第二十一章露天开采.docx

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第二十一章露天开采

第二十一章露天开采

第一节概述

露天开采就是采掘空间直接敞露于地表，为了采煤需剥离煤层上覆及其四周的土岩。

因此，采场内建立的露天沟道线路系统除担负着煤炭运输外，还需将比煤量多几倍的土岩运往指定的排土场。

所以，露天开采是采煤和剥离两部分作业的总称。

一、生产工艺环节

露天开采工艺环节分主要生产环节和辅助生产环节两类。

（一）主要生产环节

（1）煤岩预先松碎采掘设备的切割力是有限度的，除软岩可以直接采掘外，对中硬以上的煤岩必须进行预先松碎后方能采掘。

（2）采装利用采掘设备将工作面煤岩铲挖出来，并装人运输设备（汽车、铁道、车辆、输送机）的过程。

（3）运输采掘设备将煤岩装入运输设备后，煤被运至卸煤站或选煤厂，土岩运往指定的排土场；

（4）排土和卸煤土岩按一定程序有计划地排弃在规定的排土场内，煤被卸至选煤厂或卸煤站。

（二）辆助环节

辅助环节包括；①动力供应；⑦疏于及防排水；⑤设备维修：

①线路修筑、移设和维修；⑤滑坡清理及防治等。

二、露天开采的采场要素及开采工艺分类

1.台阶

在开采过程中，露天矿往往被划分为若干具有一定高度的水平分层，这种分层被称为“台阶”，见图21-1所示。

台阶要素包括：

台阶上部水平面，即上盘、下盘；朝向采空区的倾斜面，即坡面和台阶高度h，台阶坡面角α等。

台阶的位置往往用它的下盘标高来表示，如+100m水平，+115水平。

图21-1台阶要素图

2.露天矿场要素

（1）露天开采境界

露天开采终了时的空间状态。

它包括开采终了时的地面境界AB、边帮AC、BD和底部境界线CD（图21—2）。

图21-2露天采场构成要素

（2）边帮

由采场四周坡面及平台组合成的表面总体。

其中包括：

①工作帮（图21-2中的GE）：

由工作面台阶所组成，正在进行开采的边帮或一部分。

②非工作帮（图21-2中的AG、BF）：

：

由非工作面台阶所组成的边帮。

（3）边帮角

①工作边帮角（图21-2中的φ）：

工作帮最上台阶和最下台阶坡底线形成的假想平面与水平面的夹角。

②最终边帮角（图21-2中的β、γ）：

露天矿场终了时，最上台阶坡顶线和最下台阶坡底线组合成的假想平面与水平面的夹角。

3.开拓与开采要素

出入沟：

建立采场与地表运输通道的露天沟道。

开段沟：

开掘某标高采掘工作面的沟道。

开采程序：

采场内土岩的剥离和采煤工程，在空间和时间上合理配合的发展顺序。

三、露天开采的优缺点

露天开采与地下开采相比较，有以下优缺点：

（1）矿山生产规模大山西平朔安太堡露天矿年产原煤15.00Mt。

黑岱沟、霍林河、元宝山和伊敏河露天煤矿计划规模为5.00—12.00Mt/a。

国外已有规模达50.00Mt/a的露天煤矿，年剥离量可达1亿到3亿m3。

（2）劳动效率高1996年霍林河南露天煤矿原煤全员效率达19t/工；平朔安太堡露天煤矿全员效率36.6t/工。

（3）生产成本低露天开采成本的高低与所选择的工艺、煤岩运距、开采单位煤量所需剥离的土岩数量等有关。

但与地采相比是低的。

世界露天采煤成本约为地下开采采煤成本的二分之一。

（4）资源采出率高一般可达90％以上，还可对伴生矿产综合开发。

（5）作业空间不受限制露天矿由于开采后形成的是敞露空间，可以选用大型或特大型的设备，因而开采强度较大。

（6）木材、电力消耗少。

（7）建设速度快，产量有保证，生产安全，劳动条件较好。

（8）占用土地多，污染环境露大开采后的复田作业需花费相当数量的时间与资金。

（9）受气候影响大严寒、风雪、酷暑、暴雨等会影响生产。

（10）对矿床赋存条件要求严格露天开采范围受到经济条件限制，因此覆盖层太厚或埋藏较深的煤层尚不能用露天开采法。

