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露天礦山分臺(tái)階開(kāi)采與分層開(kāi)采技術(shù)研究
【摘 要】世界煤炭資源的開(kāi)采以露天開(kāi)采方式為主，露天開(kāi)采分為臺(tái)階式開(kāi)采和分層開(kāi)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(kāi)采方式為主的，而我國(guó)目前露天煤礦的產(chǎn)量占全國(guó)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(kāi)采的煤炭資源數(shù)量較少。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)適合露天開(kāi)采的煤炭資源比例約占總資源的7-10%之間，遠(yuǎn)低于美國(guó)、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(kāi)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(guó)露大煤礦建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的階段。進(jìn)入新世紀(jì)后，我國(guó)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(gè)5000萬(wàn)噸級(jí)大型煤炭基地，包括勝利一、二、二號(hào)、白音華、伊敏河、寶日希勒一號(hào)和二號(hào)等。另外還有神府、哈爾鳥(niǎo)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(shì)的初步預(yù)計(jì)，我國(guó)露天煤礦產(chǎn)量占全國(guó)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(shuō)露天煤礦在我國(guó)的發(fā)展正處于迅猛增長(zhǎng)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(tái)階開(kāi)采技術(shù) 露天開(kāi)采時(shí)，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(kāi)采，并保持一定的超前關(guān)系，在開(kāi)采過(guò)程中各工作水平在空間上構(gòu)成了階梯狀，每個(gè)階梯就是一個(gè)臺(tái)階或稱(chēng)為階段，這種開(kāi)采方式叫做臺(tái)階式開(kāi)采。臺(tái)階是露天采礦場(chǎng)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(tái)階構(gòu)成要素如圖1所示。 1-臺(tái)階上部平盤(pán)；2-臺(tái)階下部平盤(pán)；3-臺(tái)階坡面；4-臺(tái)階坡頂線(xiàn)；5-臺(tái)階坡底線(xiàn)；a—臺(tái)階坡面角；h-臺(tái)階高度 圖1 臺(tái)階構(gòu)成要素示意圖 臺(tái)階朝向采空區(qū)一側(cè)的傾斜面叫臺(tái)階坡面。它與水平面的夾角叫臺(tái)階坡面角（見(jiàn)圖1中的3和a）。 臺(tái)階上部平臺(tái)與坡面的交線(xiàn)叫坡頂線(xiàn)（見(jiàn)圖1中的4）。 臺(tái)階下部平臺(tái)與坡面的交線(xiàn)叫坡底線(xiàn)（見(jiàn)圖1中的5）。 臺(tái)階上部平臺(tái)與下部平臺(tái)間的垂線(xiàn)高度叫臺(tái)階高度（見(jiàn)圖1中的h）。開(kāi)采時(shí)，將工作臺(tái)階劃分成若干個(gè)條帶逐條順序開(kāi)采，每一個(gè)條帶叫做采掘帶。各臺(tái)階上部平盤(pán)和下部平盤(pán)是相對(duì)的，一個(gè)臺(tái)階的上部平盤(pán)同時(shí)又是其中一個(gè)臺(tái)階的下部平盤(pán)。臺(tái)階的命名，通常是用開(kāi)采該臺(tái)階的下部平盤(pán)（即裝運(yùn)設(shè)備站平盤(pán)）的標(biāo)高表示，故常把臺(tái)階叫某水平。 特點(diǎn)： （1）自上而下分臺(tái)階順序開(kāi)采，必須有上山公路的修筑，公路要開(kāi)拓到運(yùn)輸平臺(tái)，采裝設(shè)備在運(yùn)輸臺(tái)階上進(jìn)行鏟裝，適合上規(guī)模的露天礦山開(kāi)采、采掘設(shè)備要求比較高，分多個(gè)工作面開(kāi)采時(shí)，相互之間必須錯(cuò)開(kāi)一定的距離。 �。�2）實(shí)施中深孔爆破時(shí)，高度最多不得超過(guò)挖掘機(jī)舉高的1.5倍（根據(jù)巖層硬度系數(shù)定）。臺(tái)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(tái)寬度，根據(jù)設(shè)備定，終了平臺(tái)一般為3m，清掃平臺(tái)一般為6m。 2.分層開(kāi)采技術(shù) 分層式礦床開(kāi)采是指將開(kāi)采設(shè)計(jì)的每一個(gè)臺(tái)階都作為一個(gè)獨(dú)立分層，每個(gè)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(duì)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(kāi)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(kāi)采地質(zhì)模型建立的過(guò)程是：根據(jù)開(kāi)采程序制定的臺(tái)階劃分原則形成各臺(tái)階的初始臺(tái)階界面；按選采和工藝要求調(diào)整臺(tái)階界面；根據(jù)各地質(zhì)界面與各臺(tái)階上、下盤(pán)界面的空間位置關(guān)系確定各臺(tái)階、各網(wǎng)塊中分類(lèi)礦巖含量；將各臺(tái)階模型按空間次序組合成礦床開(kāi)采地質(zhì)模型。 