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露天开采课程设计指导书

露天开采课程设计指导书

陈庆凯编制

采矿工程研究所

二О一五年十月

露天开采课程设计指导书

------露天开采境界的确定

一、确定露天开采境界的重要性

最终开采境界是指开采技术上可行和经济上合理的那部分地质储量，在空间上由底部周界、最终边坡角和开采深度所圈定的三维几何体。

露天矿境界的大小确定了露天矿采出矿量和剥离岩石量的多少，关系着矿床的生产能力和经济效益，并影响着露天矿开采程序和开拓运输。

最终开采境界的确定主要包括最终边坡（α、β、γ）、底部周界和开采深度三个部分。

从充分利用矿物的角度来看，最终开采境界应包括尽可能多的地质储量。

然而由于几何约束的存在，开采某部分的矿石必须在剥离该部分矿石上面一定范围内的岩石后才能实现。

剥离岩石本身只能带来资金的消耗，不会带来经济收入。

因此，从经济角度来看，存在一个使矿山企业的总经济效益最佳的最终开采境界。

在具有竞争性的市场经济条件下，矿山企业与其他行业的企业一样，需要盈利才能维持和扩大再生产，追求最大的经济效益是市场经济条件下矿山企业的主要经营目标之一。

因此，最终开采境界的确定是露天矿设计与规划中的一项十分重要的工作，既是技术决策，又是经济决策。

1、露天开采境界对矿山生产的重要影响

（1）生产规模和服务年限；

（2）基建投资，投产、达产时间；

（3）影响矿山经济指标（设备数量、矿山人员、矿山成本）

（4）开采境界位置和演化----采剥程序/生产能力/基建工程量----总体经济效果。

2、影响露天开采境界确定的因素（三个方面）

（1）自然因素

矿床埋藏条件，矿床勘探程度，储量等级，矿岩性质，工程地质，矿区地形（河流、湖泊等）。

（2）经济因素

矿石质量与价值，原矿与精矿成本与价格，基建投资与建设期限，资金的时间效应，国家、地区的经济发展方向等。

（3）技术组织因素

开采技术水平与发展进步趋势（露天----地下），装备水平，矿山附近交通条件，建构筑物设备，制约与促进其应用推广的技术组织条件等。

二、最终开采境界确定的原则

最终开采境界以境界剥采比不大于经济合理剥采比为主要原则。

经济合理剥采比是指露天开采单位矿石量在经济上允许的最大剥岩量。

（1）境界剥采比不大于经济合理剥采比原则。

该原则的依据是，在开采境界内边界层矿石的露天开采费用不超过地下开采费用，使全矿开采的总费用最低或是总盈利最多。

（2）平均剥采比不大于经济合理剥采比。

该原则的依据是，用露天开采境界内全部储量的总费用不超过地下开采该部分储量的总费用。

该原则可以作为第

（1）原则的补充。

（3）生产剥采比不大于经济合理剥采比。

该原则的依据是，露天矿任一时期按正常作业的工作边坡角进行生产时，其生产能力不超过地下开采成本或允许成本。

（4）对于特厚大的经济合理剥采比很小的矿体或是价值不高的矿体，有时要根据矿床的勘探程度、产量和服务年限确定最终境界，如硅石、白云石、石灰石及特厚巨大的铁矿床，主要根据服务年限和勘探程度确定合理的开采深度。

