线——台阶上部平盘(图10-4中1)与坡面的 交线(图10-4中4)。 3 .台阶坡底线 台阶坡底线——台阶下部平盘(图10-4中2)与坡面的 交线(图10-4中5)。 4 .台阶高度 台阶高度——台阶上平盘与下平盘的垂直距离(图10-4 中h)。 ( 三)开拓及开采素 .出入沟 1 建立采场与地表运输通路的露天沟道。或地表与台 阶以及台阶之间的运输沟道。 2 .开段沟 开段沟——开掘某标高采掘工作面的沟道。 .开采程序 3 开采程序——采场内土岩的剥离和采矿工程,在空 间与时间上合理配合的发展顺序。 第二节 露天开采境界及开采程序 一、露天开采境界 已决定采用露天开采的矿床,还要确定其开采的合理范 围。图10-5所示倾斜矿层横断面的情况。假定煤层厚度不变, 则在一定台阶高度h下,每一水平的采出矿量P1,采出P1所 需的剥离量为V1,采出P2所需的剥离量为V2,……直至第i水 平为Pi与Vi。从直观即可看出,在m、h不变时,各水平采矿 量Pi值变化不大,Vi值则随着深度H的增加和边帮角γ的减小 而增加。 图10-5 露天矿横断面示意图 从经济上分析,露天开采的范围(深度)必然有一经 济上的限度,即: Co Pi ≥ aPi + bVi ( 10-1) 10-2) 或 Co − a Vi ≥ ( b Pi 式中 Co——矿石(煤)允许成本,元/米3; a——露天矿纯采煤成本,元/米3; b——露天矿剥离成本,元/米3; Pi——第i水平采出矿量,米3; Vi——第i水平所需剥离量,米3。 一个采完的露天矿场呈一个大凹坑(图10-6)。矿露 天开采的境界或范围是由深度、底的周界(长度 l 和宽度 b)、最终边帮角(底帮α、顶帮γ、端帮β)三个要素组成。 图10-6 露天矿最终境界示意图 二、剥采比 当我们对公式(10-2)作进一步分析时,可看到,露天开 Co − a b 采合理深度主要受两方面因素限制,一是等式左边的 , 表明了在现有的技术经济条件下(即Co、a、b值可确定), 采出单位矿(煤)量所允许的最大剥离量;二是等式右边, 表明了随开采深度的增加,采出矿(煤)量和所需剥离量的 比值,该值取决于矿(煤)层的赋存条件。可见,合理开采 深度的确定主要取决于经济因素和依赋存条件而异的,不同 深度下矿(煤)量与岩量的比值。 1 . 剥采比n 剥采比——剥离量与有用矿产量的比值。其单位可为米 米3、米3/吨或吨/吨。 3/ (1)生产剥采比ns——它是相邻台阶在开拓准备过程 中,一个延深周期内各个台阶向外推扩采出的矿、岩量比例, 图10-7中所示。 ΔV1i + ΔV2i m3/m3 ( 10-3) , ns = ΔP (2)平均剥采比np——若开采境界为ecdf,在此范围内 矿、岩总量的比例或露天开采境界内剥离物总量与有用矿产 总量的比值。如图中10-7所示: VΔace + VΔbdf ( 10-4) ,m3/m3 np = V◊acdb ( 3)境界剥采比nk——它是露天开采深度增加△H后所 引起的剥离增加值与矿石量增加值之比,如图10-7所示。 ΔVk1 + ΔVk2 nk = m3/m3 ( 10-5) , ΔPk 图10-7 确定剥采比的示意图 2 . 经济合理剥采比nj 它是指在现有的开采技术和费用指标条件下,经济上 有利的剥离量与采出矿量允许最大比值。 露天矿采出的原矿成本由两大部分组成: CL=a+nb,元/m3(元/t) ( 10-6) 式中 CL——露天矿采出矿石的全部成本,元/m3(元/t); a——露天矿纯采矿(不包括剥离)成本,元/m3 ( 元/t); b——露天矿剥离成本,元/m3(元/t); n——剥采比, m3 /m3(t/t或m3/t)。 为使露天开采经济效果良好,应使露天矿采出的原矿 的全部成本不超过允许成本Co: CL = a + nb ≤ C0 ,元/m3(元/t) (10-7) 当用地下方法开采露天境界外的矿石时,C0值可取地下开 采成本。若矿石售价低于地下开采成本或该矿石不用地下开采 时,则C0一般取矿石的出售价格。上式取等号时的剥采比即为 经济上合理的最大允许剥采比nj,即 C0 − a ,元/m3(元/t) (10-8) n j = b 将式(10-8)代入式(10-2)可得: nj≥nk (10-9) 确定露天开采深度,实质上就是对剥采比的大小加以控 制,使其不超过经济合理界限nj值。