第五章 排岩工程.docx

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第五章排岩工程

第四节　排岩工程

金属矿床露天开采的一个重要特征：

必须首先剥离矿体上覆的表土与岩石、暴露出矿体、再实施矿石的开采。

因而，矿体上覆岩石与表土（在此统称为废石）的剥离与排弃工作是金属矿床露天开采中必不可少的生产环节。

为了保证金属矿床安全、持续地开采、通常废石的剥离量要比矿石的采掘量大几倍，而剥离下的废石又须运到指定场地（通常称为废石场或排土场）进行堆放。

因而，废石的排弃工作量与废石场的占地都是相当大的。

据统计，我国金属露天矿山废石场的平均占地面积约为矿山总占地面积的39％~55％，排岩工作人员约占全矿总人数的10％~15％，排岩成本约占剥离单位成本的6％，因此如何提高排岩工作的劳动生产率与机械化程度是提高露天开采经济效益的重要手段。

通常将运输剥离下的废石到废石场进行排弃称作排岩工程。

排岩工程的经济效率主要取决于废石场的位置、排岩方法和排岩工艺的合理选择。

排岩工程是一项系统工程，其内容涉及废石的排弃工艺、废石场的建立与发展规划、废石场的稳固性、废石场污染的防治、废石场的复田等方面。

排岩工程必须同采矿场的生产工艺相联系并全面规划，因地制宜地选择废石场，合理地规划排岩工程，科学地管理排岩作业，不仅关系到矿山的生产能力和经济效益，而且对社会环境和生态平衡也有着十分重要的意义。

目前，露天矿排岩技术与废石场治理方面的发展趋势主要表现在三个方面：

（1）采用高效率的排岩工艺与排岩设备，提高排岩强度；

（2）提高堆置高度，增加废石场单位面积的排岩容量，提高废石场的利用率，减少废石场的占地面积；

（3）适时进行废石场的复垦，减少废石场对生态环境的污染。

一、废石场的位置及要素

（一）废石场的位置选择

科学合理的废石场地选择必须综合考虑废石场的地形、环境、废石场容量、矿床的远景分布、废石排弃运距、废石场对环境的污染、日后的废石回收利用及废石场复垦等因素。

废石场规划的经济准则是露天开采的整个时期内，折算到单位矿石成本中的废石运输、排弃、废石场的复垦与污染防治等费用的总贴现值最小。

按与采场的相对位置，废石场可分为内部废石场与外部废石场。

内部废石场是把剥离下的废石直接排弃到露天采场内的采空区。

这是一种最经济而又不占农田的废石排弃方案，不仅运距短、剥离费用低、而且减少了矿山废石场的占地，有利于回填和复垦采空区。

但内部废石场的应用受到一定条件的限制，只有开采水平或缓倾斜的矿体（矿体倾角小于12。

）或在一个采场内有两个不同标高底平面以及分区开采的矿山才适用。

绝大多数露天矿山都不具备设置内部废石场的条件，而需在采场附近设置一个或多个废石场，根据采场和剥离废石的分布情况，可以实行分散或集中排岩。

废石场地选择时应遵循下列原则：

（1）不占良田、少占耕地，尽量利用山坡、山谷的荒地，避免村庄的迁移。

（2）在不影响矿山工程发展的前提下，尽可能靠近采场布置废石场，以便缩短岩石运距。

（3）尽可能采用内部排岩，通过二次转排的技术经济合理性的论证，积极采用内部临时废石场。

（4）废石场应设置在居民区或工业场地的下风侧或最小风侧以及生活水源的下游，以免对居民或工厂造成危害。

（5）废石场不应截断山洪和河流，避免设置在水文地质复杂的地段，以保证废石场的稳定，避免废石场发生滑坡和泥石流事故。

（6）剥离下的废石中可利用的部分要单独堆置以便日后二次回收利用。

（7）有条件的地区靠近采场的废石场宜分散布置，以利于多出口运输，疏散排岩道路的通过能力，缓和废石排弃高峰。

（8）废石场地的选择要有利于征用土地的复垦。

（二）废石场的堆置要素

1．废石场的堆置高度：

废石场的阶段高指排土台阶坡顶线至坡底线间的垂直距离，各阶段的高度总和称为废石场的堆置高度。

废石场的阶段高与堆置高度主要取决于废石场的地形与水文地质条件、气候条件、废石的物理力学性质（岩石成份、粒度、回收率等）以及排岩设备和废石运输方式、生产管理等因素。

