第一章露天開采的原則和方法一、露天開采的特點露天開采是用一定的采掘運輸設備在敞露的空間從事礦石開采作業(yè)。露天開采的特點是：采出礦石需將礦體周圍的巖石及覆蓋巖層剝掉，通過露天運輸通道或地下井巷把礦石或巖石運至地表。這種開采方法廣泛用于開采金屬礦、冶金輔助原料、建筑材料、化工原料及煤等礦床?；诼短扉_采是在敞露的空間從事礦床開采作業(yè)，與地下開采比較，它有如下特點：(1)相對講，開采空間受限較小，有利于采用大型機械化設備。機械化、自動化水平較高，可提高礦山開采強度和礦石產(chǎn)量。(2)勞動生產(chǎn)率高。(3)開采成本低，使大規(guī)模開采低品位礦石成為可能(4)礦石損失貧化小，有利于地下礦產(chǎn)資源的回收。(5)基建時間短，年產(chǎn)噸礦石的基建投資比地下開采低。(6)對于高溫易燃礦體的開采，露天開采也較地下開采較為安全。(7)勞動條件較好，工作也較安全。(8)露天開采過程中可產(chǎn)生較大粉塵，自卸汽車運行中可排放廢氣，爆破后的巖石因含有害成分對與之接觸的大氣、水和土壤有一定程度的污染。(9)把大量剝離巖、土排棄到排土場，排土場占地面較大占用山地和農(nóng)田且局部惡化生態(tài)環(huán)境。(10)遇冰雪、暴雨等天氣，對露天開采有一定影響。開采境界的圈定是露天礦山開采設計的基礎(chǔ)，也是礦床經(jīng)濟、安全、高效開發(fā)的前提。長期以來，各國礦業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覍W者對開采境界優(yōu)化問題做了持續(xù)的研究和探索，獲得了眾多研究成果。然而，由于露采礦山面對的是復雜多變的地質(zhì)巖體、無序的品位分布以及多變的經(jīng)濟參數(shù)等一系列非線性動態(tài)問題，最優(yōu)境界的確定顯得尤其困難。本文針對露天礦山境界優(yōu)化所面對的關(guān)鍵問題，在總結(jié)前人所做工作的基礎(chǔ)上，分析研究露天礦山開采境界的動態(tài)特征，在分析影響礦山穩(wěn)定最終邊坡角的主要指標基礎(chǔ)上，對礦山最終合理邊坡角的預測;研究礦山系列境界的快速形成方法，研究形成礦山最終開采境界的確定方法。本文針對工程實際，立足于發(fā)展前沿，運用多學科的理論和方法，對露天礦最終境界的確定進行了系統(tǒng)和深入的研究，研究成果具有較高的理論和工程應用價值。二、露天開采的設計準則露天開采境界的大小決定了露天礦采礦量和剝離量的多少。隨著露天開采境界的延深和擴展，在采礦量增加的同時剝離量也大幅度增加，從而導致剝采比不斷增大。因此，露天開采境界的確定，實質(zhì)上是對剝采比的大小加以控制，使之不超過經(jīng)濟合理剝采比。由于境界剝采比的設計準則具有使整個礦床開采的總經(jīng)濟效果最優(yōu)這一背景，加之計算及操作簡單易行，目前國內(nèi)外手工設計普遍運用≤準則來圈定露天開采境界。雖然國內(nèi)外手工設計普遍運用≤準則來圈定露天開采境界，但是對于某些覆蓋層較厚或不連續(xù)的礦體，這一準則不適用。因此該準則只是最優(yōu)開采境界的必要條件，而不是充分條件、更不是充分必要條件。(2)平均剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則;這一設計準則的實質(zhì)是，露天開采境界向下延深時，控制露天開采的總體經(jīng)濟效益不劣于地下開采。平均剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比設計準則的技術(shù)經(jīng)濟目標是：在滿足露采總體經(jīng)濟效果不劣于地采的條件下，使劃歸露天開采境界內(nèi)的礦石儲量最大。由于這一原則是采用算術(shù)平均的方法，因此難免會使露天開采在某些局部的經(jīng)濟效果劣于地下開采?！