然而究竟控制哪一种剥采 比更符合露天开采的实际情况,现时存在着不同的观点,即① ns≤nj ;② np≤nj ;③ nk≤nj 。目前广泛应用的是nk≤nj的原则, 因为该原则可使境界以内矿石用露天开采和境界以外矿石用地 下开采加起来的总费用最低,从而使整个矿床开采总的经济效 果最佳。 三、露天矿开采程序 ( 一)概述 露天矿开采程序系指在露天境界内采剥矿岩的顺序,即 采剥工程在时间和空间上发展变化方式。 如图10-8所示露天煤矿,其开采境界为ORQ,若采用单 斗铲和铁道运输工艺和沿煤层底板延深一侧推进的开采程序, 从建矿至开采终了,要经历:(1)基建投产;(2)达到产 量;(3)剥离洪峰;(4)减产采完等各个阶段。在这个过 程中,各工作台阶可利用采掘运输设备实现不断地沿AB方向 推进和沿底板CD方向延深。 图10-8 沿煤层底板延深一侧推进开采程序 另一方面,使用同样的工艺设备也可实现矿山工程沿 煤层顶板向下延深,这时露天矿同时存在两个向一侧推进 的工作帮,一为剥离,一为采煤,如图10-9。 图10-9 沿煤层顶板延深向两侧推进开采程序 ( 二)台阶划分及采掘程序 露天矿一般划分成若干台阶进行开采。通常按水平分层 方式划分台阶。为了便于选采与提高设备效率,尽可能不把 矿石和土岩、表土与基岩、软岩与硬岩划分在一个台阶内。 当矿体倾角较小(一般小于10°),为便于矿、岩分采, 在条件许可时,可以沿矿层倾斜方向对台阶进行倾斜分层 ( 图10-10)。 图10-10 倾斜分层与水平分层 台阶通常划分成具有一定宽度的采掘带进行开采。采掘 带一般沿台阶工作线平(纵向)布置。当用汽车运输时,根 据需要可与工作线垂直(横向)布置(见图10-11)。 图10-11 采掘带布置 ( a) 纵向布置;(b) 横向布置; A—采掘带宽度 台阶的开采程序为:(1)开掘出入沟(一般为倾斜 的);(2)开掘开段沟(一般为水平的);(3)进行扩 帮,其程序见图10-12。 图10-12 台阶开采程序及相邻台阶关系 图10-12中AB为出入沟,BC为开段沟(虚线)。BC 掘完后即可进行扩帮。对于一个台阶开采全过程来说,开 掘出入沟称为开拓工程,开掘开段沟称为准备工程,进行 扩帮称为回采工程。 ( 三)工作帮及其推进 露天采场内工作台阶组成的工作帮坡角ϕ与台阶高度h, 平盘宽度B及台阶坡面角α有关。图10-13(a)中的ϕ为正常 工作帮坡角,当各台阶底h、α相同时它决定于B值(较最小 平盘宽度Bmin为大)。与Bmin相应的为最大工作帮坡角ϕmax。 图10-13(b)中表示在某些情况下应用组合台阶进行开采的 工作帮结构, 这时一台采掘 设备负责由上 到下采掘数个 台阶,这样构 成的组合台阶 工作帮坡角ϕ组 较前述ϕmax为 大。 图10-13 露天矿工作帮结构示意图 图10-14 平行工作线推进示意图 台阶工作线的推进方向主 要与开段沟的位置有关,但当 开段沟位置已定时,工作线在 平面上有平行推进(图10-14) 及扇形推进(图10-15)两种 方式。 图10-15 扇形工作线推进示意图 ( 四)新水平延深方向及程序 倾斜或急倾斜矿层开采时,要求不断向下延深建立新的 开采台阶,才能使露天矿均衡地完成产量。剥、采工程延深 方向是指相邻两个水平(台阶)开段沟位置的错动方向。如 图10-16,露天矿山坡部分延深方向一般为顺着地形向下发 展,而凹陷部分最少存在两种可能性(沿顶帮境界或顺着矿 层顶板),故总的延深方向为①→②→③或②′ →③。 图10-16 剥采工程延深方向 第三节 露天开采生产工艺 一、岩石的预先松碎 应用最广泛的预先松碎方法是穿孔爆破。 露天矿使用的穿孔设备主要有钢绳冲击式钻机、潜孔钻 机、牙轮钻机等。 钢绳冲击式钻机如图10-17所示。它是靠钻具自由下落冲 击孔底而凿碎岩石,故只能穿凿垂直孔。 潜孔钻机如图10-18所示,它是一种风动冲击式钻机。 牙轮钻机是一种回转式钻机。 台阶上钻孔布置如图10-19所示。图中d为孔径,W底为底 盘抵抗线,b为钻孔排距,a为钻孔间距,h超为超钻深度,L填 为填塞长度。 钻孔内的装药方法如图10-20所示。