露天矿山开采基本知识及大型露天矿相关开采设计

 

来源：春风了 百家号

露天矿开采基本知识讲座

第一节 石灰岩知识

一、石灰岩简介：

石灰岩 (Limestone)，简称灰岩，是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，有时含有白云石、粘土矿物和碎屑矿物，属于，是水成岩的一种。石灰岩主要是在浅海的环境下形成的，属于生物性沉积形成，其主要形成是海洋生物的尸体的沉降累积，加上来自陆地的动植物腐物残渣与泥沙一起在河床或海床上沉积压实后经地质变化形成。

二、石灰石的组成结构：

石灰岩的成分主要为方解石、伴有白云石、菱镁矿和其他碳酸盐矿物，还混有其他一些矿物，比如菱镁矿，石英，石髓，蛋白石，硅酸铝，硫铁矿，黄铁矿，水针铁矿，海绿石等等。此外，个别类型的石灰岩中还有煤、地沥青等有机质和石膏、硬石膏等硫酸盐，以及磷和钙的化合物，碱金属化合物以及锶、钡、锰、钛、氟等化合物，但含量很低。灰岩的主要化学成分是CaCO3易溶蚀，故在石灰岩地区多形成石林和溶洞，称为喀斯特地形

石灰岩的结构较为复杂，有碎屑结构和晶粒结构两种，其中碎屑结构多由颗粒、泥晶基质和亮晶胶结物构成，晶粒结构是由化学及生物化学作用沉淀而成的晶体颗粒。

三、石灰岩的分类：

按其沉积地区，石灰岩右分为海相沉积岩和陆相沉积岩，以海相沉积岩为多。

按其形成类型，石灰岩可分为生物沉积、化学沉积和次生三种类型。

按矿石中所含成分不同，石灰岩可分为硅质石灰岩、粘土质石灰岩和白云质石灰岩三种。

按结构构造，石灰石可分为竹叶状灰岩、状灰岩、团块状灰岩等

四、石灰岩的特性：

1.石灰岩分布相当广泛，岩性均一，易于开采加工，是一种用途很广的建筑石料。

2.石灰岩具有良好的加工性、不透气性、隔音性和很好的胶结性能、可深加工应用，是优异的建筑装饰材料。

3.石灰岩产地广泛，色泽纹理颇丰，有灰、灰白、灰黑、黄、浅红、褐红等色，有良好的装饰性。

4.石灰岩的质地细密，加工适应性高，硬度不高，有良好的雕刻性能，易制作小型架上雕刻，较适宜初学雕刻者选用，但由于石灰岩易溶蚀，不适于户外的雕刻。

5. 石灰石用途很广，是冶金、建材、化工、轻工、建筑、农业及其它特殊工业部门都是重要的工业原料。

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第二节 露天开采的基本概念及述语

露天开采是在一定范围内敞露的空间里，将掩盖在矿体上部的表土及周围部分的岩石剥除掉，而把矿石开采出来。因此为了采出矿石，还必须开采矿石。

1．台阶（bank）：（图1-1）开采时，自上而下把矿岩划分成具有一定厚度的水平分层，用独立的采掘、运输设备进行开采，各分层保持一定的超前关系，从而形成阶梯状。

台阶由以下要素构成：上部平盘、下部平盘、坡面、坡顶线、坡底线、高度、坡面角。

台阶分：

工作台阶…工作平盘布置采掘、运输设备。

非工作台阶…保安平台：用于缓冲和阻截滑落岩石，减缓边坡角。

清扫平台：阻截滑落岩石并用清扫设备进行清理。

运输平台：作为工作台阶与出入沟运输的联系通道。

2、工作线（Avdvance line）…已经做好准备而形成的矿岩区段。

3、采掘带（excavation zone）：开采时将台阶划分为若干个条带，逐条顺次开采，每一个条带叫做采掘带。

参数：

宽度 1、实方……取决于爆破方法和参数。

2、电铲…取决于电铲的挖掘和卸载半径。

4、采区（working section ）每一条带开采时也可划分为若干区段配以独立的采运设备。

长度…一条电铲所占的采掘工作线长度。

5、露天坑道：

按用途分：1、出入沟…建立开采水平间的运输通道。(Bl—4中的AB)。

2、开段沟…建立第一条工作线（初始台阶）见图l—4中的CD。

按断面形状分：整断面（1－5 a）,单侧沟（1－5 b）

6．露天矿场（open pit）已经进行和正在进行露天开采的区域，由台阶和露天坑道形成。