軠蕜t可以與≤準則合用。對于某些覆蓋層很厚或不連續(xù)的礦體，按≤準則圈出開采境界之后，還要核算該境界內(nèi)的平均剝采比，看它是否滿足≤準則。對于某些貴重或稀有礦物等高價值礦床或小型礦山，為了盡可能采用露天開采以減少礦石的貧化損失，可以運用這個原則來確定開采境界，借以擴大露天開采范圍。此外，建材石灰石礦山慣用平均剝采比設計準則。(3)生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則。生產(chǎn)剝采比可以反映露天礦生產(chǎn)中實際發(fā)生的剝采比。因此按≤準則確定開采境界，可以使露天礦任何生產(chǎn)時期的經(jīng)濟效果都不劣于地下開采。該原則中的生產(chǎn)剝采比，可以是均衡生產(chǎn)剝采比，也可以是未均衡的生產(chǎn)剝采比即時間剝采比。按生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則圈定的露天開采境界比按≤準則圈定的小，而較按≤準則圈定的大。因此，隨之而來的初始剝離量和基建投資也較大。另外，由于生產(chǎn)剝采比的概念不易明確界定，加之它與采深的關(guān)系較為復雜而不易把握，因而該準則相應的設計方法的可操作性較差。鑒于上述各種原因，這個原則很少采用。三、露天礦開采境界要素3.1開采境界最終邊坡角及邊坡結(jié)構(gòu)露天礦最終邊坡角對露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效果都有很大影響。從經(jīng)濟效果來考慮，希望邊坡角盡可能大些，過小的邊坡角，將增加剝巖量，使剝采比增大。然而，過大的邊坡角，將導致邊坡失穩(wěn)，嚴重影響礦山安全生產(chǎn)。因此，露天礦的最終邊坡角，要同時滿足安全穩(wěn)定條件和開采技術(shù)條件的雙重要求。安全穩(wěn)定條件是指根據(jù)邊坡巖體的性質(zhì)，通過穩(wěn)定性分析計算，確定能保證邊坡穩(wěn)定的最終邊坡傾角。在境界設計階段，一般是參照類似礦山實踐資料選取穩(wěn)定的邊坡角，并用已有資料對其穩(wěn)定性進行初步分析和簡要計算。3.2開采境界底部寬度及底部位置(1)底部寬度要求及數(shù)值露天礦的最小底寬，應滿足采裝運輸設備在底部正常運行與安全作業(yè)的要求，一般不應小于開段溝的底寬，其最小寬度根據(jù)采裝、運輸設備規(guī)格及線路布置的有關(guān)計算結(jié)果來確定。(2)底部位置與相似形開采境界(特征和性質(zhì))確定境界底部位置的基本準則是使境界內(nèi)平均剝采比最小。有時須根據(jù)礦巖的物理力學性質(zhì)調(diào)整露天礦底的位置，使最終邊坡避開破碎帶或構(gòu)造帶，以利邊坡穩(wěn)固、穿爆方便。視礦體水平厚度不同，露天采場底的位置可能有三種：當?shù)V體水平厚度小于最小底寬時，露天礦底平面按最小寬度繪制;當?shù)V體水平厚度等于或略大于最小底寬時，露天采場底寬取礦體水平厚度;若礦體水平厚度遠大于露天礦最小底寬時，則按最小底寬繪制底平面。其位置應能滿足可采礦石量最多、剝離礦石量最少、采出礦石質(zhì)量最好等于經(jīng)濟效益最大的原則。由于實際境界的底寬不為零，相似形境界不能完全適用，設計中可按下列情形確定境界底部位置：①對于平坦地表，無論是厚礦體還是薄礦體均為相似形境界;②對于傾斜地表，水平厚度大于底寬的礦體仍為相似形境界，水平厚度小于底寬的薄礦體則須滿足條件。(3)相似形開采境界的設計方法相似形境界是理論上滿足平均剝采比最小準則的最優(yōu)底部位置，確切地說是境界底寬為零時的最優(yōu)底部位置。3.3開采境界深度露天開采境界的設計準則實質(zhì)上是確定露天礦開采深度的理論依據(jù)。