第十八章露天开采的生产工序.docx
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第十八章露天开采的生产工序
第十八章露天开采的生产工序
金属矿床露天开采一般要经过以下四道生产工序：
穿孔、爆破、铲装及运输，以上各工序环节相互衔接、相互影响、相互制约，共同构成了露天开采的最基本生产周期，本章将介绍以上各生产工序中的主要问题。
第一节穿孔作业
穿孔作业是矿床露天开采的第一道生产工序，其作业内容是采用某种穿孔设备在计划开采的台阶区域内穿凿炮孔，为其后的爆破工作提供装药空间。
穿孔工作质量的好坏直接影响着爆破工序的生产效率与爆破质量。
在整个露天开采过程中，穿孔作业的成本约占矿石开采总生产成本的10％~15％。
一、穿孔方法与穿孔设备
截至目前为止，露天矿生产中曾广泛使用过的穿孔方法有两种：
热力破碎法与机械破碎法，其相应的穿孔设备有火钻、钢绳式冲击钻、潜孔钻、牙轮钻与凿岩台车，其中以牙轮钻的使用最为广泛，潜孔钻次之，火钻与凿岩台车仅在某些特定条件下使用，钢绳式冲击钻已被淘汰。
近年来，国内外一些专家还在探索新的穿孔方法，如频爆凿岩、激光凿岩、超声波凿岩、化学凿岩及高压水射流凿岩等，但目前所设计出的相应凿岩设备仍处在试验研制阶段，尚未在实际生产中广泛使用。
露天矿穿孔设备的选择主要取决于开采矿岩的可凿性、开采规模要求及设计的炮孔直径。
表18-1中列出了在露天矿生产中曾广泛使用过的各种类型钻机的穿孔原理、可穿孔直径、生产能力及适用条件。
二、牙轮钻机
牙轮钻机于五十年代开始在美国露天矿山使用，七十年代起引进我国。
目前，美国、加拿大和苏联的金属露天矿山中牙轮钻机的比重已占80％以上，我国大型露天矿山都已大量使用牙轮钻机。
牙轮钻机具有穿孔作业率高、作业成本低，机械化程度高、适用于在各种硬度的矿岩中穿孔的优点，已成为当今世界各国露天矿最先进的穿孔设备。
（一）牙轮钻机的工作原理
牙轮钻机的外形如图18-1所示，其穿孔原理主要是通过钻机的回转和推压机构使钻杆带动钻头连续转动、同时对钻头施加轴向压力，以回转动压和强大的静压形式使与钻头接触的岩石粉碎破坏，钻进的同时，通过钻杆与钻头中的风孔向孔底注入压缩空气，利用压缩空气将孔底的粉碎岩渣吹出孔外，从而形成炮孔。
表18-1各类钻机及其相应特性一览表
钻机种类
钻孔直径（mm）
用途
钻孔方法
一般
最大
最小
火钻
200~250
380~580
100~150
含石英高的极硬岩石
热力破碎
手持式凿岩台车
38~42
23~25
浅孔凿岩和二次破碎等辅助作业
冲击式机械破碎
凿岩台车
56~76
100~140
38~42
小型矿山的主要穿孔作业或大型矿山辅助作业
冲击式机械破碎
钢绳冲击钻
200~250
300
150
大中型露天矿山各种硬度的岩石
冲击式机械破碎
潜孔钻
150~250
508~762
65~80
主要用于中小型矿山中硬以上的岩石
冲击式机械破碎
旋转式钻机
45~160
软至中硬矿岩
切削式机械破碎
牙轮钻机
250~310
380~445
90~100
大中型矿山中硬至坚硬的岩石
滚压式机械破碎
按牙轮钻机回转和推压方式的不同，目前的牙轮钻机可归为三种类型：
底部回转连续加压式钻机、底部回转间断加压式钻机、顶部回转连续加压式钻机。
目前国内外绝大多数牙轮钻机均采用顶部回转连续加压方式。
按传动方式的不同牙轮钻机可分为以下两种基本类型：
（1）滑架式封闭链链条式牙轮钻机，此类钻机如国产的HZY250、KY250c、KY310型钻机。
