排土工艺

露天矿排土技术与排土场治理方面的发展趋势表现三个方面：（1）采用高效率的排土工艺，提高排土强度；（2）增加单位面积的排土容量，提高堆置高度，减少排土场占地；（3）排土场复垦，减少环境污染。排土运输工艺技术与采矿场的运输系统有密切联系，国外一些大型露天矿都采用大型高效率运输机械，实行科学化管理，排土运输也是面向设备大型化和排土连续化方向发展。 苏联、美国矿山、排土场占地面积分别为矿山总占地面积的50%和56%，但其复垦率较高。如美国矿山占地的复垦率为80%，其中排土场的复垦率为52%。据对我国冶金露天矿的调查，排土场占矿山总占地面积的39～55%。黑色冶金矿山、铝土矿及建材矿山的露天开采产量比重占总产量的90%以上，化工矿山露天开采占70%左右，但排土工程仍然是露天矿生产的薄弱环节。排土场占用土地及其与环境保护的矛盾日趋突出，据统计，全国国营矿山56000个（其中归中央各工业部门统配矿山1057个），每年采矿占地约6.7～10万公顷，按全国矿山占地200万公顷计算，已复垦的土地不超过1.3万公顷，其复垦率不到1%。 随着我国矿山事业的发展和采矿技术的进步，大型深凹露天矿将逐渐增多，排土新工艺新技术和许多大型高效率的排土设备将能得到广泛应用。排土场的技术管理，排土场与环境工程将会得到改进与完善。 一、排土场位置选择的原则 按排土场与采场的相对位置，可分为内部排土场与外部排土场。内部排土场是把剥离岩土直接排弃到露天采场的采空区，这是一种最经济而又不占农田的排土方案，在有条件的矿山应尽量采用。但只有开采水平或缓倾斜（小于12°）矿体和一个采场内有两个不同标高的底平面的矿山以及分区开采的矿山才适用内部排土。在绝大多数的金属和非金属露天矿都不具备内部排土条件，而要采用外部排土场。 一个矿山可在采场附近设置一个或多个排土场，根据采场和剥离岩土的分布情况，可以实行分散或集中排土，通常采用线性规划方法对排弃物料的流向、流量进行平面规划和竖向规划。对于近期和远期排土量进行合理分配，以达到最佳的经济效益。排土场的选择应遵守下列原则： （1）排土场应靠近采场，尽可有利用荒山、沟谷及贫脊荒地，以不占或少占农用。就近排土减少运输距离，但要避免在远期开采境界内将来进行二次倒运废石。有必要在二期境界内设置临时排土场时，一定要做技术经济方案比较后确定。 （2）有条件的山坡露天矿，排土场的布置应根据地形条件，实行高土高排，低土低排，分散货流，尽可能避免上坡运输，减少运输功的消耗。做到充分利用空间，扩大排土场谷积。 （3）选择排土场应充分勘察其基底岩层的工程地质和水文地质条件，如果必须在软弱基础上（如表土厚、河滩、水塘、沼泽地、尾矿库等）设置排土场时，必须事先采取适当的工程处理，以保持排土场基底的稳定性。 （4）排土场不宜设在汇水面积大、沟谷纵坡陡、出口又不易拦截的山谷中，也不宜充在工业厂房和其他构筑物及交通干线的上游方向，以避免发生泥石流和滑坡，危害生命财产，以及污染环境。 （5）排土场应设在居民点的下风向地区，以防止粉尘污染居民区。应防止排土场有害物质的流失，污染江河湖泊和浓田。 （6）排土场的选择应考虑排弃物料的综合利用和二次回收的方便，如对于暂不利用的有用矿物或贫矿、氧化矿、优质建筑石材，应该分别堆置保存。 （7）排土场的建设和排土规划应结合排土场结束或排土期间的复垦统一安排，排土场的复垦和防止环境污染是排土场选择和排土规划中一个重要内容。 二、排土规划 为了露天矿岩土排弃的经济合理性，必须进行热电厂土规划。当采场的开拓运输系统已定时，排土工作要达到经济合理的运输距离和全部剥离排土的运营费用的贴现值最小。