采場外觀，可因礦體賦存條件特別是沿走向長度的不同分為長采場和短采場。采場的長寬比大于4：1的稱長采場，其端幫礦巖量占總礦巖量的比例相對比較小，設計中手工計算時一般可以不單獨考慮端幫礦巖量;采場的長寬比小于4：1的稱短采場，其端幫礦巖量占總礦巖量的15～20%以上，設計時必須考慮這部分礦巖量。(1)地質(zhì)橫斷面圖上初步擬定開采深度在地質(zhì)橫斷面圖上確定開采深度的方法由三種：(1)分析法。(2)圖解法。(3)方案-分析法。在上述三種方法中，方案-分析法應用最廣，其具體操作步驟如下：1、擬定若干個開采境界深度方案。2、計算各采深方案的境界剝采比。3、繪制分析曲線，初擬采深。(2)地質(zhì)橫斷面圖上調(diào)整開采境界底部標高，調(diào)整后的底部標高就是開采境界的設計深度。(3)圈定露天礦開采境界。露天開采境界的圈定方法(人工方法)分為三大步驟：第一步：繪制露天礦底部周界。露天礦底部周界應按開采境界的設計深度確定，具體步驟為：1.在各橫斷面、縱斷面、輔助斷面圖上，按開采境界的設計深度，繪制露天開采境界;2.按開采境界的設計深度，即底部標高繪制該水平的地質(zhì)分層平面圖;3.將各斷面圖上的露天礦底部位置(底部兩側(cè)的端點即下部境界點)分別投影到分層平面圖上，依次連接各點，得出開采境界的理論底部周界(下圖中的虛折線)。4.用圓滑的曲線擬合理論周界的折線，得到開采境界的設計底部周界。5.為了便于采掘運輸作業(yè)需按下列要求對設計底部周界進行校核：底部長度應符合布設運輸線路的技術(shù)標準，底部寬度應保證采掘工作的正常進行;底部周界要盡量平直，彎曲部位的曲率半徑要適應運輸設備的技術(shù)性能。第二步：繪制露天礦開采境界。將露天礦的設計底部周界繪在地質(zhì)地形平面圖上，按照設定邊坡組成要素，從底部周界開始由里向外依次繪出各個臺階的坡底線和坡底線，即平臺和坡面。顯然，露天礦凹陷部分，即封閉圈以下的各臺階坡底線在平面圖上是閉合的;而山坡部分，即封閉圈以上的臺階坡底線不能閉合，其末端應與同標高的地形等高線交接。第三步：繪制露天礦開采終了平面圖。在繪制的露天礦開采境界平面圖上布置開拓運輸線路，即所謂的定線;在定線的開采境界平面圖上繪制開采終了平面圖，從底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡面和平臺;與此同時，在布置運輸干線的邊幫上，按照具體的渡線位置，繪出臺階間相互溝通的傾斜運輸平臺;檢查和修正繪制的露天開采境界。由于原定的露天開采境界，特別是布置開拓坑線的邊幫，常受開拓運輸路線的影響，致使邊坡角變緩，剝采量增大。第四步：繪制露天礦開采境界斷面圖。根據(jù)露天礦采掘終了平面圖，按照圖中的實際長度，繪制三個剖面的橫斷面圖。在露天礦開采境界平面圖中的底寬的重點，連接這兩點并延伸，該線即為縱剖面線。然后確定水平底寬，然后根據(jù)各臺階的寬度依次往上推，最終完成橫斷面圖。四、露天開采境界的確定和優(yōu)化綜上所述，以露天開采境界設計廣泛采用的原則進行為例，確定其方法和步驟為：(1)確定露天開采深度。向長度大的露天礦，應先在各地質(zhì)橫剖面圖上初步確定開采深度，然后再用縱剖面圖調(diào)整露天礦底部標高。走向很短、深度和寬度相對較大的露天礦，必須考慮端幫擴幫的影響。在剖面圖上不能把開采深度直接確定下來，需用平面圖法計算出境界剝采比再確定露天開采深度。具體步驟是，把預計幾個可能深度的境界剝采比分別算出后，選取境界剝采比等于經(jīng)濟合理剝采比的階段做為露天采場的底，則其深度即為露天礦開采深度。(2)確定露天礦底平面周界。露天礦底寬可能大于或小于礦體的水平厚度，但必須滿足最小寬度的要求。確定原則是，保證在全部露天開采范圍內(nèi)，礦石的回來率最高，而剝離的巖石量最少。露大礦底平面最小寬度應保證生產(chǎn)安全和采掘運輸設備的正常工作。