露天采矿第 07章__露天开采境界

矿床露天开采第7章露天开采境界7.1概述7.1.1露天开采境界的组成及其影响因素 由于矿床埋藏条件不同，在确定矿床开采方式时可能遇到下列三种情况：矿床全部宜用地下开采；矿床上部宜用露天开采而下部用地下开采；矿床全部宜用露天开采，或上部用露天开采而剩余部分暂不宜开采。露天开采境界的组成要素：露天矿的底部周界最终边坡开采深度 露天开采境界就是要合理地确定这些要素。露天开采境界的大小决定了露天矿的可采储量和剥离岩量。开采境界的位置和演化与露天矿开拓、采剥程序、生产能力以及基建工程量密切相关，并直接影响矿床开采的总体经济效果。因此，合理确定露天开采境界不仅是一个技术问，也是一个经济问题。确定露天开采境界的影响因素自然因素经济因素技术组织因素露天开采境界不是一成不变的露天开采境界可分为分期境界和最终境界7.1.2剥采比在露天开采境界的某一特定区域内，剥离岩石量与采出矿石量的比值称为剥采比。在露天开采设计中，常用不同含义的剥采比反映不同的开采空间或开采时间的剥采关系及其限度。常用的剥采比：平均剥采比分层剥采比生产剥采比境界剥采比经济合理剥采比储量剥采比原矿剥采比几个概念术语实际贫化率实际回收率视在回收率7.2确定经济合理剥采比的方法方法实质：将露采与地采的经济效果做比较来确定经济合理剥采比。应用较广泛的是储量盈利比较法系列：产品成本比较法储量盈利比较法盈亏平衡法7.2.1产品成本比较法矿山企业的最终产品可以是原矿、精矿或其他产品。（1）原矿成本比较法原矿成本：原矿成本比较法的原理是将原矿的地采成本作为露采成本的上限，从而确定经济合理剥采比。即：于是可得：则经济合理剥采比即为上式的最大值，即（2）精矿成本比较法该方法是以精矿（或矿产品）作为计算基础，使露天矿的精矿成本不大于地采精矿成本。即于是可得精矿经济合理剥采比：原矿的精矿产出率：经过代入转换可得：7.2.2储量盈利比较法该方法是将单位工业储量的地下开采盈利作为露天矿开采盈利的下限，即于是可得经济合理剥采比为：7.2.3盈亏平衡法盈亏平衡法适用于矿床单一露采的情形。该方法要求露采的矿产品成本不得超过其销售价格，或者不允许单位工业储量的露采最终盈利小于零，以保证矿山不亏损。即于是可得经济合理剥采比：7.2.4各种方法得相互关系和适用条件储量盈利比较法系列的基本思想是要求单位工业储量的露采最终盈利不小于地采盈利。该系列的基本方法是储量盈利比较法，系列中的其他方法都是该方法的特殊形式。假设露采和地采单位工业储量所获原矿的数量和质量均相同，即：则有在这种情况下，储量盈利比较法简化为原矿成本比较法，即：若露采和地采单位工业储量所获精矿数量和质量均相同，则有上式表明，此时可以通过比较精矿成本来反映储量盈利情况，即精矿成本比较法与储量盈利比较法在这种情况下等价。显然，当矿床仅适用露天开采而不宜用地下开采时，意味着，此时储量盈利比较法就简化为盈亏平衡法，即7.2.5其他计算方法7.3境界剥采比的计算方法境界剥采比的计算方法有许多种，分别适用于不同技术特征的矿床，不过这些计算方法的原理是一致的。下面仅讨论长露天矿开采倾斜及急倾斜矿床的情况。开采倾斜及急倾斜矿床的长露天矿，是在横断面图上计算其境界剥采比。根据境界剥采比的定义，可推导出投影线段比法，其原理可以用下图来说明。该图表示地形平坦的规则矿体，其水平厚度为m，倾角为a。露天开采境界的顶、底帮边坡角分别为γ和β，abcd和a1b1c1d1分别是深度H和H一ΔH的境界，ag和dh为cc1的平行线。为了确定境界剥采比，需要分别计算四边形b1c1cb、aa1b1b和d1dcc1的面积ΔA、ΔV1和ΔV2。