第二节露天开采的主要工艺过程

露天开采工艺方法，根据采掘、运输、排土三个主要生产环节所采用的开采机械设备的工作特点，可以划分为三种类型：

间断式开采工艺、连续式开采工艺、半连续式开采工艺。

下面重点介绍我国露天煤矿采用较多的间断作业工艺方式。

一、煤岩预先破碎

露天矿广泛采用的预先松碎方法是穿孔爆破。

（一）穿孔

穿孔用穿孔机完成，穿孔机有冲击式和回转式两类。

1．钢绳冲击式钻机

钢绳冲击式钻机是我国露天煤矿中的主要穿孔设备，它的工作原理如图21—3所示。

2．潜孔钻机

它是一种风动冲击式钻机。

工作时将冲击器和钻头一起潜入钻孔，压缩空气经钻杆送入冲击器冲击钻头，孔底岩粉由压气排出孔外。

图21-4KQ-200型潜孔钻机

3.牙轮钻机

它是一种回转钻机。

工作时借助推压提升机构向钻头施加高钻压和扭矩，将煤者在静压、少量冲击和剪切作用下破碎，岩渣通过压缩空气吹出孔外。

图21-5KY-310钻机示意图

（二）爆破

爆破工作是将煤岩从整体中分离下来，并按一定块度和工程要求堆积成一定的几何形体。

爆破用炸药主要应用以硝酸铵为主加适量可燃剂组成的干爆炸剂和以硝酸铵水溶液为主加敏化剂等组成的含水炸药。

如铵梯炸药、铵油炸药和铵沥蜡炸药。

起爆方法可分为电起爆和非电起爆两类。

电起爆有电雷管和起爆器两种，非电起爆有火力起爆和导爆索起爆。

二、采装工作

采装工作就是将软岩或预先松碎了的煤岩，通过机械设备采挖并装入运输设备中，或倒卸在指定地点。

广泛得到应用的间断式采装设备有：

单斗挖掘机、前装机和铲运机等几种形式。

（一）单斗挖掘机

单斗挖掘机按其工作装置可分如下几种：

正铲、反铲、刨土铲、拉铲和抓斗铲。

（图21-7）

（二）前装机

该机将采装、短距离运输、排弃和辅助作业集于一个设备。

它灵活机动，运行速度高，爬坡作业性能好，维护费用低。

前装机多是轮胎式的，运输距离一般不超过150m。

国产的前装机斗容为5m3，国外有斗容达22m3的前装机。

图21-9前装机

三、运输

煤岩从工作面经采装设备挖掘装入运输设备后，煤被运往卸煤站或选煤厂，岩被运往排土场，生产上所需材料等被运往指定地点。

运输工作是采装和排卸的连接环节，起着“纽带”的作用。

也决定着整个生产任务完成的好坏。

常用的运输方式有：

准规和窄轨铁路运输，公路运输，箕斗运输和联合运输。

1.铁路运输

2.公路运输

3．联合运输

四、排土

露天开采为了采煤而必须剥离的土岩，经运输设备运至一定地点排弃，这个排弃的场所称排土场。

由于被剥离的土岩往往是采煤量的好几倍，所以场地的选择、容量大小、距离采场的远近都将直接影响到剥离成本。

第三节露天开采程序及开拓运输系统

一、开采程序

露天矿场开采程序系指在露天开采范围内采煤、剥岩的顺序。

即采剥工程在时间和空间上发展变化的方式。

诸如采剥工程台阶划分，采剥工程初始位置确定，采剥工程水平推进、垂直延深方式，工作帮构成等。

开采程序的选择与煤岩赋存条件、露天矿场的尺寸和几何形状、工艺类型、开拓方式以及煤产量、质量、投产时间、达产时间等有关。

根据煤岩赋存条件和矿场尺寸，可以考虑台阶划分及台阶高度、设备的选型、开拓运输系统及第一个沟位的确定。

同一个矿山，所选的开采程序、工艺系统、开拓方式不同、将有不同的经济技术效果。

所以，决定方案时，应拟多个方案从中择优。

（一）采剥工程台阶划分及台阶开采程序

露天矿场内，采煤、剥离工程通过划分成台阶来开采。

台阶的划分应利于设备效率的发挥、作业安全及提高煤质。

对勺斗斗容为3～4m3的单斗挖掘机，台阶高度一般为10～12m；大规格的挖掘机，台阶高度可达20～25m；大型倒堆挖掘机，台阶高度可在30m以上；轮斗挖掘机，组合台阶高度可达40～50m。