在确定靠近地面第一层阶段高度时，应避免在地质条件差时堆置过高，以免造成严重的基础凸起使局部废石场下沉，造成台阶边坡滑落而引起上层阶段的不稳定现象。

在多台阶堆置时，上下台阶要留有一定的超前距离，即保证下一台阶的安全生产，也为上台阶的稳定创造条件。

2．堆置阶段的平盘宽度：

废石场的工作平台宽度主要取决于上一台阶的高度、大块废石的滚动距离、采用的排弃设备、运输方式、运输线路的条数及移道步距等因素，其宽度应达到上下相邻排岩台阶互不影响的基本要求。

3．废石场容积的确定

（1）有效容积计算：

（19-1）

式中：

Vy____废石场的设计有效容积，米3；

Vs____剥离岩土的实方数，米3；

Ks____岩土的松散系数，其取值可参考表19-1；

Kc____岩土的下沉率，％，其取值可参考表19-2。

表19-1岩土松散系数

种类种类

砂

砂质粘土

粘土

带夹石的

粘土岩

块度不大

的岩石

大块岩石

岩土

类别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

初始松散系数

1.1~1.2

1.2~1.3

1.24~1.3

1.35~1.45

1.4~1.6

1.45~1.8

终止

松散

系数

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19-2下沉率参考值

岩土种类

下沉率，％

岩土种类

下沉率，％

砂质岩土

7~9

硬粘土

24~28

砂质粘土

11~15

泥夹石

21~25

粘土质

13~15

亚粘土

18~21

粘土夹石

16~19

砂和砾石

9~13

小块度岩石

17~18

软岩

10~12

大块度岩石

10~20

硬岩

5~7

（2）废石场的设计总容积：

V＝K1Vy（19-2）

式中：

V____废石场的设计总容积，米3；

K1___容积的富余系数，一般取1.02~1.05；

Vy___废石场有效容积，米3。

二、废石排弃工艺

废石的排弃工艺因矿床的开采工艺，废石场的地形、水文地质特征及所排弃废石的物理力学特征而异。

对于内部废石场，当所开采的矿床厚度与所剥离的岩层厚度不大时、剥离下的废石可使用大规模的机械铲和索斗铲直接倒入采空区内。

当矿体较厚，而可使用剥离设备的线性尺寸又相对较小时，就不能实现倒堆剥离，必须通过某种运输方式把废石运到采空区，进行内部排岩。

此时，排岩的工艺与向外部废石场排岩的工艺完全相同，差别仅在与前者没有或很少有上坡运输。

根据废石的运输与排弃方式及所使用设备的不同，外部废石场的排弃工艺可分为如下几种：

（1）铁路运输排岩：

根据废石场排岩设备的不同又分为挖掘机排岩、排土犁排岩、铲运机排岩。

（2）公路运输排岩：

此种排岩工艺是利用汽车将废石直接运到废石场进行排卸，然后由推土机推排残留的废石及整理排卸平台。

（3）胶带运输排岩：

此种排岩工艺是利用胶带机将剥离下的废石直接从采场运到废石场进行排卸。

（一）汽车__排土机排岩工艺

采用汽车运输的露天矿大多采用汽车__排土机排岩工艺，其排岩作业的程序是：

汽车运输剥离下的废石到废石场后进行排卸，推土机推排残留废石、平整排岩工作平台、修筑防止汽车翻卸时滚崖的安全车档及整修排岩公路。

汽车__排土机排岩工艺具有一系列的优点：

汽车运输机动灵活、爬坡能力大、可在复杂的排岩场地作业，宜实行高台阶排土。

废石场内运输距离较短，排岩运输线路建设快、投资少，又易于维护，我国多数露天矿山都采用汽车__排土机排岩工艺。

（二）铁路运输排岩工艺

铁路运输的排岩工艺主要是由铁路机车将剥离下的废石运至废石场，翻卸到指定地点再应用其它的移动设备进行废石的转排工作。

可选用的转排设备有排土犁、挖掘机、推土机、前装机、索斗铲等。

目前，在国内采用铁路运输排岩工艺的矿山主要以挖掘机为主，排土犁为辅，而其它设备很少用。

铁路运输的排岩工艺的辅助设备有移道机、吊车等。

1．挖掘机排岩

