露天矿帮坡形式与帮坡角.doc

露天矿 帮坡形式与帮坡角在采场的扩延过程中，会形成各式各样的帮坡。本节对帮坡角及 其经济内涵、增加工作帮坡角的途径、各种帮坡角的计算进行较详细 的论述。一 工作帮坡角工作帮：是由工作台阶组成的边帮，并随台阶的推进而向最终边帮（非工作帮）靠近。工作帮坡角：一般定义为最上一个工作台阶的坡顶线与最下一个工作台阶的坡底线联成的假想斜面与水平面的夹角（图15-33）。若工作帮由n个相邻的工作台阶组成，且工作平盘宽度相等， 工作帮坡角（）可由 下式计算：q (15-11)式中，H为台阶高度，W为工作平盘宽度，a为台阶坡面角。实际 生产中各工作平盘的宽度一般不相等。式(15-11)变为：q (15-12)式中，Wi为从最下部工作台阶算起第i个工作平盘的宽度，最上部 工作平盘宽度不参与运算。6HWaWWq非工作帮工作帮图 15-33 工作帮与工作帮坡角设图15-33中三个工作平盘的宽度均为40m，台阶高度为12m，台阶坡 面角为70。，则由式(15-11)求得工作帮坡角为 q 21.14。工作帮坡角对露天矿开采寿命期内的剥岩量变化有很大的影响。 图15-34所示是矿体规整、在上盘矿岩接触带掘沟、向两侧推进时的采 剥关系示意 图。图中将台阶式的工作帮简化为一条直线。可以看出， 当采到第三条带时，要想采出矿量，必须剥离岩石量。在开采过程中，由于矿体规整，每一条带的矿量基本保持不变，但所需的剥岩量先是随着采场的延深而增加，采到第五条带（H1深度）时达到最大值，而后逐年下降。如果采用如图中虚线所示的陡工作帮，则前期的剥岩量大大降低，峰值的到来将大大推迟（推迟到H2深度）。若工作帮坡角等于最终帮坡角，剥岩量将随采场的延深单调增加，剥岩高峰推迟到最后。因此，工作帮越缓，前期剥岩量越大，基建投资越高 ，基建周期越长。由于资金的时间价值，前期剥岩量的增加会降低整 个矿山的经济效益。所以从动态经济观点出发，工作帮坡角应尽量陡一些。32154VH1H2T最终境界陡工作帮缓工作帮图 15-34 剥岩量-工作帮坡角关系示意图增加台阶高度或减小工作平盘宽度可以使工作帮坡角变陡。然而 ，台阶高度受到设备规格和开采选别性的制约，没有多大的变化余地 ；工作平盘的宽度又必须满足采运设备所需的作业空间的要求，并保 持较高的设备作业效率，可减小的幅度也非常有限。（即使采用前面 所述的最小工作平盘宽度，工作帮坡角仍较缓）。采用组合台阶开采 是提高工作帮坡角的有效方法。二 组合台阶组合台阶是将若干个（一般4个左右）台阶组成一组，划归一台采掘设 备开采。这组台阶称为一个组合单元。 图15-35所示是四个台阶 组成的一个单元。在组合单元中，任一时间只有一个台阶处于工作状 态，保持正常的工作平盘宽度，其它台阶处于待采状态，只保持安全 平台的宽度。组合台阶开采只有当采场下降到一定的深度后才能实现。如果采 场空间允许，可以在不同区段布置多台采掘设备同时进行组合台阶开 采，也可视工作帮的高度在同一区段垂直方向上布置多个组合单元。 组合台阶开采常用于分期开采的扩帮工作。（分期开采将在后面介绍 ）。qg4HWsWcWWsWs图 15-35 组合台阶开采中的一个组合单元组合单元内的工作帮坡角一般定义为单元内最上一个台阶的坡顶 线与最下一个台阶的坡底线连成的斜面与水平面之间的夹角，计算公式为：qg (15-13)式中，n为组合单元中台阶的数目；Ws为安全平台的宽度；W为工 作平盘宽度。假设n=4，H=12m，Ws=10m，W=40m，=70。，则求得 qg =31.78。三 各种帮坡形式图15-36所示是在开采过程中形成的由6个台阶组成的一段帮坡， 每一台阶均保持安全平台宽度（Ws）。从最上一个台阶的坡顶线到最 下一个台阶的坡底线的斜面与水平面的夹角（）称为该段边帮的总帮坡角，其计算式与 式（15-11）相同，只需将式中 的W换成Ws即可。 