根据几何关系，有：由此可得到岩石增量于矿石增量之比值：当ΔH0时，可得境界剥采比：上式表明，境界剥采比可用线段（gb+ch）与bc的长度之比来确定一般情况下用投影线段比法计算境界剥采比的步骤如下：如下图所示，首先绘出深度H的露天开采境界abcd，它交地表于a、d两点，交分支矿体于e、f、g、h点；再确定境界底部的延深方向，即将本水平一侧下部境界点c与上水平同侧下部境界点c0相连，得投影方向线cc0；然后，依次从a、e、f、g、h、d作cc0的平行线，交水平线bc于a1、e1、f1、g1、h1、d1。深度H的境界剥采比为：于是可得储量境界剥采比和原矿境界剥采比分别为：7.4确定露天开采境界得原则露天开采境界的大小决定了露天矿采矿量和剥离量的多少。随着露天开采境界的延深和扩展，在采矿量增加的同时剥离量也大幅度增加，从而导致剥采比不断增大。因此，露天开采境界的确定，实质上是对剥采比的大小加以控制，使之不超过经济合理剥采比。然而，究竟要控制哪一种剥采比，存在许多不同观点，其中形成较早又具有代表性的观点可以归纳成下面讨论的三种原则。（1）境界剥采比不大于经济合理剥采比原则（2）平均剥采比不大于经济合理剥采比原则（3）生产剥采比不大于经济合理剥采比原则（1）境界剥采比不大于经济合理剥采比原则该原则的实质是，露天开采境界向下延深时，露采的边际经济效益不劣于地采经济效益。该原则的技术经济目标是使整个矿床的开采盈利最大。假设有最大埋深为H0的规则矿床，其横断面如下图所示。矿床上部和下部分别采用露天开采和地下开采，其开采盈利可以表示为露天开采境界深度H的函数u（H），即：令du/dH=0，可以获得使u(H)达到最大值的露天开采境界最佳深度，并由此可以得出开采境界最佳深度所对应的技术经济条件：目前，国内外普遍运用nJ≤nJH原则来圈定露天开采境界。但是，对于某些覆盖层较厚或不连续的矿体，这一原则不适用。如下图所示的矿体，abcd是按这一原则确定的露天开采境界，但其平均剥采比大于经济合理剥采比，这意味着该境界在经济上明显不合理。（2）平均剥采比不大于经济合理剥采比原则对于露天开采境界内的全部矿岩量，这一原则要求露天开采的总体经济效果不劣于地下开采。如下图所示，设abcd是露天开采境界，境界内矿石量为A、岩石量为V，根据原矿成本比较法可得：上式的左端是平均剥采比，右端是经济合理剥采比。可以证明，平均剥采比不大于经济合理剥采比原则的技术经济目标是：在满足露采的平均经济效果不劣于地采的条件下，使划归露天开采境界的矿石储量最大。由于这一原则是采用算术平均的方法，因此难免会使露天开采某些时期的经济效果劣于地下开采。nP≤nJH原则可以与nJ≤nJH原则合用。对于某些覆盖层很厚或不连续的矿体，按nJ≤nJH原则圈出开采境界后，还要核算该境界内的平均剥采比，看它是否满足nP≤nJH原则。此外，对于某些贵重或稀有矿物的高价值矿床或小型矿山，为了尽量采用露天开采以减少矿石的贫化损失，可以运用这个原则来确定开采境界，借以扩大露天开采范围。（3）生产剥采比不大于经济合理剥采比原则生产剥采比可以反映露天矿生产的实际剥采比。因此按nS≤nJH原则确定开采境界，可以使露天矿任何生产时期的经济效果都不劣于地下开采。该原则中的生产剥采比，可以是均衡生产剥采比，也可以是未均衡的生产剥采比即时间剥采比。按该原则圈定的露天开采境界比按nP≤nJH原则圈定的小，而较按nJ≤nJH原则圈定的大。因此，随之而来的初始剥离量和基建投资也较大。另外，由于生产剥采比的概念不易明确界定，加之它与采深的关系较为复杂而不易把握，因而该原则相应的设计方法的可操作性较差。鉴于上述原因，这个原则很少采用。7.5确定露天开采境界得方法和步骤确定露天开采境界是在露天矿主要的生产设备、生产工艺及工艺参数、露天矿采剥程序、开拓运输方式、线路参数等初步拟定以后进行的。确定露天开采境界的方法，根据矿床的赋存条件不同而异。下面仅以倾斜和急倾斜矿床为对象，介绍设计中广泛应用的按nP≤nJH原则确定露天开采境界的方法和步骤。（1）露天矿最终边坡角的选取露天矿最终边坡角对露天矿的生产安全与经济效果都有很大影响。