采用铁路运输的矿山广泛采用挖掘机排岩。

其工艺过程：

列车进入排岩线后，依次将废石卸入临时废石坑，再由挖掘机转排。

临时废石坑的长度不小于一辆翻斗车的长度，坑底标高比挖掘机作业平台低1~1.5m，容积一般为200~300m3。

排岩台阶分为上下两个台阶，电铲站在下

部分台阶从临时废石坑里铲取废石，向前方、侧方、后方推置。

其中向前方、侧方推置是挖掘机的推进而形成下部分台阶，向后方推置上部分台阶是为新排土线修筑路基，如此作业直至排满规定的台阶高度。

挖掘机排岩工艺的优点有：

（1）受气候的影响小，剥岩设备的利用率高；

（2）移道步距大，线路的质量好；

（3）每米线路的废石容量大，因而减少了排土线在籍长度及相应的移设和维修工程量；

（4）排岩平台具有较高的稳定性，可设置较高的排岩台阶，并能及时处理台阶沉陷、滑坡；

（5）场地的适应性强，可适用各种废石硬度的内外废石场；

（6）可在排岩过程中进行运输线路的涨道，在新建的排土场可直接用挖掘机修筑路基，加快建设速度，节省大量的劳动力和费用。

其缺点有：

（1）挖掘机设备投资较高、耗电量大，因而推土成本较推土犁高；

（2）运输机车需定位翻卸废石和等待挖掘机转排，因而降低了运输设备的利用率。

2．推土犁排岩

推土犁是一种行走在轨道上的排岩设备，它自身没有行走动力，由机车牵引，工作时利用汽缸压气将犁板张开一定的角度，并将堆置在排岩线外侧的岩土向下推排。

推土犁排岩的工艺过程：

列车进入排岩线排卸岩土后，排土犁进行推刮，将部分岩土推落坡下，上部形成新的受土容积，然后列车再翻卸新的岩土，直到线路外侧形成的平盘宽度超过或等于排土犁板的最大允许排土宽度，排土犁已不能进行排岩作业时，用移道机进行移道。

一般排岩线每卸2~6列车由排土犁推刮一次，每经过6~8次推排后需移设线路，排土犁废石场台阶高度通常为10~25m。

推土犁排岩具有如下优点：

（1）推土犁价格低，排岩效率高。

每台推土犁的价格仅为挖掘机的1/3，而排岩效率为挖掘机的两倍；

（2）设备结构简单，便于维修；

（3）推土犁适用性强，适用于准轨运输的各种地质条件、各种岩石硬度的内外废石场；

（4）推土后的路基不需要加工便可直接铺设线路。

缺点：

（1）排岩台阶高度受到限制，一般为10~12m；

（2）移道步距较小，两次移道间的容土量少，因而需设较多的排岩线。

3．推土机排岩

推土机排岩的工艺程序是：

列车将剥离下的废石运至废石场翻卸，推土机将废石推排至排岩工作台阶以下，并平整场地及运输线路。

国内采用推土机排岩工艺的不多。

采用这种方式推排免除了人工作业繁重的体力劳动，当排弃湿度较大的岩石时，由于推土机履带的来回碾压，加强了路基的稳定性，使排土场的堆置高度增大，但排弃成本高于其它方式。

4．前装机排岩

前装机转排具有机动灵活、排岩宽度大、运距长、安全可靠等的优点。

这种排岩方式的排岩台阶有较长的稳定期。

但当运距大时、排岩效率较低。

当排岩平台较宽时，前装机可就地做180。

转向运行，当排岩平台较窄时，可就地做90。

转向运行以进行加长排岩工作平台的作业。

（三）胶带运输机－胶带排岩机排岩

露天矿采用胶带运输机__胶带排岩机排岩是近十年来发展起来的一种多机械、连续排岩工艺。

这一工艺系统一般的工艺流程是：

使用汽车将剥离下废石运至设置在采场最终边帮上的固定或移动式破碎站进行废石的粗破碎，破碎后的废石被卸入胶带运输机，由胶带运输机运至废石场再转入胶带排岩机进行排卸。

当一个台阶高度排满后，用推土机平整场地，然后移动胶带排岩机。

如图19-1所示，胶带排岩机是一种设有胶带运输机的可行走的金属结构物，它是由受料臂、卸料臂、回转台和行走部分组成。

受料臂可以直接接受运输胶带转载，亦可通过加载装置加载。

胶带排岩机的主要工艺参数是最大排岩高度和排岩带宽度，它们都取决于排岩机的结构尺寸。

排岩机向站立水平以上排岩时，应尽量利用悬臂长度形成边坡压角，以保证排岩边坡的稳定；向下排岩也要尽量利用卸载悬臂长度，使排岩带宽度达到结构允许的最大值，为排岩机创造稳定的基底。