三、最终开采境界确定的步骤

（1）确定经济合理剥采比nb；

（2）确定露天矿最小底宽

和位置；

（3）选取露天矿的最终边坡角α、β、γ；

（4）确定露天矿开采深度H（在横断面图上或水平剖面图上，一般用作图法）；

（5）调整矿体底部开采标高（纵断面图）；

（6）修正开采深度H（横断面图）；

（7）确定并绘制露天矿底部周界；

（8）修正

（横断面图）；

（9）绘制平台（横断面图）；

（10）投影平台（平面图）；

（11）开拓系统定线、布线、移线（平面图）；

（12）修正平台（横断面图）；

（13）绘制露天矿开采终了平面图；

（14）计算/列出有关参数/技术指标表。

四、露天开采境界底部位置和最小底宽（底部周界）的确定

1.露天开采境界底部位置

露天开采境界底部位置不仅决定了最终边坡的位置，而且还涉及开采境界内矿、岩量的多少及其比例的大小，每个开采境界深度方案，存在着使平均剥采比最小的境界底部位置。

因此，露天开采境界设计应考虑下列因素来确定露天开采境界底部位置：

（1）对均质矿床，使平均剥采比最小；对非均质矿床，使开采效益最佳。

（2）使最终边坡避开不良工程地质地段。

（3）根据矿山品位分布，使采场的矿石质量最高。

（4）使露天开采境界与周边现有保护对象保存足够的安全距离。

相似形境界是平均剥采比最小的理论境界，对于矿体水平厚度大于开采境界底部宽度的矿床，确定其露天开采境界底部位置时可作为参考。

2.露天开采境界底部宽度

露天开采境界底部宽度可根据矿体赋存条件、装备水平确定和调整。

确定和调整原则在保证技术条件下，使开采经济效益最佳。

露天矿的最小底宽，应满足采掘设备在底部正常运行于安全作业的条件，一般不应小于开段沟的底宽。

目前我国绝大多数矿山以自卸式汽车运输为主，采用折返式调车时，最小底宽用下式计算。

（1）

式中

——汽车最小转弯半径，m；

——汽车宽度，m；

e——汽车距边坡的安全距离，m；

Lc——汽车长度，m。

当采用回返式调车时，则：

（2）

在确定开采境界时，若矿体厚度小于最小底宽，底平面按最小底宽绘制；若矿体厚度大于最小底宽不多，则以矿体厚度为最低水平底宽；若矿体宽度远大于最小底宽，露天矿底的位置主要以境界内可采矿量尽量大而剥岩量最小确定之。

五、选取露天矿边坡角及台阶高度

1.确定露天矿边坡角

最终边坡角的选取，对剥岩量影响很大。

边坡角过小，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，严重影响矿山的正常生产。

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。

由于边坡稳定受岩体物理力学性质，地质构造、水文地质、爆破振动效应等一系列因素的影响，尽管目前有许多数学计算方法（如二维、三维极限平衡计算法，有限元分析法，概率统计分析法等初始边坡优化设计方法），以及借助于数学模型和电算程序来提供计算数据，但在实际应用中还不够完善。

因此，矿山设计选取边坡角时，多采用类比法，即参照类似矿山的实际资料选取。

工程地质条件复杂的矿山，在进行设计的同时，由研究部门通过系统的工程地质调查后，用计算方法确定。

所谓类比法，即设计部门根据工程实践，按照组成边坡岩体的地质条件、水文地质条件、边坡高度及其形状、开采年限等因素，由大量的统计资料和经验数表并结合设计者的经验选取边坡角的方法。

表5-3所列边坡角，为冶金矿山设计部门用类比法初选边坡角时的经验参考值。

在确定境界后的最终边坡角与用类比法选定的最终边坡角应该一致，相差不能太大。

如果前者比后者小，则可采取台阶并段技术手段，增大最终边坡角，使其达到初选值；如果前者比后者小，则应通过加宽安全平台或清扫平台或运输平台宽度的方法，减小最终边坡角，使其与初选值相近或相等。