（2）液压马达封闭链齿条式牙轮钻机，如美国BE公司产的45R钻机、60R、61R钻机，美国加登纳丹佛公司产的GD120、GD130型。
国内外型号及其技术性能如表18-2、表18-3所示。
（二）牙轮钻机的钻具
牙轮钻机的钻具包括钻杆、稳杆器、减震器和牙轮钻头四部分，如图18-2所示。
钻杆的作用是把钻压和扭矩传递给钻头。
钻杆的长度有不同的规格。
采用普通钻架时，每根钻杆的长度为9.2、9.9m。
采用高顶钻架时，考虑到底部磨损较快，仍用短钻杆，钻孔过程中上下两钻杆交替与钻头连接，以达到两根钻杆均匀磨损。
稳杆器的作用是减轻钻杆和钻头在钻进时的摆动，防止炮孔偏斜，延长钻头的使用寿命。
钻头是破碎岩石的主要工作部件，其作用：
在推进和回转机构的作用下，以压碎及部分削剪方式破碎岩石。
牙轮钻头由牙爪、牙轮、轴承等部件组成。
典型的三牙轮钻头的外形及结构如图18-3与图18-4所示。
表18-2国产牙轮钻机主要技术规格
表18-3国外牙轮钻机主要技术规格
根据岩石的不同性质，牙轮上装有不同形状、不同齿高、齿距以及布齿方式的钢齿或硬质合金钢。
牙轮可绕牙爪轴颈自转并同时随着钻杆的回转而绕钻杆轴线公转。
牙轮在旋转过程中依靠钻压压入和冲击破碎岩石，同时又由于牙轮体的复锥形状、超顶和移轴等因素作用，使牙轮在孔底工作时产生一定量的滑动，牙轮齿的滑动对岩石产生剪切破坏，因此，牙轮钻头破碎岩石的机理实际上是冲击、压入和剪切的复合作用。
在牙轮钻进的同时，用风压将破碎的岩屑由钻孔的环形空间排至地表，另一部分风流则通过挡渣管和牙爪风道进入轴承的各部分，用以驱散轴承内的热量，清洗和防止污物进入轴承内腔。
（三）牙轮钻机的工作参数
牙轮钻机的工作参数主要有钻压、钻具转速、排渣风量与风压。
在不同的矿岩条件下，它们的合理配合可以获得较高的穿孔效率，延长钻头寿命。
1、钻压的确定
钻压的大小应根据穿凿矿岩的物理机械性质、钻头的承载能力和钻机的技术性能来确定。
钻压不足时，岩石由于牙轮齿摩擦、刮削作用而发生疲劳破碎，此时穿孔速度较低，钻头寿命也较短；钻压达到或超过岩石的破碎强度时，岩石被压碎或剪碎，此时钻孔速度快，钻头寿命长。
根据国内外的实践经验，可参照表18-4选取钻压值。
表18-4不同岩石坚固系数与不同直径钻头的合理钻压
岩石硬度系数
不同直径钻头的合理钻压（吨）
190
214
243
269
310
8
10.0
11.2
12.6
14.1
16.2
10
12.5
14.0
15.8
17.6
20.3
12
14.9
16.8
19.4
21.1
24.3
14
17.4
19.6
22.0
24.6
28.4
16
19.9
22.4
25.4
28.2
32.4
18
22.4
25.2
28.6
31.6
36.4
20
24.8
28.0
31.8
35.2
40.5
2、钻速与钻具的转速
如图18-5所示，在穿孔过程中，钻头钻进的速度取决于钻具的转速n。
当轴压p较小时，孔底岩石以“表面磨蚀”的方式破坏，随转速n的增加，钻速也相应加大，两者近似于线性关系（如图中直线1所示）；轴压P较大时，岩石呈体积破碎，开始时随转速n的增大，钻速也提高，但当转速超过极限转速m后（如图中曲线2所示），钻速却随转速n的增加而降低，这是由于转速n太大，钻头齿轮与孔底的岩石的作用时间太短（小于0.02~0.03秒），未能充分发挥轮齿对岩石的破碎作用，并且，由于钻速过大，亦加速了钻杆的震动和钻头的磨损，从而影响了钻进的速度。
此外，岩石的坚固性系数对钻速也有一定的影响，一般来讲，在软岩中可以采用较高的转速，而在硬岩中应采用较低的转速。