设Ws=10m，H=12m， =70。则得 q = 43.37。 如果图15-36中的剖面通过一宽度为WR的斜坡道，斜坡道位于第三 台阶的中腰，该段边帮变为图15-37。建议读者画出这段边帮的水平投 影草图。图15-37中的q 仍为总帮坡角。道路将整段边帮分为AC和DB两段 ，图中q1 和q2 称为路间帮坡角。若WR=30m，其它数据不变，则 q =34.13 ，q1 =44.14， q2 =42.84。可见，在边帮上加入运输道路 会使总帮坡角变缓许多（本例中变缓了约9。）。若该段帮坡是最终边 帮，帮坡角的变缓意味着多剥离大量的岩石。这一简单的例子说明在 设计最终境界时，最终帮坡角的选取应考虑到运输道路的布置情况 。1a23456A道路WRDC6HBWsWsq1q2qWsWsWs图 15-37 具有道路的一段边帮1a236H456qWsWsWsWsWs图 15-36 一段边帮WsA1a23456工作平盘WcDC6HBWsWsq1q2qWsWs图 15-38 具有一个工作台阶的一段边帮若图15-36所示的边帮上有一个台阶是工作台阶，边帮将变为如图 15-38所示。工作台阶对帮坡角的影响与道路相似。若这6 个台阶是组 合开采中的一个组合单元，那么，该段边帮的总帮坡角（q）即为前面提到的组合单元工作帮坡角(qg）。工作平盘上下两段的帮坡角(q1和q2 ）有时也称为路间帮坡角。若其它的数据不变，工作平盘宽度W=40m ，则q =34.13。，q1 =52.02。，q2 =45.32。更复杂的边帮是既有工作台阶又有道路，如图15-39所示。读者可 利用前面的有关数据计算总帮坡角和路间帮坡角。若将图15-36中的6个台阶沿垂直方向平分为两个组合单元进行组合 台阶开采， 边帮变为图15-40。单个组合单元的工作帮坡角可用式（15-13)计 算。利用前面的数据，计算结果为： q 27.86。，qg 29.70。图15-41是实行三台阶并段的最终边帮。若坡面角70。，台阶高度H = 12m， 安全平台宽度Ws = 17m，则该段边帮的总帮坡角为 q =59。若一露天矿最终境界深为42个台阶高度（即504m），采用这 样的安全平台宽度和并段方式，不考虑运输道路时，最终帮坡角可达51.25。如果不实行并段，每一台阶都留7m宽的安全平台，同一露天矿的最终帮坡角为46.97。1a23456工作平盘道路Wc6HWsWsq1q2q3qWs图 15-39 具有工作台阶和道路的一段边帮WRWsWsa123456工作平盘工作平盘WcWsWsWsqgq图 15-40 组合台阶开采工作帮WsWcWsqg6Ha6HWs图 15-41 实行并段的最终边帮第七节 生产剥采比生产剥采比是露天生产过程中某一时段（或某一开采区域）内的 岩石量与矿石量之比。常用的生产剥采比的单位有m3(岩石)/m3(矿石)、 t(岩石)/t(矿石)、m3(岩石)/t(矿石)。如图15-42所示，生产剥采比一般 是按工作帮坡计算的、采场下降一个台阶采出的岩石量与矿石量之比 ，即VH/TH。为了与下面将要提到的其它生产剥采比相区别，这里将图15-42所示的生产剥采比称 为几何 生产剥采比，记为SRH。从图15-42中可以看出，一般情况下，几何生产剥采比先随采场的 降深而增加，在某一深度达到最大值，然后随深度的增加而减小。在 矿体形态较复杂的矿山，几何生产剥采比随采场深度变化的曲线可能 出现几个峰值。图 15-42 几何生产剥采比HDVHTH最终边帮工作帮累积生产剥采比是指从开采开始到某一深度（或时间）累积采出 的岩石量与矿石量之比，记为SRc。如图15-43所示，采场下降到深度 D时的累积生 产剥采比为 SRc =VD/TD。图 15-43 累积生产剥采比DVDTD最终边帮工作帮在编制采掘计划时，往往需考虑剥采比的逐年变化情况，并采取 措施（如改变台阶的推进方向、调整工作面的布置方式等），尽量避 免剥采比的大幅度波动。