胶带运输机__胶带排岩机的排岩工艺充分发挥了连续运输的优越性。

胶带运输机爬坡能力强，运距长、运输成本低、自动化程度高。

与汽车运输相比，具有能源消耗小，维修费低、设备的利用率高等优点。

胶带排岩机增大了废石排岩段高，在很大程度上缓解了废石场容量不足和占用耕地问题。

但这种排岩工艺初期投资大，生产管理技术要求严格，胶带易磨损、工艺灵活性差。

三、废石场的危害防治及复田

（一）废石场的危害及防治

金属矿床露天开采过程中所建立的废石场不但占用了大量的土地而且也对生态景观与环境也造成了相当大的破坏和危害。

概括说来，废石场的潜在危害主要来自两个方面，其一，由于废石场的稳定性差所引发的废石场变形、滑坡及废石场泥石流；其二，废石场所造成的环境污染。

废石场发生变形破坏、产生滑坡或泥石流的主要诱发因素是废石场基底软弱岩层、排弃物料中含有大量表土和风化岩石以及地表汇水和天然降雨的作用，因而，其治理措施应着眼以下几个方面：

（1）改进排岩工艺，选择合理的排岩设备及工艺参数，合理控制排岩顺序，避免形成软弱夹层（即潜在滑动面），同时将大块岩石堆置在废石场底层以稳定基底，或用大块岩石堆置在最底一个台阶反压坡脚，以稳定废石场。

（2）积极处理软岩基底。

对于基底表土或较薄的软岩层，可在排土之前开挖掉；若软岩基底较厚，则预先开挖处理是不经济的，此时则要控制排岩阶段的堆置高度，以使基底得到压实和逐渐分散基底的承载压力，也可用爆破法将基底岩石预先破碎，这样不仅可增大抗风化能力，还可在底部形成排水层。

（3）采取必要措施进行废石场的疏干排水。

首先，应对排土场上方山坡汇水进行截流，将水疏排至外围的低洼处；其次为分散平台本身的汇水使其不致侵蚀或冲刷边坡，应将废石堆置平台修成3。

左右的反坡，使水流向坡根处的排水沟而排出界外；最后在排土坡下游沟谷的收口部位修筑不同形式的拦挡坎起到拦挡泥石流，防止污染农田的作用。

（4）采用不同形式的护坡挡墙，稳定坡角，防止废石场滑坡。

这种护坡挡墙通常是坚硬石块堆置成的石块重力坝，透水性好、施工简单造价便宜，能阻挡滑坡和泥石流。

（5）进行废石场植被。

在已结束排岩的废石场平台和斜坡上进行全面植被，可以防止雨水对废石场表面侵蚀和冲刷，同时植被的根系可以加固废石场表面的岩土，以阻止雨水往内部渗透，并且植被本身也吸收大量的水分。

（二）废石场的污染

废石场的污染有粉尘、毒气和酸雨三类。

粉尘污染主要来自废石排弃过程的运输与卸载，其污染程度主要取决于岩石的脆性、硬度和外部因素（如季节、风向、风速、大气温度与降雨量等）岩石的脆性越大、硬度越小，则形成粉尘的趋势愈大。

飞扬的粉尘悬浮于大气中，使大气的透明度降低，被吸入人体可造成尘肺病。

粉尘（特别是含有毒性或辐射性的粉尘）的分散污染土壤、植物、水，不但危害现场作业人员，也危害着家畜和其它生物的安全。

露天矿传统的粉尘污染控制方法是在采矿场运输沿线及废石场进行喷雾洒水以达到降尘的目的。

近年来，国外发明了一种粘性聚合物代替水进行喷雾降尘，取得了良好的效果。

为了防止废石场的粉尘危害人畜，废石场附近的居民区应力求布置在废石场的主导风向的上风侧。

在已堆置好的废石场台阶或坡面上积极种草植树，既可加固废石场，又可改变废石场的小气候，降低风速，起到固沙降尘的作用。

当废石场中堆置含有硫化物的废石时，硫化物在空气、水以及细菌作用下生成硫酸和氧化物，前者流入地表水系造成酸水污染，后者逸入大气形成毒气而严重地污染空气。

酸水污染通常表现为显性与隐性两种形式，酸水污染较轻时，酸性水中溶解有重金属离子，在生态系统的食物链中被吸收蓄积，最终高度蓄积作为人类的食物而导致人的中毒，这是隐性污染。