排土规划还要考虑排土场的数量与容积、排土场与采场的相对位置和地形条件，及其对环境的影响等。 排土场时应进行排土场平面规划和竖向规划。当选择有多个排土场，分散排土时，则通过平面规划，达到支量合理分配。而在一个排土场范围内，由于它和采场有一定的高差关系，所以竖向规划特别重要，尤其是山坡露天矿和在沟谷、山坡地形设置排土场，我们经常遇到的是竖向规划问题。 （一）竖向规划的原则和堆置型式 将采场内需要剥离的岩土在竖向上划分一定的台阶，同样按照排土场地形条件及排土工艺，也要在竖向上划分台阶，使之与采场剥离台阶的划分相协调。根据露天矿排土运输条件和排土场建设类型，其竖向规划可分为以下几种堆置型式（图1）。 图1  排土场竖向规划形式 Ⅰ型为平缓坡运输形式。图中方块面积表示各个台阶的岩土量，箭头方向表示运输线路方向。这种类型的特点是采场剥离台阶比排土台阶高一个台阶，采场由上往下剥离，排土场由上往下堆置，其运输路线是平缓坡，运输技术条件最佳，适用于公路和铁路运输排土。 Ⅱ型为下降运输形式。排土运输的特点是采场剥离台阶高于排土场两个以上的台阶高度，必须采用下降运输形式。采场由上至下剥离，而排土场由近向远或由下至上排土。如果条件允许可以按模型实行单层高台阶排土，这样下降距离小，运输线路简单，运费较低。若高台阶排土的条件不允许，则采用低分段分层堆置。 Ⅲ型为上升运输形式。其特点正好与Ⅱ型相反，采场剥离岩土都要用上升运输形式运至排土场，它的运输功和运输费最高，是最不利的排土类型。当采用汽车或铁路运输方式时，同样存在线路长，运费高的缺点，如汽车运输，重车上坡的运费比下坡运输高10%左右，比平缓坡运输高30%左右。 上升运输坡度大，可采用胶带运输，它爬坡能力强，效率高。 上升运输最好采用水平分层堆置方式。从理论，分层高度越小，运输功越小。但是，分层高度小，则分层运输路线增多，是不经济的。因此分层高度要经过技术经济比较后确定之。 Ⅳ型是以上三种模型的组合型，它适合于山区地形，比高很大，上部是山坡露天开采，下部为深凹露天开采，而排土场也是在比高较大的山谷。这样的竖向规划往往比较复杂，需要进行多方案分析比较和优化。 （二）线性规划数模型 露天矿剥离岩土运往排土场时其运量及流向的合理规划，即用最少的运输距离和费用开支达到排土的目的，且使矿山排土费用之总和为最小。 线性规划露天运输的一般形式，即目标函数式是： 式中  Vij-从采场第i个水平的岩土运输到第i个排土场可能的运输量，t； Cji-从采场第i个水平的岩土运输到第j个排土场可能的单位排土费用，元/吨； m-采场内剥离水平总数，个； n-排土场（或排土台阶）总数，个； Z-矿山排土费用总和，元。 计算应满足以下约束条件： 从采场任一开采水平运到各个排土场的岩土量应该等于该水平岩土量的总和，即： 同理，任一排土场（或台阶）所容纳的总岩土量应该等于从采场各水平运到该排土场的岩土量之和，即： 式中  ai-采场内任一开采水平的岩土总量； bj-任一排土场所容纳的岩土总量； Ci-任一个开采水平运到各排土场的总量； Di-任一个排土场所容纳各开采水平的岩土总量。 同时应满足条件，Vij≥0（i=1，2，……m，j=1，2，……n）。 三、排土场设置容量 设计的排土场总容积应与露天矿的总剥离量相适应。经过排土场选择和规划，根据排弃岩土的物理力学性质及排土工艺参数，分析计算排土场堆置参数和堆置容量。 V= VoKs （4） Ks       式中  Vo-剥离岩土的实方量，m3； Ks-初始剥离岩土的碎胀系数； Ko-排土场沉降参数，（1.1～1.2）； V-排土场有效容量，m3。 