表5-1边坡角初选时的经验参考值

露天开采境界的实际边坡角取决于最终边坡组成。

设露天开采境界深度，即最终边帮高度为H，最终边坡角为

，最终台阶坡面角为

。

按几何关系，最终边帮水平投影的宽度

应为最终边帮上所有台阶坡面水平投影的总宽度

与所有台阶平台的总宽度L2之和，由此可得：

（3）

显然，依上式确定的最终边坡角

不得大于所选取的上限值，也不宜过小；否则，需对某些平台的宽度进行相应的调整。

上述按安全条件和技术条件确定的最小边坡角，便是露天矿的最终边坡角。

不过，对缓倾斜矿体来说，若边坡角大于矿体倾角，则最终边坡角应沿矿体下盘布置，以便充分采出下盘矿石。

2.确定露天矿台阶高度

露天矿的台阶高度取决于生产规模、挖掘设备作业技术参数和开采的选别性。

台阶高度是露天矿开采重要技术经济指标，直接影响穿孔、铲装等露天开采生产工艺的效率和矿山经济效益。

台阶高度大，台阶数目减少，有利于降低成本，但露天边坡稳定性降低，因此，必须综合考虑经济、技术和安全因素，确定合理的台阶高度。

一般来讲，生产规模越大，台阶高度也越高。

生产有力小，台阶高度也不易过高。

开采选别性是指在开采过程中能够将不同品位和类型的矿石及废石进行区分开采的程度。

以金矿为例，往往需要对于一个区域内的高品位矿、低品位矿、硫化矿、氧化矿及废石进行区分开采，运往各自的目的地。

一个台阶在垂直方向上是不可分采的。

台阶高度越大，开采选别性越差。

开采对选别性要求较高的矿床时，应选取较小的台阶高度。

黑色金属矿床的品位变化较小、矿体形态较为规则、矿物价值低，对选别性要求较低，台阶高度一般大于10m，以12～15m最为常见。

大多数贵重金属矿床的特征恰恰相反，故台阶高度一般要小一些。

（1）平装车时的台阶高度

平装车即运输设备与挖掘机在同一水平工作。

从保证安全的角度出发，挖掘不需要预先破碎的松散软岩时，台阶高度不应大于挖掘机的最大挖掘高度

；挖掘爆堆时，当爆堆矿岩松碎、均匀、无粘结性且不需要分别采掘时，爆堆高度可以是挖掘机最大挖掘高度的1.2-1.3倍。

为提高挖掘机的满斗程度，松软矿岩的台阶高度和坚硬矿岩的爆堆高度，不应低于挖掘机推压轴高度（Hr）的2/3。

当采用平装车时，爆堆高度

一般应满足：

（m）（4）

（m）（5）

工作面高度是实体工作面高度（即台阶高度ht），它和爆堆高度

之间的关系，与被爆矿岩的性质和爆破方法等因素有关。

通常用下式表示：

（6）

式中，kb----与矿岩的性质和爆破方法等因素有关。

在松动爆破时：

kb=1.10-1.15；在有一定抛掷时：

kb=1.20-1.50；当爆破无大块且较均匀松散时：

kb=2.50-2.70；当用挤压爆破时可能出现kb<1。

（2）上装车时的台阶高度

上装车即运输设备位于挖掘机所在台阶的上部平盘。

为使矿岩装入上平盘的运输设备，台阶高度应根据挖掘机最大卸载高度（Hxmax）和最大卸载半径（Rxmax）来确定。

上装车时，工作面高度

为：

（m）（7）

式中，Hc——自运输设备堆装的物料上缘到运输线基底水平的垂直距离，m；

e——卸载时斗底下缘和运输设备堆装的物料上缘之间的安全距离，m；一般e=0.5-1.0m。

上装车时，

值的确定还要考虑挖掘机的卸载半径。

可按下式计算：

（m）（8）

式中，c——线路中心线到台阶坡顶线或是坡底线的安全距离，一般为2.0-3.0m；

——台阶剖面角，°。

因此，上装车时所能达到的工作面高度为上两式计算结果的较小值。

六、确定露天矿最终开采境界深度H

露天开采境界深度的确定分两步，首先是在各地质横剖面图上分别确定开采境界合理深度，然后在地质纵剖面图上调整开采境界底部深度。

1.确定最终开采境界深度

依据矿体走向长度的不同和矿体形态、赋存条件的变化，露天矿山开采深度的确定可以用以下三种方法。

（1）横剖面上面积比法确定长矿体的合理开采深度

参照图1所示，面积比法的设计步骤如下：

图1横剖面面积比法确定合理开采深度示意图

第一步：

根据开采与运输设备的规格、作业形式、设备两侧的安全距离等，选定最终开采境界的最小底宽Bmin，并根据边帮岩体的稳定性确定上下盘最终边坡角α、β。

第二步：

在每一地质横剖面图上确定出若干深度方案，当矿体形态简单时，可少取一些深度方案；否则，应在境界剥采比变化大的地方多增加一些深度方案。

第三步：

对于某一剖面上的深度方案Hi，在Hi水平处以选定的最小底宽确定出该开采深度的境界底线位置ab，从a、b两点分别以上、下盘境界边坡角α、β画上、下盘边坡线bc、ad，c、d分别为上盘边坡线和下盘边坡线与地表的交点。