山坡露天：封闭圈以上。凹陷露天：封闭圈以下。

构成要素：

（1）边帮：露天矿场四周表面的总体，分 ：顶帮、底帮（slope）、端帮

（2）工作帮：（working slope），非工作帮（slope of respose）

（3）工作帮坡面及工作帮坡面角

（4）非工作帮坡面及最终边坡角。

（5）上下部最终境界线……开采结束时，非工作帮坡面与地面或露天矿底平面相交的闭合曲线。

（6）露天矿场最终境界：上下部最终境界线所限定的位置。

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二、露天开采工艺过程

穿孔－爆破－采装－运输－排卸

工艺形式分：间断式工艺，连续化工艺，半连续化工艺。

这几个生产环节是互相紧密配合的，因而在不断完善各生产环节的同时，还必须考察他们的联系，以便提高全露天矿的综合生产能力。

三、露天矿山工程的发展程序

如前所述，从露天矿场采出矿石和岩石是从一定工艺过程实现的，这种工作总称为露天矿山工程。

露天矿山工程：按施工对象分：剥离工程和采矿工程。按施工形式分：掘沟工程和括帮工程。

矿山工程的发展按一定程序进行的。

对于一个台阶：掘出入沟开段沟 扩帮

对于上下水平：掘沟与扩帮同时进行，即上部水平扩帮的同时下部水平掘沟，于是：

矿山工程深度不断增加，直到最终开采深度。

各开采水平的工作线从最初开段沟的位置不断向外推进，直到最终边界。

露天矿场在发展过程中，逐步由小变大，由浅至深，

不断采出矿石和剥离岩石，直至最终境界范围内开采终了为止。露天矿山工程的发展程序的本质特征是渐进的即开采工作要不断在空间移动，台阶工作线不断扩展推进，露天采场随之逐深扩大。

综述露天采矿工作特点：生产对象是天然赋存矿岩，开采地点及生产条件不断推移变化，旧水平不断结束新水平陆续投产，构成了采矿过程从准备到生产又从生产到新的准备的循环运动规律，使掘沟、剥离、和采矿三者之间总是保持相互依存和相互制约关系。

第三节 露天矿采掘计划

一、编制采掘意义

1、是保证矿山持续地均衡生产的必要手段

人们做任何工作都要求心中有数，要有个计划。矿山从建设到采完，通常需要十几年或几十年时间，这就更需要有全面计划安排，特别是露天矿生产的特点烛：生产对象及工作条件经常变化（矿山数量、品位、赋存条件、围岩特性、地下水、气候等）工作地点分散，并经常移动，生产环节多，而且采掘工作需自身准备，具有从准备到生，双从生产到新的准备的循环运动规律。因此更要制定周密的采掘计划。在全面考虑露天矿各工艺环节配合的基础上，把矿山各时期的采掘工程发展做出综合安排。以便更合理地使用人力、材料和设备，均衡完成和超额完成生产任务。

2、是贯彻“十六字方针”，搞好矿山管理的重要环节。

采掘计划是用图和表，表示露天矿山工程发展的具体时间，空间与数量关系泊。通过编制计划使露天矿采掘方针得以具体贯彻。因此，它是设计和指导露天矿均衡生产，综合平衡的重要文件，是保证矿山正常持续生产，搞好矿山管理的重要环节，必须认真编制和实施。

二、采掘计划的划分及各类计划的任务

采掘计划可分为两种

1、设计中按年编制的露天矿采掘进度计划

它是矿山设计的重要文件，是设计决定的具体化，其任务是把初步确定矿山生产能力，均衡生产剥比加以验证，并安排落实同时比较准确地确定露天矿的基建时间，基建工程量，投入生产的时间，达产期限，设计计算年以及矿山采剥总量。逐年工作线推进位置，并按此计划计算各个时期所需的设备，人员和材料及其他矿山设施。

2、生产矿山编制的年度、季度，月度采掘计划

它是生产矿山每年的生产计划内容之一，也是年生产计划的核心，是组织管理矿山生产的重要文件。其任务是以当年国家下达的产品产量、质量、技术定额等指标为依据。按照技术设计中的采掘进度计划要求，安排该年度的采掘工作，因此，它除安排年末或月末，季末的工作线推进位置外，还要详细地计算菜爆、采装、运输、排土、机修等主要生产工艺和辅助车间的生产能力，找出薄弱环节，制定相应的措施以确保生产任务的完成。