因此，年生产剥采比是编制采掘进度计划时 最常用的生产剥采比。顾名思义，年生产剥采比（SRy）是某一年内采出的岩石量(Vy)与矿石量（Ty )之比,即： SRy = Vy / Ty 。从设备管理（包括备品备件）和生产组织的角度，生产剥采比在 生产过程中的波动越小越好。这样可以保持较稳定的设备数量、备品 备件的库存量、机修设施的能力以及设备操作和维护人员队伍。因此 在生产计划中常进行所谓的剥采比均衡，以得到较稳定的生产剥采比 。然而，对于一定的矿体形态、最终境界和开采方式，剥采比均衡的 结果往往是将剥离高峰处的岩石提前剥离。图15-44中曲线A是不进行 剥采比均衡的生产剥采比随时间变化的曲线。在“极限均衡状态”， 即均衡后的生产剥采比是一常数时（图中的直线B），需要将高峰期的剥岩量Vp提前到Vp剥离。由于资金的时间价值，提前剥离量大会降低 总体经济效益。因此，在提前剥离所带来的经济效益损失与剥采比均 衡所能带来的好处之间应进行成本_效益分析，以确定每年最佳的生 产剥采比。这是一个生产剥采比的优化问题，采矿优化界已研究出基 于动态规划的剥采比动态优化算法。应用这些算法可求出在满足每年 矿石目标产量的条件下，使矿山生产的总体经济效益达到最大的最佳 年生产剥采比。优化后的生产剥采比曲线一般位于A与B之间（图15-44中曲线C）。VpVp图 15-44 剥采比均衡示意图时间 t (年)剥采比A - 未均衡剥采比曲线C - 优化剥采比曲线B - 极限均衡剥采比曲线第 八 节 分期开采在前面图15-29所描述的开采过程中，工作帮沿水平方向一直推进 到最终开采境界，这种开采方法称为全境界开采法。由于工作帮坡角一般比最终境界帮坡角缓得多，所以全境界开采的初期生产剥采比高，大型深凹露天矿尤为如此。全境界开采法的缺点是基建时间长、初期投资多，故仅适用于埋藏较浅、初期剥采比低、开采规模较小的矿山。与全境界开采方法相对应的是分期开采，所谓分期开采就是将最终开采境界划分成几个小的中间境界（称为分期境界），台阶在每一分期内只推进到相应的分期境界。当某一分期境界内的矿岩将近采完时，开始下一分期境界上部台阶的采剥，即开始分期扩帮或扩帮过渡，逐步过渡到下一分期境界内的正常开采。如此逐期开采、逐期过渡，直至推进到最后一个分期，即最终开采境界。图15-45是分期开采概念示意图。从图中可以看出，由于第一分期 境界比最终境界小得多，所以初期剥采比大大降低，从而减小了初期投资，提高了开采的整体经济效益。一期开采境界二期开采境界最终开采境界图 15-45 分期开采示意图分期开采的另一个重要优点是可以降低由最终境界的不确定性所带来的投资风险。一个大型露天矿一般具有几十年的开采寿命，在进行可行性研究（或初步设计）时确定的最终境界在几十年以后才能形成。在科学技术飞速发展、经济环境不断变化的今天，几十年后的开采技术（包括设备）和经济环境与开采初期相比将有很大的差别，这意味着在优化开采境界时采用的技术、经济参数在一个时期后将不再适用，最初设计的最终开采境界也不再是最优境界，甚至是一个很糟糕的境界。因此，最终开采境界的设计应当是一个动态的过程，而不应是一成不变的。一开始就将台阶推进到最终境界是高风险的、不明智的。若采用分期开采，最初设计的各分期境界（除第一分期境界之外）都是参考性质的。在一个分期将要开采完毕，向下一分期过渡时，可充分利用在开采过程中已获得的矿床地质资料和当时的技术、经济参数，对矿床未开采部分建立新的矿床模型，对未来的分期境界（尤其是下一分期境界）做更适合当时的技术和经济条件的优化设计。依此类推，直至开采结束。实践证明，许多大型露天矿最终形成的开采境界与可行性研究（或初步设计）阶段设计的境界有较大的差别。