假设bc线交矿体上盘界线于e点。

第四步：

从Hi水平开始向上减少ΔH高度（ΔH通常取一个开采台阶的高度），在Hi－1水平处以同样的方法作出开采境界线c′b′a′d′，c′b′交矿体上盘界线于e′点。

第五步：

求出自Hi－1水平降深到Hi水平后所需开采的废石面积ΔW与可能采出的矿石面积ΔO，其中ΔW为废石多边形cc′e′e与dd′a′a的面积之和，ΔO为矿石多边形e′b′a′abe的面积。

第六步：

求算Hi开采深度的境界剥采比Ri，Ri=ΔW/ΔO。

第七步：

若Ri≈Rb，则Hi水平即为该地质横剖面图上最佳的开采境界深度；否则，重复第三至第六步，试算其他深度方案，直至Ri≈Rb成立。

（2）横剖面上线段比法确定长矿体的合理开采深度

地质横剖面上的线段比是面积比的一种简化形式，当矿体走向较长，且矿体形态变化不大时，可运用线段比来代替面积比，这样既可保证设计工作具有一定的精度，又免除了求算面积的工作。

参照图2所示，具体的设计步骤如下：

图2横剖面线段比法确定合理开采深度示意图

第一步：

根据开采与运输设备的规格、作业形式、设备两侧的安全距离等，选定最终开采境界的最小底宽Bmin，并根据边帮岩体的稳定性确定上下盘最终边坡角α、β。

第二步：

在每一地质横剖面图上结合矿体的赋存形态确定出若干个开采深度方案。

第三步：

对于某一剖面上的深度方案Hi，在Hi水平处以选定的最小底宽Bmin和上、下盘最终边坡角α、β作出该水平的开采境界线cbad。

第四步：

从Hi水平向上升高ΔH，在Hi-1水平处以选定的最小底宽Bmin和上、下盘最终边坡角α、β，作境界c′b′a′d′。

第五步：

从c点、d点和e点分别作aa′的平行线交Hi水平线于g、f和h点；

第六步：

计算Hi水平的境界剥采比Ri：

第七步：

若Ri≈Rb，则Hi为该剖面上最佳开采水平；否则，按相同步骤试算其他的深度方案。

（3）水平剖面上面积法确定短矿体的开采深度

对于走向较短的矿体，其端部的岩石量对境界剥采比影响很大，此时水平剖面图能较好地反映矿体的赋存特点和形态，所以宜采用水平剖面面积法确定短露天矿的最佳开采深度。

参照图3，具体的确定步骤如下：

第一步：

选择几个深度方案，基于地质勘探线剖面图绘制出每一深度方案所在水平处的平面图（可以根据地形地质图和勘探线剖面图绘制）。

第二步：

在各开采深度的平面图上，依据矿体形态、运输设备的要求确定出该水平的底部周界，再根据境界底部周界与最终边坡角确定出各地质勘探线剖面图上的相应开采境界（图4中的a、b、c、d、e和f点）。

第三步：

将各地质勘探线剖面图上的地面境界点投影到带有底部周界的平面图上，依次连接地面境界点，圈定出矿体上下盘两侧的地表境界线（图3中IV号勘探线上的a、b、c、d、e和f点）。

第四步：

为了确定矿体端部的开采境界线需要切割出若干个端部辅助剖面。

如图5所示。

在各辅助剖面上，依据端部境界边坡角确定出地表境界点（图5中m点），将该点投影到水平剖面图上，依次连接各辅助剖面的地表境界点，即形成了端部开采境界（图3中的L线）；