过小的边坡角，将增加剥岩量，使剥采比增大，从经济效果来考虑，希望边坡角尽可能大些。然而，过大的边坡角，将导致边坡失稳，严重影响矿山正常生产。因此，露天矿的最终边坡角，要同时满足安全稳定条件和开采技术条件的要求。安全稳定条件是指根据边坡岩体的性质，通过稳定性计算，确定能保证边坡稳定的边坡倾角。在境界设计阶段，一般是参照类似矿山实践资料选取稳定的边坡角，并用已有资料对其稳定性进行初步分析和简要计算。关于开采技术条件，是指按边坡的构成要素确定最终边坡角。露天矿最终边坡由最终台阶，即非工作台阶组成（下图所示），其水平部分，即最终平台，按作用不同分为安全平台、清扫平台和运输平台。实践经验表明，较窄的安全平台和清扫平台在邻近边坡爆破时常遭破坏，以致不能发挥应有的作用。因此，近年来国内外不少矿山采用预裂爆破并段，即把2～3个台阶的坡面有控制地连成一体，然后设置一个宽度达8～12m的清扫平台，以便能有效地发挥拦截和清扫落石的作用。如果边坡稳定性较差，要求的边坡角较缓，则不宜并段。最终台阶坡面角a，安全平台、清扫平台、运输平台和出人沟的宽度a、b、c和d，以及相应平台数n1、n2、n3和n4，台阶高度h等参数确定之后，符合开采技术条件的最终边坡角β可用下式计算：对于急倾斜矿体，按上式计算的边坡角不得大于也不应过分小于按安全稳定条件确定的最终边坡角；对于缓倾斜矿体，若矿体倾角小于安全稳定边坡角，则底帮最终边坡角应等于矿体倾角，以便充分采出靠近下盘的矿石。（2）确定露天矿底部宽度和位置露天矿的最小底宽，应满足采掘运输设备在底部正常运行与安全作业的要求，一般不应小于开段沟的底宽。露天矿的底部位置沿水平方向移动时，开采境界内的矿岩量及平均剥采比也随之变化。因此，在无其他特别要求的情况下，露天矿底应置于使平均剥采比最小的位置。（3）确定露天矿开采深度确定露天开采境界的原则实质上是确定露天矿开采深度的理论依据。确定开采深度的方法为－分析法，具体操作步骤如下：在地质横断面图上初步拟定开采深度在地质纵断面图上调整露天矿底部标高（4）绘制露天矿底部周界根据设计开采深度和底部宽度，确定露天矿底平面，并绘制底部周界，如下图所示。绘制步骤为：按调整后的露天矿底部标高，绘制该水平的地质分层平面图在各横断面、纵断面、辅助断面图上，按确定的设计开采深度，绘制露天开采境界。将各断面图上的露天矿底部位置（底部两侧的端点）分别投影到分层平面图上，依次连接各点，得出理论上的底部周界（下图中的虚线）。为了能正常进行采装和运输工作，初步得出的理论周界尚需按以下要求加以修正，即：底部周界要尽量平直，弯曲部位的曲率半径要适应运输设备的技术性能；底部长度应保证运输道路的展线符合技术。（5）绘制露天矿开采终了平面图步骤如下：将露天矿的设计底部周界绘在透明纸上，并标明底平面标高和核准底平面位置。将绘有底部周界的透明纸覆于地形图上，按照边坡组成要素，从底部周界开始由里向外依次绘出各个台阶的坡底线（下图所示）。显然，凹陷露天矿的各台阶坡底线在平面图上是闭合的；山坡露天矿的台阶坡底线不能闭合，其末端应与同标高的地形等高线交接在平面图上布置开拓运输路线，即所谓的定线。从底部周界开始，由里向外依次绘出各个台阶的坡面和平台。与此同时，在布置开拓坑线的边帮上，绘出台阶间相互沟通的倾斜运输平台（下图所示）。当开拓运输系统简单或设计经验丰富时，以上各步骤可以合并一次完成。即绘出露天矿底部周界后，根据定线方案，自里向外直接绘出各台阶的平台、坡面及出人沟，一步绘出露天矿开采终了平面图。检查和修正绘制的露天开采境界。由于原定的露天开采境界，特别是布置开拓坑线的边帮，常受开拓运输路线的影响，致使边坡角变缓，剥采比增大。因此，要重新计算和校核其境界剥采比和平均剥采比，若不符合要求，应根据具体条件凋整开拓运输系统或采剥程序，迸行局部修改，甚至重新确定露天开采境界。