根据钻机类型和岩石硬度系数，钻头转速的合理范围如表18-5所示。
3、排渣风速和风量的确定
牙轮钻机广泛使用压缩空气将孔底的岩渣经炮孔壁与钻杆间的空隙排出孔外，并冷却钻头的轴承。
排渣风量不足时，岩渣在孔底被反复破碎，将显著地降低钻速和钻头的寿命；另一方面，排渣风速过大，从孔底吹起的岩渣对钻头的磨损作用将显著增大。
当已知钻杆和炮孔的直径及要求的排渣风速时，可按图18-6查取所需的风量，例如，当炮孔直径为121/2英寸（a），钻杆直径为105/8英寸（b）时，要求的排渣风速为4000英尺3/分（c），所需的风量为810英尺3/分（d）。
目前，国内外都趋于加大排渣风量，借以提高钻头的寿命和钻孔速度。
表18-5牙轮钻头合理转速范围表
钻机类型
轻型钻机
中型钻机
重型钻机
岩石硬度系数
f<8
f=10~14
f=15~20
转速（转/分）
80~120
60~100
50~80
（四）牙轮钻机的生产能力
衡量牙轮钻机生产能力的主要指标是牙轮钻机的台班生产能力与台年综合生产效率。
1、牙轮钻机的台班生产能力
牙轮钻机的台班生产能力即是每台牙轮钻机每一班工时内钻进的米数，台班生产能力可按下式计算：
Vb=0.6VTb（18-1）
式中：
Vb牙轮钻机台班生产能力，m/台班；
V牙轮钻机机械钻进速度，cm/min；
Tb班工作时间，h；
班工作时间利用系数，一般情况下＝0.4~0.5。
牙轮钻机的机械钻进速度是牙轮钻机的重要技术性能指标，它与钻机的性能、钻头的形式、钻孔的直径、穿凿矿岩的硬度等诸因素有关，可按下面的经验公式近似计算：
（18-2）
式中：
P轴压，N；
n钻具的转速，r/min；
D钻头的直径，cm；
f岩石的坚固性系数；
2、钻机的台年综合效率：
钻机的台年综合效率是钻机台班工作效率与钻机年工作时间利用率的函数。
影响钻机工作时间利用率的主要因素有两方面：
一是因组织管理不科学造成的外因停钻时间；另一方面是钻机本身故障所引起的内因停钻时间。
表18-6列出了国内部分矿山1994~1996年牙轮钻机的综合利用率情
况。
表18-6部分露天矿牙轮钻机平均台年综合效率
矿山名称
矿岩硬度
（f）
矿岩穿孔单台平均综合效率（m/a）
1994年
1995年
1996年
南芬铁矿
矿：
f=14~18
岩：
f=8~12
31780
28688
34320
东鞍山铁矿
f=8~20
29491
22650
29220
水厂铁矿
f=8~14
35877
31705
35220
眼前山铁矿
矿：
f=16~20
岩：
f=8~12
25240
22433
28032
齐大山铁矿
f=12~18
30738
24012
23160
歪头山铁矿
f=12~15
26057
27172
29352
（五）牙轮钻机设备需求数量的确定：
露天矿所需牙轮钻机的数量取决于矿山的设计年采剥总量、所选定钻机的设计年穿孔效率与每米炮孔的爆破量，具体可按下式计算：
（18-3）
式中：
N所需钻机设备的数量，台；
Q矿山设计年采剥总量，吨；
L每台牙轮钻机的年穿孔效率，m/年；
q每米炮孔的爆破量，t/m；
e废孔率，%；
理论上，每米炮孔的爆破量一般应按设计的爆破孔网参数进行计算，实际设计时也可参照类似矿山的经验数据选取。
表18-7中列出了国内部分矿山每米钻孔爆破量的实际指标
表18-7国内部分矿山每米炮孔爆破量实际指标
矿山名称
段高
（m）
孔径
（mm）
年份
每米孔爆破矿（岩）量（t/m）
矿石
岩石
东鞍山铁矿
大孤山铁矿
齐大山铁矿
眼前山铁矿
12
12
12
12
250
250
250
250
1977~1981