從礦山采剝工程要求來看，它相當于開段溝的掘進寬度，取決于掘進方法及設備類型和規(guī)格，按工作安全條件要求，一般不小于20～30m。露天礦底平面標高及端部位置確定后，即可繪制出底平面的理論周界，繪制的方法是，以地質(zhì)縱斷面圖上已調(diào)整的露天礦底部標高為準，在各地質(zhì)橫斷面圖上繪出露天采場的境界，將各地質(zhì)橫斷面圖上露天礦底平面的兩端邊界投影到該標高的分層平面圖上，連接各點，即可得出底平面的理論周界。為了便于采掘運輸，露天采礦場底平面應盡可能保持平直。因此，對彎曲處應按運輸條件的要求進行修正，使之保持一定的曲率半徑。(3)確定邊坡結(jié)構(gòu)和邊坡角。露天礦場邊坡的穩(wěn)定是保證露天礦生產(chǎn)正常進行的必要條件。邊坡穩(wěn)定性的破壞，必將造成滑坡或巖石塌落嚴重事故。正確選擇露天采場的邊坡角，是保證邊坡穩(wěn)定的首要措施。其數(shù)值大小對安全生產(chǎn)有著重大意義，而且對露天開采境界也有重大影響，故在技術(shù)條件及穩(wěn)定安全條件允許情況下，應取最大的最終邊坡角，其目的是減少剝離工程量。確定露天礦邊坡角時，應全面考慮各種因素對邊幫穩(wěn)定的影響，如巖石物理力學性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、開采年限及氣候條件等。在有條件的地方，可作巖體力學性質(zhì)研究試驗，進行邊坡穩(wěn)定計算。但由于現(xiàn)有計算方法仍不很完善，目前在實踐中，大多數(shù)仍按類似礦山經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取最終邊坡角。(4)繪制終了平面圖。露天礦開采終了平面圖，可以按下述方法進行繪制：1)將確定的露天礦底部周界繪在透明紙上，井將其覆于地形地質(zhì)圖上，然后按照邊坡組成要素，從底部周界內(nèi)開始依次向外繪出各個臺階的坡底線。2)在圖上布置開拓運輸線路;3)對上述初步圈定的露天采場終了平面圖進行檢查和修改。根據(jù)最終修定的露天采場開采終了平面圖，再投影到各橫剖面上，使各橫剖面上的境界也與平面圖上的境界基本一致。邊坡角、底部寬度及深度等因素對露天礦山最終境界的影響交大，我們可以建立動態(tài)評價的指標體系對露天開采進行建模優(yōu)化，也可以運用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，構(gòu)建露天礦山穩(wěn)定邊坡角的預測模型，實現(xiàn)礦山穩(wěn)定最終邊坡角的預測。還可以運用計算機三維仿真模擬技術(shù)，實現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)進度計劃的高效可視化編制。通過計算機仿真方法，我們可以對露天開采的境界進行進一步的優(yōu)化分析。第二章露天礦石開采的全流程一、露天采礦概述露天采礦，即在敞露的采礦場進行的有用礦物的采掘作業(yè)。其中，機械開采是主要手段，特別是在開采堅硬礦巖時，會采用深孔爆破配合機械采掘的方式來獲取礦石。然而，人工開采方式已因安委辦【2010】17號文明令而被禁止。二、封閉圈與礦山分類2.1封閉圈與平臺式礦山封閉圈，又被稱為“圈定線”，是露天采礦場地表上的一條閉合曲線，它標定了礦山的作業(yè)范圍。根據(jù)其形態(tài)特征和功能，露天礦山可以分為不同的類型，如平臺式、凹山式等。這些不同類型的礦山，其封閉圈的形態(tài)和位置也會有所不同，從而影響到礦山的開采效率和安全性。根據(jù)礦床在地形中的埋藏條件，結(jié)合露天開采境界的地表封閉圈，露天礦山可進一步細分為山坡露天礦和凹陷露天礦。山坡露天礦的開采區(qū)域位于地表封閉圈之上，而凹陷露天礦的開采區(qū)域則位于地表封閉圈之下。