采用分期开采，对境界实行动态优化大大降低了最终境界随时间的不确定性可能带来的经济损失。分期开采对生产技术手段和管理水平要求较高，这主要体现在从一个分期向下一个分期的过渡上。分期间的过渡时间尤为重要，若过渡得太早，则会增加前期剥岩量，与分期开采的目的相悖；若过渡得太晚，因下一分期境界上部台阶没有矿石或矿石量很少，而其下部台阶还未被揭露，当前分期的开采却已经结束，从而造成一段时间内减产、甚至是停产剥离的被动局面，这是重大的生产技术事故。所以，在进行采剥计划编制时，必须对各分期间的过渡时间以及过渡期内的生产进行全面、周密的计划，并在实施中实行严格的生产组织管理。分期之间的过渡时间应根据相邻分期境界的大小及形态、矿体的赋存条件与形态、矿石的品位分布、矿山的采剥生产能力、开采强度等因素综合确定。总的原则是既要确保矿山生产的连续性、满足选厂对矿石产量与质量的要求，又要避免无为的提前过渡。这一准则可用图15-46 加以说明。当第一分期工作帮推进到B1C1D1 时，开始在第二分期境界 的上部（A1A2和E1E2）区段进行扩帮过渡。第一分期的正常开采与第二分期的扩帮过渡分别在不同水平独立作业，二者间留有较陡的工作帮。如果过渡开始时间选择得当、过渡时期的生产组织得力，第一期正常开采结束时（即工作帮推进到C2F时），在区段A2A1C2B2和E1E2D2F的扩帮工作也恰好结束，从而顺利地过渡到第二分期。这是最理想的过渡。一期开采境界图 15-46 分期过渡示意图FD2D1C2C1B2B1E2E1A2A1最终开采境界从理论上讲，可以利用最终帮坡角、工作帮坡角、分期境界边帮间的水平距离、开采下降速度、扩帮能力、采选生产能力等参数，通过几何推导得出扩帮开始时间。但由于大部分矿山的矿体赋存条件较为复杂、境界形态不规则等原因，纯几何计算公式的应用价值很小。只有通过建立矿床模型，应用运筹学手段对开采顺序进行全面优化才能真正解决问题。分期过渡中的扩帮通常采用组合台阶开采。在不同的扩帮区段，可以根据扩帮强度、分期境界边帮间的水平距离和采场形态，灵活安排扩帮工作面，并保持较陡的工作帮坡角。图15-47 是在扩帮区段分两个组 合单元、以组合台阶形式进行扩帮的示意图。一期境界组合台阶扩帮工作面二期境界图 15-47 分期开采组合台阶扩帮示意图在某些矿山，相邻两个分期境界边帮间的水平距离小，不能象图15-47所示的那样在垂直方向上划分多个组合单元，在一个扩帮区段只能 安排一个工作面自上而下进行扩帮。如果扩帮强度不够，可以在一个扩帮区段采用“尾追式”布置两个工作面（图15-48）。这种在一个扩帮 区段不分组（也可以看作只分一组）的扩帮方式有时称为自上而下扩帮法。当然，若对扩帮强度要求低，即使可以在两分期境界边帮之间布置一个以上的组合单元，也可只用一台电铲在一个扩帮区段实施自上而下扩帮。这时，若在两个分期境界的边帮之间实行一次推进的工作面太宽，或一次推进下降的速度太慢，可以沿境界边帮纵向分条带进行。例如，在图15-47所示的情况下实行自上而下扩帮时，可分两个条带进行， 即图中点划线左右侧各为一个条带。在另外一些矿山，由于矿体赋存条件和地形等因素，设计的分期数目多，每一分期开采时间短，扩帮是连续进行的，即在当前分期正常开采的一开始，向下一分期的扩帮工作就已经开始。这样，正常开采与扩图 15-48 尾随工作面至上而下扩帮示意图帮始终同时进行。如图15-49所示，正常开采I的同时在1处扩帮；正常 开采II 时，在2处扩帮，依此类推。这种开采方式称为扩帮开采。11I22II3344IIIIVV图 15-49 扩帮开采示意图分期开采较全境界开采更符合露天矿建设与生产发展规律，在国外得到十分广泛的应用。我国一些露天矿也采用了分期开采。对分期开采的整体经济效益影响最大的四个参数是：(1)最佳分期数；(2)各分期境界的最佳位置、大小和形状；(3)相邻分期间的最佳过渡时间；(4)分期