第五步：

在水平平面图上，根据确定出的地表境界内（图3中L）所包含的矿石面积与岩石面积，运用面积比法计算出境界剥采比Ri：

第六步：

若Ri≈Rb，则该开采深度为最佳开采深度；否则，按相同步骤试算其他的深度方案。

2.调整最终开采底平面标高

采用平面面积法确定出的短矿体的开采底平面标高，一般不需另行调整。

但对采用横剖面法确定出的长矿体的开采深度，需要进行纵向底平面标高的调整，一般步骤为：

第一步：

将在各横剖面上确定出的最佳开采深度投影到纵剖面图上（图6），连接各开采深度点，得到境界在纵剖断图上的理论开采深度。

第二步：

调整纵剖面上的开采深度。

调整时依据的原则是：

当纵剖面上的各理论开采深度点相差不大时，境界底可设计为同一标高；当矿体埋藏深度沿矿体走向变化较大时，境界底可调整成阶梯形。

调整时，应使纵剖面图上调整后底平面标高线以上增加的总面积与其下减少的总面积近似相等。

调整后，最终境界内的平均剥采比应小于经济合理剥采比，最终境界底平面的纵向长度应满足最短运输线路的长度要求。

图6在地质纵断面图上调整露天矿底平面标高

七、圈定最终开采境界的底部周界

无论是长露天矿还是短露天矿，调整后的开采深度往往不再是最初方案的深度，因此需要重新绘制底部周界，参照图7所示，境界底部周界的圈定的一般步骤如下：

图7底部周界的圈定

（1）按调整后的露天开采深度，绘制该水平的地质分层平面图；

（2）在各横剖面，纵剖面，辅助剖面图上，按所确定的露天开采深度绘出境界；

（3）将各剖面图上露天矿底部周界投影到分层平面图上，连接各点，得出理论上的底部周界（图7上的虚线）

（4）为了便于采掘运输，初步得出的理论周界。

尚需进一步修整。

修整的原则是：

1）底部周界要尽量平直，弯曲部分要满足运输设备对曲率半径的要求；

2）露天矿底的长度应满足运输线路的要求，特别是采用铁路运输的矿山，其长度保证列车正常出入工作面。

这样得出的底部周界，就是最终的设计周界，如图7的粗实线所示。

八、绘制露天矿开采终了平面图

1.初步确定露天矿境界

（1）准备地形图，底部边界图。

将露天矿底部边界投影到带有等高线的地形图上，标注底标高并核准平面坐标位置，隐去底部境界内地形线。

（2）绘制各分层边界。

根据各横断面图、纵断面图和端帮图，以选定的露天矿阶段高度为间隔，从露天矿底部边界向上依次将各阶段点投影到初步境界图上。

（3）将同一水平连线，绘制成各台阶坡底线构成的露天矿最终境界，同时需隐去境界内地形线。

显然，低于地表标高的台阶坡底线在平面图上是闭合的，局部高于地表标高的坡底线是敞开或是断续的，断点处应与地形等高线相连。

2.绘制露天矿开采终了平面图

（1）根据选定的露天矿主要构成要素（台阶高度、平台宽度、台阶坡面角和开拓运输系统布置方案），在底平面图上定线，添加运输道路，绘制坡顶线和各种平台。

（2）在两相邻阶段间按道路技术要求绘制连接坡道（斜坡道），形成露天矿终了平面图。

（3）调整境界。

用平均剥采比校核Np

如果差距较大，尚需从选定深度开始进行调整。

九、计算并列出有关参数、技术指标表

十、露天开采课程设计实例

任务书

某铁矿矿石品位为45%，密度3.4t/m3，矿体上盘为灰岩，f=10-12；矿体下盘为闪长岩，f=12-14，岩石密度2.7t/m3。

该公司现有设备情况如下：

直径为150mm的潜孔钻机，斗容量为1m3的电铲和10t的自卸式汽车。

经计算，经济合理剥采比为7m3/m3（5.56t/t）。

根据已有的条件，试做露天开采境界设计，并绘制终了平面图及相应的分成平面图和剖面图。

附图（地形地质图）：

某铁矿区20线勘探平面图，1:

1000（见地形地质图.dwg）；

某铁矿区24线勘探平面图，1:

1000（见地形地质图.dwg）；

某铁矿区28线勘探平面图，1:

1000（见地形地质图.dwg）；

某铁矿区地形图，1:

1000（见地形地质图.dwg）；

某铁矿矿体纵投影图，1:

1000（露采课程设计纵剖面图.dwg）

露天开采境界确定设计

1.确定露天矿最小底宽

汽车运输，并采用回返式调车方式，则其底宽为：

式中Bmin——露天矿最小底宽，m；

Rcmin——汽车最小转弯半径，m；

　bc——汽车宽度，m；

　e——汽车距边坡的安全距离，m，e=1.0~1.5m。

由[文献1]附1.3.8自卸汽车　表附-1-55可得汽车参数如表1.1。

表1.1自卸汽车参数

型号

载重/t

最小转弯半径/m

最大爬坡能力/%

外形尺寸（长×宽×高）/mm

QQ562

10

7.8

27.5

6500×2547×2800

得出

，故取最小底宽为21m。

设计中国产汽车爬坡能力选用8%以下，进口汽车选用12%以下。

本设计选用8%。

2.选取露天矿最终边坡角

2.1选取台阶坡面角及最终边坡角

由围岩性质上盘为灰岩，ƒ=10-12；下盘为闪长岩，ƒ=12-14，参考［文献2］表5-3按非工作坡面角确定角度，取上盘台阶坡面角为70°，下盘台阶坡面角为75°。

依据围岩性质，查表5-1，选取最终边坡角，上、下盘及端帮均为46°。

2.2确定台阶高度

参考［文献1］附1.1.2潜孔钻机及冲击器，表附-1-6，得到潜孔钻机参数表2.1。

表2.1150mm潜孔钻机参数

型号

钻孔直径/mm

钻孔深度/m

推进行程/m

钻杆直径/mm

钻杆长度/m

KQ150

150~170

17.5

9

133

9

参考[文献1]附1.2.1挖掘机　表附-1-16，得到1m3电铲参数如表2.2。

表2.2单斗挖掘机参数

型号

铲斗容量/m3

最大提升量/t

动臂长度/m

最大挖掘半径/m

最大挖掘高度/m

最大卸载半径/m

最大卸载高度/m

W1002

1.0

15~20

6.8

9.8

8

8.7

5.5

故采用平装车方式装载，确定台阶高度为8m，每隔2到3个台阶设置一个清扫平台，根据矿体深度，初步确定台阶数为9。

暂不考虑运输平台的影响，并且已确定安全平台宽3m，清扫平台宽6.5m，运输平台宽12m。

如图2.1，得出理论上上盘边坡角为51°31’55”，下盘边坡角为55°3’56”。

上盘边坡角调整为52°，考虑到矿体倾角比较缓，此处下盘边坡角调整为45°，调整示意图如图2.2所示。

实际上由于运输道路的存在，最终边坡角要变缓，但不能小于所选取的46°。

如果小于46°，则应采取并段技术措施，使其增大到46°。

图2.1调整前边坡角

图2.2调整后最终边坡角

3.确定露天矿开采深度

3.1地质横剖面图上的开采深度

如图3.1，为20线上的开采深度，计算各开采深度的境界剥采比有：

图3.1矿区20线勘探剖面图开采深度

根据各开采深度境界剥采比绘制出关系曲线，图3.2所示，确定矿区20线开采深度为-23m。

图3.2矿区20线剥采比关系曲线

同样，如图3.3，为24线上的开采深度，计算出各深度境界剥采比，并根据各深度境界剥采比的关系以及经济合理剥采比，确定出开采深度。

在图3.3中，24线上各开采境界剥采比为：

图3.3矿区24线勘探剖面图开采深度

根据各开采深度境界剥采比绘制关系曲线，如图3.4所示，确定24线开采深度为-32m。

图3.4矿区24线剥采比关系曲线

由图3.5可知，28线各开采境界剥采比为：

图3.5矿区28线勘探剖面图开采深度

根据各层境界剥采比绘制出剥采比关系曲线，如图3.6所示，确定28线开采深度为-12m

图3.6矿区28线剥采比关系曲线

综上，20线开采深度为-23m，24线开采深度为-32m，28线开采深度为-12m。

3.2确定最终开采深度

将地质横剖面图上各勘探线开采深度投影到地质纵剖面图上，并根据使少采出的矿石量与多采出的矿石量基本均衡，并让剥采比尽可能小的原则将露天矿矿底调整到同一标高上，如图3.7所示。

根据调整原则调整矿底后，确定最终开采深度为-24m，同时得到小矿体开采深度为+8m。

图3.7矿体最终开采深度标高

4.绘制露天矿底部周界

根据-24水平矿体，并满足最小底宽的要求，作出露天矿底部周界如图4.1所示：

图4.1露天矿底部周界

5.绘制露天矿开采终了平面图

露天矿开采终了平面图,见图5.1所示：

图5.1某矿露天矿开采终了平面图

6.绘