1980~1984
128~146
125~135
125
115
103~126
120~135
137
110
南芬露天矿
12
250
310
1980~1983
103~120
122~133
89~97
114~125
（六）提高牙轮钻机穿孔效率的途径
牙轮钻机目前仍是一种发展中的新设备，为了提高牙轮钻机的穿孔效率，一方面应继续改进牙轮钻机本身的技术性能，提高钻头的工作强度与使用寿命，另一方面，在牙轮钻机穿孔作业时应合理配置好各种工作参数，改革协调好生产中的组织管理，提高钻机的工作时间利用率。
在国内外的牙轮钻机钻孔作业中存在着两种工作制度：
1）强制钻进，即采用高轴压（30~60吨），低转速（150转/分以内）；2）高速钻进，即采用低轴压（10~20吨）和高转速（300转速）。
显然，无论从合理利用能量还是从提高钻头与钻机的使用寿命来衡量，高速钻进有许多缺点，特别是在中硬岩中穿孔时更是如此。
我国的牙轮钻机正沿着强制钻进的这条途径发展。
目前普遍使用的HY-250c型及KY-310型钻机，其轴压分别为32吨和45吨，而转速控制在100转/分以内。
第二节爆破作业
爆破工作是露天开采中的又一重要工序，通过爆破作业将整体矿岩进行破碎及松动，形成一定形状的爆堆，为后续的采装作业提供工作条件。
因此，爆破工作质量、爆破效果的好坏直接影响着后续采装作业的生产效率与采装作业成本。
在露天开采的总生产费用中，爆破作业费用大约占15%~20%。
露天开采对爆破工作的基本要求是：
（1）有足够的爆破贮备量，以满足挖掘机连续作业的要求，一般要求每次爆破的矿岩量至少应能满足挖掘机5~10昼夜的采装需要；
（2）要有合理的矿石块度，以保证整个开采工艺过程中的总费用最低。
具体说来，生产爆破后的矿岩块度应小于挖掘设备铲斗所允许的最大块度和粗碎机入口所允许的最大块度；
（3）爆堆堆积形态好，前冲量小，无上翻，无根底，爆堆集中且有一定的松散度，以利于提高铲装设备的效率。
在复杂的矿体中不破坏矿层层位，以利于选别开采；
（4）无爆破危害，由于爆破所产生的地震、飞石、噪音等危害均应控制在允许的范围内，同时，应尽量控制爆破带来的后冲、后裂和侧裂现象。
（5）爆破设计合理，使整个开采过程中的穿孔、爆破、铲装、破碎等工序的综合成本最低。
在矿床的整个露天开采过程中，需要根据各生产时期不同的生产要求、不同爆破规模而采用不同的爆破方式。
露天开采过程中的爆破作业可分为以下三种：
基建期的剥离大爆破、生产期台阶正常采掘爆破与各台阶水平生产终了期的台阶靠帮（或并段）控制爆破。
下面分别予以介绍。
一、基建剥离大爆破
在山坡露天矿的基建期，为了剥离矿体上部（或侧向）较厚的覆盖岩层，平整工业场地、开挖公路或铁路运输通道，通常要进行大爆破。
这种大爆破系指利用开凿地下硐室进行集中装药的大型爆破工程，又称为硐室大爆破。
按爆破后岩石的破碎程度和堆积状态，硐室大爆破的方式有以下几种：
（1）破碎松动爆破：
其特点是岩体的绝大部分经爆破破碎后仅有少量的位移。
根据位移量的大小又可分为弱松动爆破与强松动爆破。
（2）抛掷爆破：
其特点是岩体经爆破破碎后发生较大的位移，并在装药硐室处形成爆破漏斗。
根据破碎岩石的被抛掷程度与方向，抛掷爆破又可分为抛扬爆破与抛坍爆破与定向爆破。
大爆破的设计原则及要求：
（1）经济合理性原则：
在保证良好的爆破效果的前提下，尽可能减少基建投资与爆破工程量，加快基建工程的建设速度、降低爆破成本；
（2）爆破设计要求：
根据矿山基建期与生产期的整体要求，结合矿床的地形地质条件，科学合理地确定大爆破的各项参数及爆破范围，应尽量方便施工，不给后续工程留下隐患；