通常采用集中装药法。 图10-17 钢绳冲击式钻机 1 3 5 7 9 —提升钢丝绳;2—钻具组; —冲击梁;4—提升滚筒; —主轴;6—电动机; —机架;8—千斤顶; —天轮 图10-18 潜孔钻机 图10-19 钻孔布置 图10-20 装药方法 二、间断工艺系统 间断工艺系统——采装、移运和排卸作业均采用周期式 设备形成不连续物料流的开采工艺系统。 在间断工艺系统中,采装设备有单斗铲、前装机、铲运 机、推土机等,其中单斗铲在国内外应用最普遍。 露天矿用的单 斗铲主要是履带式 正 向 机 械 铲 ( 电 铲),如图10-21所 示。 图10-21 电铲示意图 图10-22 吊斗铲 吊斗铲也属于单斗铲,如 图10-22所示。 轮胎式前装机如图10-23所 示。这种设备机动灵活,可在 2 0°左右的坡度上行走和进行 采装工作。 图10-23 前装机 在间断工艺系统中,运输方式主要有铁路运输和公路 运输。 铁路运输时,机车用直流电机车,车辆用国产载重60t 或100t的自翻车。露天矿铁路标准轨距也是1435mm,窄轨 轨距为600、750、900mm。 公路运输用自卸汽车。国外常用的自卸汽车吨位在65- 1 20t级之间;载重量为150~200t的电动轮自卸汽车的应用正 在逐渐增多。近几年已发展到200~250t级,美国正试制350t 级电动轮汽车。我国目前已能生产载重量7~10t的矿用自卸 汽车,并已试制成功载重量为100t的电动轮自卸汽车。 联合运输方式。主要的联合运输有汽车—铁路方式, 其转载方法如图10-24所示;汽车—溜井—平硐(铁路或公 路)方式,如图10-25所示;以及汽车(铁路)—箕斗—铁 路方式,如图10-26所示。 图10-24 汽车-铁路联合运输中 的转载方法 图10-25 汽车—溜井—平硐 联合运输 ( a) 汽车直接转载;(b) 电铲转载 图10-26 汽车—箕斗—铁路 联合运输 1 ( —下部转载站;2—上部 铁路)转载站;3—提升 机道;4—箕斗;5—汽车 间断生产工艺系统所采的排土方式主要有推土犁排土, 机械铲排土和推土机排土。 排土犁是在轨道上运行的一侧带有犁板的机械,其作 业过程如图10-27所示,图中(a)为列车排土,(b)为推 土犁推土,(c)为平整排土台阶及准备移道,(d)为移 设线路。 图10-27 推土犁排土时作业过程图 机械铲排土如图10-28所示。 推土机排土主要和自卸汽车运输相配合。 完整的间断工艺系统如单斗铲—汽车—推土机配套的系 统,其示意如图10-29所示。 图10-29 单斗铲—汽车—推土机 图10-28 机械铲排土 间断工艺系统 三、连续工艺系统 连续工艺系统——采装、移运和排卸作业均采用连续式 设备形成连续物料流的开采工艺。 连续工艺系统中, 采装用链斗铲(如图 1 0-30所示)或轮斗铲 如图10-31所示), ( 运输用胶带输送机, 排土用排土机(如图 1 0-32所示)。 图10-30 链斗铲 图10-31 轮斗挖 掘机(单位:m) 图10-32 悬臂式排土机 1 —工作面来料胶带;2—胶带 卸料车;3—受料臂;4—排料 臂;5—平衡臂;6—可回转机 体;7—行走机构 当矿体呈近水平埋藏而且采用内部排土场时,运输与排 土直接用悬臂式排土机进行(如图10-33所示,a为采掘与排 土机体合并作业,b为两者分开作业),或用运输排土桥进行 ( 如图10-34所示),取消了运输环节。 轮斗铲—胶带输送机—排土机连续工艺系统示意图如图 1 0-35所示。 图10-33 悬臂式排土机横向内部排土方案 图10-34 运输排土桥横向排土(单位:m) 图10-35 轮斗挖掘机—胶带输送机—推土机连续工艺系统 四、半连续开采 工艺系统 半连续开采工艺— — 部分环节是间断、部 分环节是连续的开采工 艺。 图10-37所示为单斗 铲—移动破碎机—胶带 输送机—排土机配套的 半连续工艺系统。 图10-37 半连续工艺系统 五、倒堆开采 工艺系统 图 10-38 所 示为吊斗铲站在 剥离台阶顶部直 接倒堆,用前装 机及汽车进行采 矿的倒堆工艺系 统。 图10-38 倒堆工艺系
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