A區(qū)域展示的是山坡露天礦，其開采工作主要在地表封閉圈標高1之上進行。而B區(qū)域則是凹陷露天礦，其開采范圍位于地表封閉圈標高1之下。通過這張示意圖，我們可以更清晰地理解兩種露天礦的開采特點和地理位置。三、露天礦山的構(gòu)成要素3.1臺階、臺階坡面與平臺在露天礦山中，礦巖被精心劃分為若干一定厚度的水平層次。這些層次在空間上呈現(xiàn)階梯狀，每個階梯都稱為一個臺階，其高度則被稱為臺階高度。臺階、臺階坡面與平臺是露天礦山的三大構(gòu)成要素。臺階坡面是指每個臺階朝向采空區(qū)一側(cè)的傾斜面。該傾斜面與水平面之間的夾角，被稱為臺階坡面角，它對于礦山的安全和效率至關(guān)重要。平臺（平盤）位于臺階的坡底線與坡頂線之間，形成一個水平面的空間。這個空間的寬度被稱為平臺寬度。在露天礦山中，這里通常進行爆破、鏟裝和運輸?shù)汝P(guān)鍵作業(yè)。此外，還有工作平臺和安全（清掃）平臺之分。工作平臺位于爆堆邊沿至坡頂線之間，其高度被稱為工作平臺高度；而安全（清掃）平臺則用于阻截可能滑落的巖石，確保礦山作業(yè)的安全。四、露天礦山的開采流程露天礦山的開采工藝主要包括五個環(huán)節(jié)：穿孔、爆破、采裝運輸以及排巖。這些流程共同構(gòu)成了礦山開采的全過程。4.1穿孔作業(yè)穿孔作業(yè)作為露天礦山開采的起始環(huán)節(jié)，其費用在露天開采總成本中占據(jù)約10%至15%的比重。4.1.1潛孔鉆機潛孔鉆機以其廣泛的鉆孔角度變化范圍和高機械化程度，顯著減少了輔助作業(yè)時間，從而提高了鉆機的作業(yè)效率。其機動靈活性、輕便的設備重量以及低廉的投資費用，特別是其鉆鑿斜孔控制礦石品位的能力，使得潛孔鉆機在國內(nèi)外中小型礦山中得到了廣泛的應用。此外，它還能有效消除根底、減少大塊礦巖，進一步提升爆破質(zhì)量，因此非常適用于中硬礦巖的穿孔作業(yè)。4.1.2牙輪鉆機牙輪鉆機，這一在旋轉(zhuǎn)鉆機基礎(chǔ)上誕生的現(xiàn)代鉆孔利器，以其高效穿孔、低成本作業(yè)以及高度機械化與自動化的特性，廣泛適用于各類硬度的礦巖穿孔工作。如今，它已在全球露天礦場中占據(jù)了不可或缺的地位，成為普遍采用的穿孔設備。4.1.3鑿巖臺車隨著采礦工業(yè)的進步，鑿巖臺車這一新型設備應運而生。它巧妙地將一臺或數(shù)臺鑿巖機與自動推進器相結(jié)合，安置在特制的鉆臂或臺架上，并配備了行走機構(gòu)，從而實現(xiàn)了鑿巖作業(yè)的全面機械化。4.2爆破作業(yè)爆破作業(yè)的核心目標是破碎堅硬的礦巖實體，為后續(xù)的采裝工作提供大小適中的挖掘物料。在露天礦山的整體運營成本中，爆破環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的費用占比約為15%至20%。爆破效果的好壞，不僅會直接關(guān)聯(lián)到采裝、運輸以及粗碎等設備的作業(yè)效率，還會對礦山的整體成本產(chǎn)生深遠的影響。4.2.1淺孔爆破淺孔爆破的特點在于其炮孔直徑較小，通常介于30至75毫米之間，而炮孔深度則通常不超過5米，但借助鑿巖臺車進行鉆孔時，孔深可進一步增加至8米左右。這種爆破技術(shù)適用于多種場景，包括生產(chǎn)規(guī)模不大的露天礦或采石場、硐石和隧道掘鑿、二次爆碎、新建露天礦山包的處理、山坡露天單壁溝運輸通路的形成，以及其他一些需要特殊爆破的場合。4.2.2深孔爆破深孔爆破，即利用鉆孔設備鉆鑿出較深的孔洞，為礦用炸藥提供裝藥空間，進而進行爆破作業(yè)。在露天礦中，這種爆破方法主要用于臺階生產(chǎn)爆破。常用的鉆孔設備包括潛孔鉆和牙輪鉆，它們不僅能鉆垂直深孔，還能鉆傾斜炮孔。傾斜炮孔的裝藥更為均勻，有助于提高礦巖的爆破質(zhì)量。4.2.3硐室爆破硐室爆破，是一種將大量炸藥裝