2.1臺(tái)階界面確定 臺(tái)階劃分主要取決于開(kāi)采工藝、設(shè)備規(guī)格及礦床賦存條件。臺(tái)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(mǎn)足選采要求）及保證作業(yè)安全。一般地，露天開(kāi)采的臺(tái)階有三種劃分方式：按水平分層劃分臺(tái)階；按傾斜分層劃分臺(tái)階；按混合分層劃分臺(tái)階（部分傾斜分層，部分水平分層）。 因每個(gè)臺(tái)階界面均由其下盤(pán)界面及上一臺(tái)階的下盤(pán)面（ 或地表面） 圍成，故確定臺(tái)階界面的關(guān)鍵是確定臺(tái)階下盤(pán)界面。 最后確定臺(tái)階下盤(pán)界面；按選采及工藝要求對(duì)初定的臺(tái)階界面進(jìn)行調(diào)整。 2.2臺(tái)階中分類(lèi)礦巖量的確定 根據(jù)各地質(zhì)層面與各臺(tái)階界面的空間位置關(guān)系確定各臺(tái)階各網(wǎng)塊的分類(lèi)礦巖含量。臺(tái)階界面與地質(zhì)分層面有如下六種基本關(guān)系：臺(tái)階位于地質(zhì)分層中；地質(zhì)分層位于臺(tái)階中；臺(tái)階夾地質(zhì)分層頂板；臺(tái)階夾地質(zhì)分層底板；臺(tái)階在地質(zhì)分層之下；臺(tái)階在地質(zhì)分層之上。在該臺(tái)階范圍內(nèi)逐網(wǎng)塊進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于每一地質(zhì)分層，均考察其與本臺(tái)階界面的位置關(guān)系，若地質(zhì)分層與本臺(tái)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(tái)階各網(wǎng)塊內(nèi)的分類(lèi)礦巖厚度、量。若獨(dú)立可采礦層頂、底板位于臺(tái)階中，還需扣除采掘貧化損失厚度。臺(tái)階中的每一網(wǎng)塊，都記錄其分類(lèi)礦巖量。 特點(diǎn)： （1）自上而下分層順序開(kāi)采，是在不分臺(tái)階開(kāi)采的情況下，目前能夠保證開(kāi)采安全的唯一可行的開(kāi)采方式。由于該開(kāi)采方式不分臺(tái)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(chǎng)規(guī)模小、采掘設(shè)備簡(jiǎn)單、贏利能力弱的特點(diǎn)。同時(shí)由于該開(kāi)采方式設(shè)有分層鑿巖平臺(tái)，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(shí)，分層高度不得超過(guò)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(kāi)采安全和效率兩方面考慮。 （3）分層鑿巖平臺(tái)寬度不得小于4米。分層平臺(tái)寬度過(guò)窄，鑿巖作業(yè)場(chǎng)地面積不足，作業(yè)過(guò)程中易發(fā)生墜落事故。當(dāng)然，分層平臺(tái)也不宜過(guò)寬，否則爆碴不能全部直接拋擲到裝巖平臺(tái)，需要在分層平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)，這樣會(huì)增加生產(chǎn)成本，降低作業(yè)效率，也就失去了分層開(kāi)采的意義。 3.結(jié)語(yǔ) �。�1）露天礦臺(tái)階式開(kāi)采自上而下分臺(tái)階順序進(jìn)行，必須有上山公路的修筑，公路要開(kāi)拓到運(yùn)輸平臺(tái)，采裝設(shè)備在運(yùn)輸臺(tái)階上進(jìn)行鏟裝，適合規(guī)模比較大的露天礦山開(kāi)采、采掘設(shè)備要求比較高，分多個(gè)工作面開(kāi)采時(shí)，相互之間必須錯(cuò)開(kāi)一定的距離。 �。�2）露天礦分層開(kāi)采自上而下分層順序開(kāi)采，是在不分臺(tái)階開(kāi)采的情況下，目前能夠保證開(kāi)采安全的唯一可行的開(kāi)采方式。由于該開(kāi)采方式不分臺(tái)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(chǎng)規(guī)模小、采掘設(shè)備簡(jiǎn)單、贏利能力弱的特點(diǎn)。同時(shí)由于該開(kāi)采方式設(shè)有分層鑿巖平臺(tái)，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(guó)家能源局發(fā)展規(guī)劃司.科學(xué)發(fā)展的2030年國(guó)家能源戰(zhàn)略研究報(bào)告（征求意見(jiàn)稿）[M].2009. [2]才慶祥，洪宇.露天煤礦高效開(kāi)采新技術(shù)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008. [3]駱中洲.露天采礦學(xué)（上冊(cè)）[M].中國(guó)礦業(yè)學(xué)院出版社，1986. [4]牛成俊.現(xiàn)代露天開(kāi)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(cè)）[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.
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