（3）爆破质量要求：
爆堆的形态及分布应符合要求，降低大块率，减少边缘欠挖量，爆破后形成的场地要平整。
（4）爆破安全要求：
在工业场地、重要建筑物或重要设施附近进行大爆破时，必须保证周围环境的安全，在采场边帮附近进行大爆破时，
必须保证采矿场边帮的稳定；
硐室大爆破的爆破效果主要取决于炸药的单耗、爆破岩体的节理特征和地形条件等，其爆破参数主要有：
爆破作用指数、最小抵抗线、药包间距、排距及其层距等。
（一）爆破作用指数n：
爆破作用指数n是工程爆破中经常应用的一个重要参数，它决定着爆破作用的性质、爆破漏斗的尺寸、岩石的破碎程度、抛掷方量的比率以及爆破的技术经济效果。
通常以爆破漏斗半径和最小抵抗线的比值来表征爆破作用指数n的大小。
对于松动爆破，爆破作用指数n值受地形的影响，其值可根据不同的地形条件下、不同的药包装置方式，选择相应的经验公式进行计算，具体计算方法请参阅相关的设计手册。
一般的弱松动爆破，其爆破作用指数n小于0.75，而强松动爆破，n值通常变化于0.75~1.0之间。
对于抛掷爆破，其爆破作用指数受地形坡角和预计爆破方量的抛掷率的影响。
通常可参考表18-8中的经验指选取。
表18-8抛掷爆破的n值
抛掷率％
47.5
50
55
60
64
68
72
76
爆破作用指数n
0.75
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
（二）最小抵抗线W
如图18-6所示，由各药包中心指向其相邻地表的有向线段的长度即为该药包的最小抵抗线。
最小抵抗线的大小取决于爆破工程的要求、地形条件和药包的布置方式。
图18-6与表18-9相应列举出各种地形条件下较优的药包布置方式以及最小抵抗线。
在相同的地形条件和工程要求下，改变药包的布置方式能使爆破药包的最小抵抗线在很大范围内变化。
因此，在进行最小抵抗线设计时，必须综合药包的布置原则与爆破作用机理、爆破技术经济效果择优而定。
无论在什么情况下，都应避免选用过大的抵抗线。
只要硐室掘进工作量、施工期限以及其它条件允许，都应当利用多分层、多排、分集药包来代替单一或个别的大药包，以减少药包的最小抵抗线，这一点对于在硐室爆破后需要清方的松动爆破更为重要。
（三）药包的间距
硐室爆破的药包间距通常根据最小抵抗线和爆破作用指数来定，在其它条件一定时，岩石越软，药包的间距应越大；反之，岩石越硬，药包的间距应越小。
在不同的地形地质条件下，各种硐室爆破的药包间距的取值如表18-10所示。
表18-9硐室爆破药包布置分类表
爆破作用方向
药包布置形式
适用条件
单侧作用
单层单排布置
单层双排布置
双层单排布置
缓坡地形，高差小
同上，要求爆破后形成宽平台
陡坡地形，高差大
双侧作用
单排布置
多排布置，（主药包双侧作用，辅助药包单侧作用）
并列单侧作用
单排布置，（一侧松动作用，
另一侧抛掷）
并列不等量药包，（单侧作用）
山脊地形
坡度平缓的山包
顶部较宽的山脊或山包
两侧地形坡度不同的山脊或山包
两侧地形坡度不同的山脊或山包
多向作用
单一药包
单一主药包多向作用，辅助药包群多向作用
孤立山头，多面临空，地形坡度较陡
孤立山头，多面临空，地形坡度较缓，爆破山头高差较大
多重作用
复合布置
一切复杂的地形地质条件
表18-10药包间距计算经验公式
爆破类型
地形条件
岩性
间距公式
松动爆破
平坦
斜坡、台阶
土、岩
土、岩
（0.8~1.0）W
（1.0~1.2）W
加强松动爆破
平坦
岩石
土、软岩
0.5W（1+n）
斜坡
硬岩
软岩
（1~1.34）nW