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三、采掘进度计划的基本内容和编制要求

一、基建内容

露天矿采掘进度计划通常是以图表的形式来表示的，它反映了矿山工程发展的时间，窨和采剥量三者应遵守的关系。也就是说从这三个方面表示了矿山工程的发展状态。

时间：露天矿建设起止时间、投产、达产时间新水平投入生的时间。

空间：各项工程的空间位置，各水平推进的超前关系，扩帮与延深的关系。

数量：基建工程量，逐年采掘的矿石量、剥离量、掘沟量、生产剥采比，采掘进度计划包括下列图表

1、采掘进度计划表：如P228-229表T-3表中表示了

1）各台阶逐年开沟，剥离和采矿工作的发展----开沟量、采矿剥岩量、几个采区扩帮

2）逐年掘沟工程量和新水平投入生产的时间

3）上、下水平开采在数量上的超前关系，及同时工作台阶数目

4）逐年的矿岩采出总量及生产剥采比

5）挖掘机逐年投入量、投入时间、配置位置、工作类别及调动情况

6）基建工程是、基建期限、投产及达产时间。

进度计划表要逐年编制，一般编制到设计计算年后3-5年，所谓设计计算年是矿石已达到规定的生产能力和以均衡生产剥采比开始生产的年度，其采剥总量开始达到最大值。计算年的采剥总量是矿山设备、动力、材料消耗，人员编制建筑规模等计算的依据。

2、采掘水平分层平面图

此图是以地质分层平面图为基础编制而成的，如P230图7-33，在此图上，应有逐年采掘的矿岩量，作业挖掘机的数目和台号，出入沟和开段沟的位置，矿岩分界线，开采境界以及年末工作线的位置等。由此表示某一台阶上逐年工程发展状态。

3、采矿场年末开采综合平面图（P231图7-34）

此图是以采掘水平分层平面图为基础编制而成的。图上绘有各水平的工作线位置，出入沟和开段沟的位置，挖掘机的配置，矿岩分界线、开采境界和运输站线设置等。由此表示了某年末矿山工程发展状况：包括工作线长度，工作平盘宽度，斜沟及段沟的掘进，上下水平的超前关系，保有储备矿量，工作面线路和挖掘机配置等。

4、产量逐年发展图表

是在采掘进度表编制完成的基础上整理绘制出来的，采掘计划只编制设计计算年后3-5年，以后的产量可以3年或5年为单位粗略确定。

二、编制要求

1、尽快满足国家对矿石产量的要求，根据露天矿的具体情况，应尽可能地减少基建工程量，加速基本建设，保证在规定的时间内投入生产，投产后尽快地达到设计生产能力。

2、保持规定的各级储量指标，以保证产量的均衡，在开采具有多种品级矿石时，还要求各种工业品级的矿石产量和质量保持稳定呈规律性变化。

3、正确处理剥和采的矛盾，贯彻“采剥并行”的方针，生产剥采比安排得要经济合理最大生产剥采比期限不能过短，两个不同时期的剥采比亦尽量变化不要太大。

4、上、下水平的工作线要保持一定的超前距离。使平盘宽度小于最小工作平盘宽度、工作线要具有一定的长度，并尽可能地保持规整。要保证线路的最小曲率半径及各水平的运输道路，采掘设备调动不要过于频繁。

5、台阶水平推进与延深要密切配合。要按计划及时开拓新水平以保证采矿和矿量准备的衔接，在扩帮过程中，一定要遵守预定的矿山工程发展程序。

6、对于分期开采的矿山，要处理好分期和过渡的关系，要保证过渡期工程的衔接和产量的稳定。

第四节 开采设计要求及预防措施

一、设计的基本原则与指导思想

（1）贯彻“以人为本”的指导思想；

（2）贯彻“安全第一，预防为主”的安全生产方针；

（3）选用能耗低、效率高、安全可靠，便于操作和维护的设备；

（4）选择合理的开采工艺及开拓运输方案，力求技术可靠、经济合理，对矿产资源开发利用的同时避免环境影响因素造成危害。

二、设计的主要内容包括生产系统及辅助系统，主要分为以下三个部分：

1)采矿：

露天开采境界的确定；

开拓方式与采矿方法的确定；

生产工艺的选择；

生产设备能力的核定及选型（不包括矿石加工及外部运输设备、设施）。

2)辅助系统：

矿区总图运输；

矿山供电、机修、给排水、采暖；

矿部及生产、生活设施的建设；

安全与工业卫生；

矿区环境保护。

3)投资和企业经济效益概算。

根据现有资料和矿山开采现状，经与业主协商本设计仅对采矿工程做完整设计，辅助设施（机修、汽修、电修、供水、供电、采场外部运输及通讯）及生活福利设施只做初步概算，业主根据原有设施对照设计进行相关技术改造，达到设计要求，本设计仅将概算纳入总投资中进行财务评价与经济分析。