台阶划分，一般按水平划分，称水平分层；有时是倾斜的表面，称倾斜分层。

水平分层利于采掘、运输设备作业，多采用此方式；在某些缓斜煤层条件下，为了提高煤质，减少顶底板岩石的混入，可在煤层开采中选用倾斜分层开采程序。

（二）工作帮及其推进

1、开段沟初始位置确定

第一个台阶的开段沟位置一般选在剥离量少的煤层露头处，可设在煤层底板，也可设在煤层顶板，沟道可以平行煤层走向，也可以平行煤层倾向，如图23-13中的（a）、（b）。

沟道亦可以成圈形布置，如图21-13中的（c）、（d）。

图21-13开段沟位置

2、工作帮构成

工作帮形态决定于组成工作帮的各台阶之间的相互位置，通常可用工作帮坡角大小来表示。

如图21-14所示。

图21-14工作帮坡角

3、工作帮推进

工作帮推进方向与矿山工程开段沟初始位置有关。

图21—15（a）是煤层底板拉沟，向顶帮推进，即一个工作帮。

图21—15（b）是从煤层顶板拉沟，工作帮向顶、底帮两个方向推进，形成一个剥离工作帮，一个采煤工作帮。

这两种台阶工作帮的推进方式均为平行推进。

有的可以扇形方式推进（图21—16）。

图21-15工作帮推进图

（a）——一个工作帮；（b）——一个剥离工作帮，一个采矿工作帮

图21-16工作帮扇形推进

1——剥离台阶；2——采矿台阶；3——内部排土场

二、矿床开拓

矿床开拓指开掘矿山坑道（或修筑通路）以开辟从地表至矿床或自矿床的某一开采部分至另一部分的运输通路，并为开掘开段沟和开掘矿山坑道（沟道或井巷）的工作创造条件。

矿床开拓包括确定矿体开采顺序、开拓方法、台阶高度及坑线布置等项内容。

第四节露天矿生产能力

露天矿的生产能力，不仅指年产煤量，还有年剥离土岩量。

一、露天开采境界

露天开采境界系指露天矿场开采终了时形成的空间轮廓。

它由矿场的地表境界、底部境界和四周帮坡组成。

1、影响露天开采境界的因素

（1）自然因素包括煤层埋藏条件，如：

赋存状态、厚度、倾角、煤质、围岩岩性、地形地貌、工程和水文地质条件等。

（2）技术组织因素包括开采技术水平、装备水平、地面主要建筑物、城市、厂房等。

（3）经济因素包括基建投资、基建期和达产时间、煤炭的开采成本及销售价格中煤炭的贫化损失、设备供应情况及国民经济发展水平等。

2、合理开采深度的确定原则

当一个煤田或煤田的—部分被确定用露天法开采时，首先必须确定以什么原则圈定其合理的开采范围。

现以图21-21所示倾斜煤层为例加以说明。

图21-21露天矿横断面开采示意固

设煤层厚度为m，顶帮边帮角为β，台阶高度为h，露头上部岩土量为V0。

每向下延深一个高度h采出煤量为P，为此所需剥离岩土量为V。

则h1时采出煤量为P1、剥离岩土量为V1；h2时采出煤量为P2、剥离岩土量为V2···；直至hi时为Pi和Vi。

从中可以看出，在m、h不变时，各水平采煤量P值变化不大，而V值随着深度的加大和β的减小而增加。

由此可见，露天开采的范围（深度）必然有一限度，即

CLPi≥aPi+bVi（21-1）

式中：

CL——露采煤炭售价，元／t；

Pi——第i标高采出煤量，t；

Vi——第i标高所需剥离土岩量，m3；

a——露天纯采煤成本，元／t；

b——露天纯剥离成本，元／m3。

式（21-1）说明了每延深一个深度所采出的煤量，市场上销售所得金额应大于或等于采煤费用和为采煤而必须剥离岩土的费用两项之和。

上式亦可表示为

（21-2）

左式表明采出的煤量和所需剥离岩量的比值；公式右边为煤售价与单位采剥成本间的关系，表明采出单位煤量经济上允许的最大剥离量值。

由上可知，合理开采深度的确定主要取决于经济因素和受赋存条件决定的煤量与岩量之比值。

露天矿合理开采深度的确定，实质上就是对煤、岩比值大小的控制，使其不超过经济上允许的值。