酸水污染严重时，酸水所及可使植物枯死，水生动物灭绝，呈现显性污染。

废石场酸水的控制广泛应用中和法，有的矿山为降低处理费用还采用截流稀释法。

但酸水一经形成，以中和法处理需花费大量的人力、物力，且中和产物__中和泥的处理仍是一个难题。

因此有关专家人士提出控制酸水污染应当采取标本兼治，预防为主的方法。

从酸水形成机理中各个环节入手，采取积极措施抑制酸水的形成。

其措施的要点：

（1）尽量在气候干燥的季节剥离含有硫化物的岩石，控制岩石的破碎程度，采取集中堆放和及时掩埋等措施，缩短硫化物废石在大气中的暴露时间；

（2）使废石堆和地下水和地表水隔绝；

（3）截流废石场中产生的酸水，使其不漫溢，集中加以中和处理。

（三）废石场的复垦

露天开采过程中所建立的废石场占用了大量的土地资源，造成了一定程度的环境污染和自然生态景观的破坏。

随着现代科学技术的发展，人们的资源再利用和环境保护意识不断加强。

国外的一些工业发达国家都制定了环境保护和控制矿山三废污染的法律条文，要求矿山经营者在开发过程中或之后必须采取措施，对矿山所破坏的土地，如废石场、采矿坑和塌落区进行造地复田。

我国的矿山复田和垦植以及废石场的利用和整治工作还刚刚起步。

国务院于1989年1月1日发布了《土地复垦规定》，规定指出：

为加强土地复垦工作，合理利用土地，改善生态资源，对因从事开采矿产资源，烧制砖瓦，燃煤发电等生产建设活动中所造成的挖损、塌陷、压占等破坏的土地应采取整治措施，使其恢复可利用的状态。

规定还指出：

土地规划应当与土地利用总体规划相协调，根据经济合理的原则和自然条件以及土地被破坏的状态确定复垦后的用途；有土地复垦任务的企业应当把土地复垦的指标纳入生产建设计划；使土地复垦与生产建设统一规划；有土地复垦任务的建设项目，其可行性研究报告和设计任务书应当包括土地复垦的内容，设计文件一般应当有土地复垦的专门章节，工艺设计应当兼顾土地复垦的要求。

所谓土地复垦是指把被破坏和荒芜了的土地重新加以利用，以及不同于复原的其它任何形式的处理利用。

土地复垦的目的，一方面保护了土地资源，实现了土地资源的二次开发和利用；另一方面，保护了生态环境。

露天矿区的复垦工作是一项复杂的综合性技术工作，涉及到采矿学、生物学、地质学、土壤学、植物栽培学、农田水利学、环境保护学等多学科知识。

废石场的复田工作是指整治废石堆，控制废石堆对周围环境的影响和回收土地。

具体做法在不能种植的废石场地上覆盖适宜的土壤，创造良好的耕种条件，以满足植物的生长。

矿山开采之前应首先根据采矿的地质条件、发展前景及当地的具体情况制定出矿山土地复垦规划并纳入矿山开采计划和排岩计划之中，尽可能利用矿山采运设备，使废石场的复土和修坡工作与开采和排岩顺序相协调。

废石场复垦工作的主要内容和要求如下：

（1）废石场堆的形态整治。

为减少废石场的复垦费用，废石场堆的形态整治应在选择废石场排弃工艺及排弃顺序时综合考虑，一方面应考虑废石场复垦时所要求的堆置高度和堆置台阶边坡角；另一方面应合理安排废石场的结构，应按岩石的种类、性能和块度大小分层堆置。

一般的堆置顺序应是上土下岩，大块岩石在下、小块岩石在上，中性岩石在上、酸性岩石在下，不易风化的岩石在上、易风化的岩石在下，不易于植物生长的岩石在下、易于植物生长的岩石在上。

其次，废石场地要具有良好的稳定性与控制地面水源结构。

（2）表土的采集、存储和复田。

考虑到日后废石场复垦之用，应将露天开采范围内剥离下的表土集中堆放在适当的位置存储，若还需在排土场或工业场地等有土壤资源的地方采集表土、应保证土壤具有良好的质量，保证适宜植物生长的酸碱度，适宜农作物生长的PH值一般为4~8。

（3）铺垫表土：

场地铺垫表土的厚度按不同的地区加以确定，它与种植作物的种类及基层的持水性能有关。

（4）在整治好的废石堆上进行再种植。

再种植的植物应选择适宜在废石堆上生长的草类植物、灌木或树木。