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三、设计中的预防措施

1）采空区处理方法

对于石灰岩矿山在闭坑后，采用覆土后进行植树或复耕。

2）保障露天矿最终边坡稳定及防止边坡坍塌措施

（1）按照有关设计参数进行矿山开采，及时设置安全平台。

（2）对临近最终边邦的爆破，采用控制爆破，以保持岩体的完整性和边邦的稳定性。

（3）定期检查边坡、边邦的稳定状况，及时清理松动浮石，清理人员应佩戴安全帽、系好安全带或安全绳。

（4）在采场外部合适位置修建截水沟和采场内修建临时排水沟，及时排除采场内的积水，以避免水浸引起边坡坍塌。

（5）对软弱岩层边坡，如土质边坡、风化带边坡、破碎带边坡和软弱夹层边坡，采取锚喷、浆砌、喷射混凝土等方法予以加固。

3）防止电气危害及防雷措施

矿山电气设备较少，较为集中，为防止触电危害事故发生，应采取的措施为：

（1）在发电机房设置安全防护装置、窗户设置金属栅栏并设立安全警示牌；

（2）在发电机房内增设矿用充电应急灯1盏，设置1211型灭火器；

（3）将发电机房的房门改向外开，利于逃生；

（4）对绝缘老化的部分线路进行更换，敷设不规范的线路进行整改，整理发电机房的用电线路，使其有序排列；在计量室通过的线路需要分开，不能绑扎在一齐，并用绝缘套管保护；

（5）及时修理和更换配电屏上有缺陷的电器；

（6）为容易发生机械事故的设备配置紧急停车装置，打扫卫生、擦拭设备时，严禁用水冲洗或用湿布去擦拭电气设备，防止短路和触电；

（7）电气维修的安全措施：

用电设备检修施行工作票制度、工作许可制度、工作监护制度、工作间断、转移和终结制度。

低压带电作业应设专人监护，使用有绝缘柄的工具，工作时站在干燥的绝缘物上进行，并戴手套和安全帽，必须穿长袖衣工作，严禁使用锉刀、金属尺和带有金属物的毛刷、毛掸等工具。低压配电箱和电源干线上的工作，应填写工作票。在低压电动机和照明回路上工作，可用口头联系。上述工作至少由两人进行。

（8）低压回路停电的安全措施：

① 将检修设备的各方面电源断开，取下熔断器（保险），在开关操作把手上挂“禁止合闸，有人工作!”的标示牌。

② 工作前必须验电。

③ 根据需要采取其他安全措施。

停电更换保险器后，恢复操作时，应戴手套和护目眼镜。

（9）安全距离的要求：低压架空线路与建筑物等最小距离表

架空电力线路保护区为导线边线在最大计算风偏后的水平距离和风偏后距建筑物的水平安全距离之和所形成的两平行线内的区域。1～10kv为1.5m。地下电力电缆保护区的宽度为地下电力电缆线路地面标桩两侧各0.75m所形成两平行线内区域。高压输电线高于各种机械设备最高部分2m以上，低压输电应高于各种机械设备最高部分0.5m以上。架空导线至建筑物的垂直距离：在最大计算弧垂情况下，对3～10kv线路应不小于3.0m；并且满足《金属非金属矿山安全规程》（GB16423-2006）的要求。