二、剥采比

所谓剥采比即是开采单位煤量所须剥离的岩石量。

下面简单介绍平均剥采比、境界剥采比、生产剥采比和经济合理剥采比。

1、平均剥采比np

露天开采境界内，全部岩石量与采出煤量之比，如图21-22所示。

图21-22平均剥采比计算示意图图21-23境界剥采比计算示意图

（21-3）

式中np——平均剥采比；

V——开采境界内全部岩土量，m3或t；

η——采出系数；

P——开采境界内全部工业储备量，m3或t。

2、境界剥采比nk

当露天开采境界做少量变化（扩大或减少∆h）所引起的岩土量与煤量变化之比值，如图21-23所示。

（21-4）

式中nk——境界剥采比；

∆Vk——境界少量变化扩大的岩土量，m3或t；

∆Pk——境界扩大后增加的煤量，m3或t。

由图21-23和公式（21-4）可知，境界剥采比实为边界岩煤增量之比。

在露天矿圈定境界时，多采用境界剥采比作为公式（21-2）中左边计算内容。

三、生产剥采比ns

露天矿某一生产时期剥离的岩土量与采出煤量之比，如图21-24所示。

（21-5）

式中

ns——生产剥采比；

∆Vs——某一生产时期剥离的岩土量，m3或t；图21-24生产剥采比计算图

∆Ps——同一生产时期采出的工业煤量，m3或t。

露大矿生产时，上下台阶间应保持工作平盘宽度，由此构成工作帮坡角Φ。

Φ的变化会直接影响ns的变化，生产中亦正是利用调整工作帮坡角Φ，来均衡生产剥采比，以达到在某一较长时期[5～10（a）]内设备数量和人员的稳定。

4、经济合理剥采比nj

nj系指分摊到单位煤量上的最大允许的剥离量，该值为一系列经济因素所决定。

主要的计算方法有：

（1）露天、地下开采单位煤量成本相等，即

Cd=a+nb（21-6）

式中Cd——地下开采单位煤量成本，元／t；

a、b——露天开采纯采煤、剥离单位成本，元/t、元/m3；

n——允许剥采比，m3/t。

由式（21—6）可转换为

（21-7）

此公式表明若露天开采单位采煤成本不高于地下单位采煤成本时，允许的经济剥采比为

（2）露天开采法采出煤的成本与其售价相等，即

CL=a+nb（21-8）

则

（21-9）

在境界圈定中，广泛采用境界剥采比小于等于经济合理剥采比的原则，即

（21-10）

即nk≤nj（21-11）

式子左边是煤岩量的比值，右边是由经济因素确定的最大剥采比值。

三、露天矿生产能力

露天矿生产总能力应为年采煤和剥离两个量之和，亦即年采剥总量为

A=Ap+Av

=Ap+nsAp=Ap（1+ns）（21-12）

式中Ap——年采煤量，t（m3）/a；

Av——年剥岩量，m3（t）／s；

ns——生产剥采比，m3（t）/m3（t）。

从上式可以看出露天矿的煤岩生产能力A，除受到煤层的生产能力影响外，还受到生产剥采比ns的影响。

它还决定着煤炭开采成本、工效、设备数量、人员、投资的多少等。

复习思考题

1．露天开采的特点？

2．露天开采的采场构成要素有哪些，其含义是什么？

3．简述几种主要穿孔设备，穿孔原理及其特征？

4．单斗挖掘机按其工作装置可分为哪几种？

正铲的工作规格、工作面及其参数、生产能力如何确定？

5．露天开采排土场的位置如何确定，常用的排土设备和排土方式有哪些。

6．何谓露天矿开采程序？

影响开采程序的因素有哪些？

7．开段沟初始位置是按什么原则确定的？

工作帮推进方式有哪几种？

8．铁路运输开拓运输系统坑线布置形式，坑线固定性与否的依据是什么？

9．何谓露天开采境界，影响开采境界的因素有哪些？

10．露天矿合理开采深度确定的原则是什么？

11．何谓平均剥采比、境界剥采比、生产剥采比、经济合理剥采比？

12．露天矿生产能力如何计算？