露天礦山分臺階開采與分層開采技術(shù)研究

張明增

【摘 要】世界煤炭資源的開采以露天開采方式為主，露天開采分為臺階式開采和分層開采兩種方式，本文詳細(xì)討論了兩種方法的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并分析了每種方法的適用條件。

【關(guān)鍵詞】露天礦山；技術(shù)研究

世界煤炭生產(chǎn)是以露天開采方式為主的，而我國目前露天煤礦的產(chǎn)量占全國煤炭生產(chǎn)總量的比例僅5%左右[1]。這主要由于煤炭資源賦存的地質(zhì)條件異常復(fù)雜，符合露天開采的煤炭資源數(shù)量較少。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國適合露天開采的煤炭資源比例約占總資源的7-10%之間，遠(yuǎn)低于美國、俄羅斯、澳大利亞、印度60%～75%的水平，而其中70%為褐煤，主要分布在內(nèi)蒙、新疆和云南。20世紀(jì)70年代改革開放以后，5大露天煤礦，即安太堡、黑岱溝、霍林河、伊敏河、元寶山露天礦的建設(shè)標(biāo)志著我國露大煤礦建設(shè)進(jìn)入一個新的階段。進(jìn)入新世紀(jì)后，我國規(guī)劃的13座大型煤炭基地中，神東、晉北、蒙東（東北）、云貴、黃隴（華亭）、陜西等基地都將建設(shè)大型露天煤礦。其中，僅蒙東要建7個5000萬噸級大型煤炭基地，包括勝利一、二、二號、白音華、伊敏河、寶日希勒一號和二號等。另外還有神府、哈爾鳥素和原有五大露天煤礦的改建及二、三期擴(kuò)建也在進(jìn)行中。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展趨勢的初步預(yù)計(jì)，我國露天煤礦產(chǎn)量占全國煤炭生產(chǎn)總量的比例將由2000年的4%增加到2010年的10%左右，2020年將達(dá)到15%，可以說露天煤礦在我國的發(fā)展正處于迅猛增長期和前所未有的發(fā)展機(jī)遇期，前景可觀。

1.露天礦山分臺階開采技術(shù)

露天開采時，通常是把礦巖劃分成一定厚度的水平分層，自上而下逐層開采，并保持一定的超前關(guān)系，在開采過程中各工作水平在空間上構(gòu)成了階梯狀，每個階梯就是一個臺階或稱為階段，這種開采方式叫做臺階式開采。臺階是露天采礦場的基本構(gòu)成要素之一，是進(jìn)行獨(dú)立剝離和采礦作業(yè)的單元體[2-3]。臺階構(gòu)成要素如圖1所示。

1-臺階上部平盤；2-臺階下部平盤；3-臺階坡面；4-臺階坡頂線；5-臺階坡底線；a—臺階坡面角；h-臺階高度

圖1 臺階構(gòu)成要素示意圖

臺階朝向采空區(qū)一側(cè)的傾斜面叫臺階坡面。它與水平面的夾角叫臺階坡面角（見圖1中的3和a）。

臺階上部平臺與坡面的交線叫坡頂線（見圖1中的4）。

臺階下部平臺與坡面的交線叫坡底線（見圖1中的5）。

臺階上部平臺與下部平臺間的垂線高度叫臺階高度（見圖1中的h）。開采時，將工作臺階劃分成若干個條帶逐條順序開采，每一個條帶叫做采掘帶。各臺階上部平盤和下部平盤是相對的，一個臺階的上部平盤同時又是其中一個臺階的下部平盤。臺階的命名，通常是用開采該臺階的下部平盤（即裝運(yùn)設(shè)備站平盤）的標(biāo)高表示，故常把臺階叫某水平。

特點(diǎn)：

（1）自上而下分臺階順序開采，必須有上山公路的修筑，公路要開拓到運(yùn)輸平臺，采裝設(shè)備在運(yùn)輸臺階上進(jìn)行鏟裝，適合上規(guī)模的露天礦山開采、采掘設(shè)備要求比較高，分多個工作面開采時，相互之間必須錯開一定的距離。

（2）實(shí)施中深孔爆破時，高度最多不得超過挖掘機(jī)舉高的1.5倍（根據(jù)巖層硬度系數(shù)定）。臺階高度與巖體穩(wěn)定性和采掘設(shè)備能力密切相關(guān)。

（3）運(yùn)輸平臺寬度，根據(jù)設(shè)備定，終了平臺一般為3m，清掃平臺一般為6m。

2.分層開采技術(shù)

分層式礦床開采是指將開采設(shè)計(jì)的每一個臺階都作為一個獨(dú)立分層，每個分層中都包含許多平面尺寸相同但高度可以不同的網(wǎng)塊，不同分層中網(wǎng)塊高度可根據(jù)工程、工藝需要變化，但網(wǎng)塊平面尺寸相同[4-5]。