岩土的碎胀系数、沉降系数和自然安息角的参考值分别列于表1、表2、表3。 表1  岩土的碎胀系数Ks 类别 级别 初始碎胀系数 终止碎胀系数 砂 砂质粘土 粘土 夹石与粘土 块度不大岩石 大块岩石 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 1.1～1.2 1.2～1.3 1.24～1.3 1.35～1.45 1.4～1.6 1.45～1.8 1.01～1.03 1.03～1.04 1.04～1.07 1.1～1.2 1.2～1.3 1.25～1.35         表2  排土场岩石沉降系数K 岩土类别 沉降系数 岩土类别 沉降系数 硬岩 1.05～1.07 砂质岩石 1.07～1.09 软岩 1.10～1.12 砂质粘土 1.11～1.15 砂和砾石 1.09～1.13 粘土 1.13～1.19 亚粘土 1.18～1.21 粘土夹石 1.16～1.19 泥夹石 1.21～1.25 小块岩石 1.17～1.18 砂粘土 1.24～1.28 大块岩石 1.10～1.20         表3  岩堆自然安息角 岩土类别 安息角（°） 平均（°） 砂质片岩（角砾、碎石）与砂粘土 砂岩（块石、碎石、角砾） 砂岩（砾石、碎石） 片岩（角砾、碎石）与砂粘土 页岩（片岩） 石灰岩（碎石）与砂粘土 花岗岩 钙质砂岩 致密石灰岩 片麻岩 云母片岩 各种块度的坚硬岩石 26～42 26～40 27～39 36～43 29～43 27～45 32～26.5 30～48 35 32 33 38 38 34 37 34.5 34 30 32～45       四、排土场分类 按运输排土方法可分为：汽车-推土机、铁路-电铲（排土犁、推土机、前装机、铲运机等），带式输送机-排土机，以及水力运输排土等。按排土场地形条件和排土堆置顺序又可分为：山坡形和平原形排土场、单台阶堆置、水平分层覆盖式堆置、倾斜分层压坡脚式堆置等类型（表1）。 表1  排土场分类特征 分类 排土场分类 排土方法和堆置顺序 按排土场位置区分 内部排土场 排土场设置在已采完的采空区 外部排土场 排土场设置在采场境界以外 按堆置顺序区分 单台阶排土 单台阶一次排土高度较大，由近向远堆置 多台阶复盖式 由下而上倾斜分层复盖，留有安全平台 多台阶压坡脚式 由上而下倾斜分层，逐层降低标高，反压坡脚 按排土机械运输方式区分 铁路运输排土场 按转排物料的机械类型区分： 排土犁排土、电铲排土、推土机排土；前装机排土；铲运机排土；索斗铲排土等 汽车运输排土场 按岩土物料的排弃方式区分： 边缘式-汽车直接向排土场边缘卸载，或距边沿3～5m卸载，由推土机排弃和平场 场地式-汽车在排土平台上顺序卸载，堆置完 一个分层后再用推土机平整场地 带式输送机-排土机排土场 采用带式排土机排弃，按排土方式和排土台阶的形成可分：下排和下排；扇形排和矩形排土 水力运输排土场 采用水力运输、铁路运输和轮胎式车辆运输岩土到排土场，再用水力排弃 无运输排土场 采用推土机、前装机、机械铲、索斗铲和排土桥等直接将剥离岩土排卸到采空区或排土场；工艺简单，效率高，成本低。多数适用于内部排土场       对于缓倾斜薄矿体及一些铝土矿、砂矿，适宜于进行内排土，其技术经济效益显著。然而，按照传统采矿工艺很难采用内排土的长度大的倾斜急倾斜厚矿体或一个矿区有几个采场的矿山，通过技术经济论证和采掘计划安排，可以先强化开采部分采场或分区开采，将采空区作为内部排土场。