露天采矿概论

第五章露天开采规模及矿石质量,第一节露天开采境界一、概述一个矿床，在探明其赋存条件、矿石数量和质量等情况后，首先遇到的问题是采用露天还是地下方法开采。一般说来，影响开采方法选择的主要因素是矿床的赋存条件。对露天开采有利的矿床赋存条件是覆盖层薄、矿层倾角小和厚度大；其他如矿层赋存不稳定、矿石易自燃、历史上已被地下方法开采过的矿床等均不利于采用地下开采法。反之，矿床位于高产农业区和其上有河流及重要设施时，则可能限制了采用露天开采法。总之，应进行分析、比较，以取得矿床开采最好的经济效果。,对采用露天开采的矿床，还要确定其开采的合理范围。如图，假定煤层厚度不变则在一定台阶高度h下，每一水平的采出煤量为Pi，采出P1所需的剥离量为V1，采出P2所需的剥离量为V2，直至第i水平为Pi与Vi。从直观即可看出，在m、h不变时，各水平采煤量Pi值变化不大，Vi值则随着深度H的增加和边帮角的减小而增加。,从经济上分析，露天开采的范围(深度)必然有一经济上的限度，即：CoPiaPi+bVi,或,一个采完的露天矿场呈一个大凹坑。露天开采的境界或范围是由深度、底的周界(长度l和宽度b)、最终边帮角(底帮、顶帮、端帮)三个要素组成。,二、露天开采合理深度确定的原则1、剥采比,露天开采与地下开采的重要区别，就是除了采出矿石外，还要剥离大量的岩石，且剥离量往往多于矿石量。我们把这两者的比值，称作剥采比(n)，其单位可为m3/m3、m3/t或t/t。在露天矿的生产及设计中，从不同的角度反映剥采之间的数量关系，有不同的剥采比。,（1）生产剥采比ns它是相邻台阶在开拓准备过程中，一个延深周期内各个台阶向外推帮采出的矿、岩量的比值。（2）平均剥采比np在露天开采境界范围内矿、岩总量的比值。（3）境界剥采比nK它是露天开采深度增加h和和后所引起的剥离量增加值与矿石量增加值之比。,2、经济合理剥采比nj是指在现有的开采技术和费用指标条件下，经济上有利的剥离量与采出矿量的允许最大比值。,元/m3（元/t）,m3/m3（m3/t）,确定露天开采深度，实质上就是对剥采比的大小加以控制，使其不超过经济合理界限nj值。nsnj；npnj；nknj。目前广泛应用的是nknj的原则,三、确定露天开采境界的方法步骤按照境界剥采比不超过经济合理剥采比的原则圈定露天开采合理深度的方法步骤如下：1、确定经济合理剥采比的有关费用参数：(1)确定Co值要用地下开采成本或售价。(2)a、b值与工艺方式、开采程序及开拓运输系统等有密切关系。实际上，a、b值还与开采深度有关。若剥离物内有顺便采出的有益矿物，还要考虑它的价值可以抵消一部分剥离费用而将nj公式表现形式加以改变。a、b值还应考虑技术进步与设备更新的因素。(3)确定：,2、在断面图上确定Vi及Pi值。为此必须确定以下参数：(1)选取露天矿底宽一般它与所采用的工艺方式有关，其最小值等于开段沟宽度；(2)选取露天矿最终边坡角；(3)根据露天矿底宽、最终边坡角及台阶高度确定断面上的Vi值，Pi值与矿体厚度及台阶高度有关。Pi值还应考虑露天开采的原矿采出率；(4)在断面图上计算出不同深度的nKi=Vi/Pi值。,3、确定断面图上nKi=nj的合理开采深度；4、确定露天矿各个地质断面图上的合理开采深度；5、将各断面图上的合理开采深度的标高加以调整，并使露天矿的底平面长度及宽度能满足开拓坑线布置的要求(这与拟定采用的运输方式有关)。至此，可得到初定开采境界；6、在露天矿初定境界的边帮上设置选定的开拓坑线(这往往使倾斜、急倾斜或近水平矿层的最终边帮角减缓，引起补充扩帮量)，所形成的露天矿最终开采空间范围，称为最终开采境界。,四、露天矿分区开采与分期开采当圈定的露天开采范围很大时，为了减少初期投资和降低初期开采的矿石成本，可以在最终境界范围内再择优划出近期开采的较小范围(或称小境界)，供先期建设与开采，然后再扩采剩下的部分，这种措施称为分区或分期开采。