导线至地面或水面的最小距离（m）

建筑物

地面

树木

行车道路

垂直

2．5

6

1

水平

－

线路经过地区

线路电压，Kv

35

3～10

3以下

居民区

7.0

6.5

6.0

非居民区

5.5

5.0

不能通航及不能浮运的河、湖的冬季冰面

不能通航及不能浮运的河、湖的最高水位

3.0

交通困难地区

4.5

4.0

边导线至建筑物的的最小距离

距离（m）

1.5

1.0

导线至山坡、峭壁、岩石的最小净距（m）

步行可以到达的山坡

步行不能到达山坡、峭壁、岩石

防雷设施严格按照《建筑物防雷设计规范》的有关规定进行设计。

矿山建、构筑物按三类防雷考虑，凡高度在15m及以上的建、构筑物设避雷网、带，局部设避雷针保护。

矿山发电机房及架空线路、材料库、储油桶为主要防雷对象，应设置防雷设施。

4）机械危害预防措施

机械性伤害主要指机械设备运动（静止）部件、工具、加工件直接与人体接触引起的夹击、碰撞、剪切、卷入、绞、碾、割、刺等形式的伤害。本矿空压机、凿岩机、装载机等转动机械的外露传动部分（如飞轮、传动带等）和往复运动部分都有可能对人体造成机械伤害。同时，机械伤害也是矿山生产最常见的伤害之一，易造成机械伤害的设备有凿岩、压气、装运等设备。主要预防措施包括：

（1）机械设备操作人员必须学习设备结构、动作原理、操作方法等知识，懂得设备运行中出现各类事故的预防方法。特种设备操作人员必须经考核合格，做到持证上岗操作，严禁非操作人员启动运行设备，避免出现伤人、毁物事故。

（2）机械设备应按设备说明书和有关规定进行安装，设备运转部件的防护罩必须齐全完好。

（3）运动行走的设备(如汽车、装载机等)，人们应避开其运动范围，并设置防止运动部件脱落的防护装置。

（4）机械伤害控制的措施，主要是对各种转动机械应设置防护栏、防护罩和防护网或其它防护设施，做到人体与设备的危险部分隔离。机械防护装置应符合：《机械设备防护罩安全要求》（GB8196—87）；《固定式工业防护栏杆安全技术条件》（GB4053.3—93）。

5）防排水措施

矿山为山坡露天矿，最低开采标高1210m高于当地最低侵蚀基准面，地下水对开采的影响不大，采场充水主要为大气降雨，因此矿山防排水工作的重点是防止大气降雨地表迳流对矿山的影响。

矿山主要防排水措施包括：在采场外部设置截排水沟，工作平台设置3～5‰的坡度，利于排水；道路设置纵向排水沟及横向涵洞排水。

6）防尘

粉尘是矿山生产中主要的职业危害因素之一。为了有效地控制粉尘外逸，减轻粉尘对岗位工人的影响，本工程贯彻以防为主的方针，从工艺流程上尽量减少扬尘环节：

（1）钻机选用带有捕尘装置的潜孔钻，钻孔时加强通风、喷水等防尘措施；

（2）公路上应经常洒水，以减轻汽车运输时的扬尘；

（3）爆破后人员不得立即进入爆区，待粉尘自然消散后方可入场，以减轻粉尘的影响；

（4）定期进行工作场所空气中的粉尘浓度检测，保证工作场所空气中的粉尘浓度符合《工作场所有害因素职业接触限值》中的规定；

（5）为采场作业人员配备个体防护用品，并定期进行全员健康检查。

7）噪声控制措施

为了控制噪声污染，设计中尽可能选用低噪声设备；在空压机、钻机等高噪声气动设备上加装消音器；在高噪声场所要求工人配备隔声耳罩等个人防护用品，以减轻噪声对工人的影响。

8）爆破安全措施

（1）在进行爆破作业时必须严格执行《爆破安全规程》，视爆破方法、规模、地形特征，根据爆破安全规程按爆破地震安全距离、爆破冲击波安全距离和个别飞散物安全距离要求划定爆破危险区边界，设置安全警示标志，做好警戒工作，确保人员和财产安全。

（2）每次爆破必须有经批准的爆破设计。爆破后须经安全人员认真检查工作面安全情况，确认爆破地点安全后才准恢复作业。

（3）从事爆破作业的人员必须受过爆破技术培训，熟悉爆破器材性能、操作方法和安全规程，并持证上岗。

（4）在黄昏、大雾、雷雨天严禁进行爆破作业。

（5）临近最终边邦的爆破，用控制爆破以保持岩体的完整性和边邦的稳定性。

2.5 对矿山安全状况及周边安全环境的总体评价

该矿区水文地质条件简单；开采条件较好，工程地质条件简单；矿区开采范围内植被不发育，覆盖层薄，对当地环境影响不大；对于采空区在矿山闭坑后，采用覆土后进行植树或复耕，不会对矿区周边安全、环境造成不良影响。

本矿山工程自然危害因素及生产过程中可能发生的危险、危害因素均采取了有效的防治措施。在生产中重视安全生产，严格执行各项操作规程，建立并严格执行安全责任制，就能保障工人的劳动安全和身体健康，可以保证矿山安全生产