將所有分層按對應(yīng)的平面坐標(biāo)系及高程次序順序地迭加在一起 ，就構(gòu)成了該區(qū)域的礦床開采地質(zhì)模型。這是一種一維可變、兩維固定的塊段礦床模型。分層式礦床開采地質(zhì)模型建立的過程是：根據(jù)開采程序制定的臺階劃分原則形成各臺階的初始臺階界面；按選采和工藝要求調(diào)整臺階界面；根據(jù)各地質(zhì)界面與各臺階上、下盤界面的空間位置關(guān)系確定各臺階、各網(wǎng)塊中分類礦巖含量；將各臺階模型按空間次序組合成礦床開采地質(zhì)模型。

2.1臺階界面確定

臺階劃分主要取決于開采工藝、設(shè)備規(guī)格及礦床賦存條件。臺階的劃分應(yīng)有利于發(fā)揮設(shè)備效率、提高礦石質(zhì)量（滿足選采要求）及保證作業(yè)安全。一般地，露天開采的臺階有三種劃分方式：按水平分層劃分臺階；按傾斜分層劃分臺階；按混合分層劃分臺階（部分傾斜分層，部分水平分層）。

因每個臺階界面均由其下盤界面及上一臺階的下盤面（ 或地表面） 圍成，故確定臺階界面的關(guān)鍵是確定臺階下盤界面。

最后確定臺階下盤界面；按選采及工藝要求對初定的臺階界面進(jìn)行調(diào)整。

2.2臺階中分類礦巖量的確定

根據(jù)各地質(zhì)層面與各臺階界面的空間位置關(guān)系確定各臺階各網(wǎng)塊的分類礦巖含量。臺階界面與地質(zhì)分層面有如下六種基本關(guān)系：臺階位于地質(zhì)分層中；地質(zhì)分層位于臺階中；臺階夾地質(zhì)分層頂板；臺階夾地質(zhì)分層底板；臺階在地質(zhì)分層之下；臺階在地質(zhì)分層之上。在該臺階范圍內(nèi)逐網(wǎng)塊進(jìn)行計(jì)算。對于每一地質(zhì)分層，均考察其與本臺階界面的位置關(guān)系，若地質(zhì)分層與本臺階有相交或包含（被包含）關(guān) 系，則進(jìn)一步確定相交或包含高度。

據(jù)此確定出本臺階各網(wǎng)塊內(nèi)的分類礦巖厚度、量。若獨(dú)立可采礦層頂、底板位于臺階中，還需扣除采掘貧化損失厚度。臺階中的每一網(wǎng)塊，都記錄其分類礦巖量。

特點(diǎn)：

（1）自上而下分層順序開采，是在不分臺階開采的情況下，目前能夠保證開采安全的唯一可行的開采方式。由于該開采方式不分臺階，可以省去上山公路的修筑，節(jié)省大量的投資，適合小型露天采石場規(guī)模小、采掘設(shè)備簡單、贏利能力弱的特點(diǎn)。同時由于該開采方式設(shè)有分層鑿巖平臺，與在坡面上鑿巖相比，可保證鑿巖作業(yè)安全。

（2）實(shí)施中深孔爆破時，分層高度不得超過20米。分層高度與巖體穩(wěn)定性和采掘設(shè)備能力密切相關(guān)，限制分層高度是基于開采安全和效率兩方面考慮。

（3）分層鑿巖平臺寬度不得小于4米。分層平臺寬度過窄，鑿巖作業(yè)場地面積不足，作業(yè)過程中易發(fā)生墜落事故。當(dāng)然，分層平臺也不宜過寬，否則爆碴不能全部直接拋擲到裝巖平臺，需要在分層平臺轉(zhuǎn)運(yùn)，這樣會增加生產(chǎn)成本，降低作業(yè)效率，也就失去了分層開采的意義。

3.結(jié)語

（1）露天礦臺階式開采自上而下分臺階順序進(jìn)行，必須有上山公路的修筑，公路要開拓到運(yùn)輸平臺，采裝設(shè)備在運(yùn)輸臺階上進(jìn)行鏟裝，適合規(guī)模比較大的露天礦山開采、采掘設(shè)備要求比較高，分多個工作面開采時，相互之間必須錯開一定的距離。

（2）露天礦分層開采自上而下分層順序開采，是在不分臺階開采的情況下，目前能夠保證開采安全的唯一可行的開采方式。由于該開采方式不分臺階，可以省去上山公路的修筑，節(jié)省大量的投資，適合小型露天采石場規(guī)模小、采掘設(shè)備簡單、贏利能力弱的特點(diǎn)。同時由于該開采方式設(shè)有分層鑿巖平臺，與在坡面上鑿巖相比，可保證鑿巖作業(yè)安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]國家能源局發(fā)展規(guī)劃司.科學(xué)發(fā)展的2030年國家能源戰(zhàn)略研究報告（征求意見稿）[M].2009.

[2]才慶祥，洪宇.露天煤礦高效開采新技術(shù)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3]駱中洲.露天采礦學(xué)（上冊）[M].中國礦業(yè)學(xué)院出版社，1986.

[4]牛成俊.現(xiàn)代露天開采理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[5]楊榮新.露天采礦學(xué)（下冊）[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.