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