多面临空
土
抛掷爆破
斜坡
土、岩
土、岩
0.5W（1+n）~nW
nW~0.9W
（四）装药量的计算
装药量是标准炸药单耗q与爆破作用指数n和最小抵抗线W的函数，通常依据以下的经验公式计算：
（1）松动爆破的装药量：
斜坡地形Q=0.36qW3（18-4）
平坦地形Q=0.44qW3（18-5）
（2）抛掷爆破和加强松动爆破的装药量：
Q=（0.4+0.6n3）qW3（18-6）
此计算方法在0.7n3和W25m的时，计算结果较符合实际。
如果W25m，计算出的药量偏小，应再将计算结果乘以系数k：
（18-7）
从式中可以看出，W值越大，k值就越大，Q值也相应增大。
但当W值很大时，则需对药量进行特别校验。
计算装药量时，单位炸药消耗量q值一般情况下可参考类似条件爆破工程的实际q值选取，但对于重要的大规模硐室爆破有时需进行实地的爆破漏斗试验来确定。
二、生产台阶正常采掘爆破
露天台阶正常采掘爆破是在每一生产台阶分区依次进行的，爆破区域的大小即为一个采掘带。
对于每一爆破区域当前序穿孔作业完成炮孔的穿凿工作后，爆破工序即开始运行。
首先，由爆破设计人员依据穿孔工序所生成的实测布孔图进行爆破设计与计算。
设计的内容主要有炸药类型及单耗（或装药密度）的选取，炮孔装药结构设计，每孔装药量与总炸药消耗量计算，起爆网络及起爆方式设计，然后爆破人员依据爆破方案进行炮孔装药及实施爆破。
（一）生产台阶正常采掘的爆破方法
露天生产台阶正常采掘爆破中常用的爆破方法有以下几种：
浅孔爆破法、深孔爆破法、药壶爆破法与外敷爆破法。
其中外敷爆破法主要用于台阶正常生产爆破后的大块二次破碎及"根底处理"。
该爆破方法不需穿凿炮孔，而直接将炸药敷于大块上进行爆破。
药壶爆破法可以克服较大的底盘抵抗线以减少钻孔工作量，常在工作环境困难的情况下使用，该方法首先在已穿凿的深孔孔底用药壶法进行扩孔，通常需经几次扩壶才能达到设计体积，然后再装炸药进行爆破。
浅孔爆破法通常用于小型矿山的台阶生产爆破，在大中型矿山常用于辅助性爆破，如开掘出入沟、修路、处理根底及不合格大块等。
浅孔的炮孔规格通常指炮孔直径在50mm以下，孔深最深不超过5m。
深孔爆破法是露天矿台阶正常采掘爆破最常用的方法，该方法依据起爆顺序的不同分为齐发爆破、毫秒迟发爆破和微差爆破等，其中以微差爆破的使用最为广泛。
依据预爆台阶前是否留有部分碴堆，目前的台阶采掘爆破有两种情形：
清碴爆破与压碴爆破。
（二）台阶正常采掘爆破参数及爆破设计
露天台阶爆破通常采用多排孔齐发或多排孔间隔起爆方式进行的，图18-7为一个工作面炮孔布置示意图，因此，炮孔的底盘抵抗线、炮孔规格（即孔径与孔深）、布孔方式、起爆顺序及装药结构等都是决定爆破效果与爆破质量的主要参数，也是爆破设计需要确定的重要参数。
1、炮孔底盘抵抗线
炮孔的底盘抵抗线即炮孔中心至台阶坡底线的最小距离（图18-7中的Wp）。
底盘抵抗线是影响台阶爆破质量的一重要因素，其值设置过小，则造成被爆破的岩体过于粉碎，同时产生的爆堆前冲也很大；设置过大时，爆破后容易形成根底与大块。
在台阶爆破的优化设计中，存在一最佳底盘抵抗线，所谓最佳底盘抵抗线即是相对于某一具体的爆破条件，能取得最大爆破量与最佳爆破块度时的底盘抵抗线。
从这种意义上来讲，预爆岩体的力学性质、岩体中节理与裂隙的发育状况对最佳底盘抵抗线都有一定的影响。
在实际的爆破设计中，设计炮孔的底盘抵抗线通常是根据经验选取的。
底盘抵抗线的经验计算公式为：
Wp
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