面积大的近水平或缓倾斜矿床，一般要进行分区开采，首采区的范围应该考虑能满足国家对矿石产量与质量的要求；有一定的服务年限；有利于采用合理的工艺方式、开采程序及相应的开拓运输系统；减少外部排土量并利于向续采区段过渡。对于允许开采深度大的倾斜与急倾斜矿床，为使初期投资小及开采成本低，一般采用沿深度分期开采,第二节生产能力,露天矿采出一定数量矿石的同时要求剥离相应数量的岩石。露天矿的生产能力一般系指单位时间(如年、月、日、班)内采出的矿石(煤)量，一般均按年产量Ap(吨/年或m3/年)计算。相应的年剥离量AB(吨/年或m3/年)决定于生产剥采比值。因此，露天矿的开采规模（矿岩生产能力或称年采剥总量）为：A=AP+AB=(1+ns)AP，t/a或m3/a这项指标，对露天矿所需设备、人员、投资影响巨大，也决定着矿石(煤)的开采成本及工效。,一、剥采比的变化及生产剥采比的均衡,1、剥采比的变化规律一个露天矿从开始建矿到开采终了要经历几个阶段，当工作帮坡角不变时，由始至终台阶数目的变化规律是：由少变多，再减少，如果煤层厚度不变，则剥采比变化的规律也是：由小变大，再变小。这个规律是一般倾斜矿床共有的，对于水平矿床，若矿层厚度和地形变化不大时，剥采比的变化幅度则很小。,2、剥采比变化产生的影响年剥离量AB及年采剥总量A大幅度变化；设备数量和职工人数也要变化；露天矿的组织管理复杂；设备、资金和劳动力也得不到合理利用；甚至造成企业亏损。3、均衡生产剥采比及目的在确定开采境界以后，就要在露天矿开采范围内划分为数个生产发展阶段(例如若干个台阶为一个阶段)，按照各阶段的平均生产剥采比进行生产。分阶段确定的平均生产剥采比称为均衡生产剥采比。生产剥采比均衡的目的是使露天矿在一定生产时期内的设备、人员保持相对稳定。,4、均衡生产剥采比的措施改变台阶工作平盘宽度；改变开段沟的位置及其长度；改变工作帮的结构及推进方式；调整新水平延深方向及程序。,二、露天矿生产能力露天矿矿石(煤)的生产能力(或称产量)主要是根据国家需要、开采技术条件和经济合理性等因来综合确定。1.按开采技术条件确定露天矿生产能力在一定的矿床埋藏条件下，从技术上确定生产能力主要是受新水平延深速度(即开段沟的下降速度)、工作帮推进速度(即台阶工作线扩帮速度)和运输系统的能力的限制。,（1）对于倾斜和急倾斜矿体，必须不断地进行新水平延深工作。,从上个开段沟掘完到本水平开段沟掘完，所花费的时间T(年)，称为延深一个台阶(水平)的时间（新水平准备时间）。按延深速度确定可能有的生产能力为：,新水平延深速度主要与选用的采、运设备类型和对新水平延深程序在时间与空间上紧密配合的合理安排有关。新水平延深速度可以按每年下降深度计算，即：,t/a,m/a,（2）对于近水平或缓倾斜矿床，露天矿正常生产后基本上不存在向下延深的问题，而要求在台阶上不断地扩帮推进。,其推进速度以V推表示(m/a)，采矿台阶走向长度为L(m)，采矿台阶高度即为矿层厚度m(m)，矿石容重为(kN/m3)，原矿采出率为K()，则可能达到的矿石生产能力为：,t/a,工作线推进速度决定于在每个剥离与采矿台阶上所设置的采掘设备的数量。,2经济因素对确定生产能力的影响当露天开采境界圈定后，可供开采的矿石储量是一定的，如果生产能力确定得大，则矿山寿命短，否则就长。,服务年限固定建筑物与结构物的投资、矿石用户(加工、冶炼、发电厂等)存在年限、单位生产能力(年产每吨矿或每吨矿岩)的投资、生产成本和劳动生产率。,露天煤矿设计服务年限,影响确定生产能力的因素较多，对于新设计露天矿，应首先考虑满足国家需要和经济合理的要求，再从技术条件加以验算，采取相应措施，使之达到需要的生产能力。若所采取的措施其代价巨大，则应将要求的产量降低，达到技术上可能和经济上合理。对于生产露天矿，一般产量已定，只是在剥采比增加较多，设备不足或国家要求产量增加的情况下，才从技术条件的各个方面加以验算，采取有效措施，达到预定要求的生产能力。,第三节矿石的损失与贫化一、损失与贫化的计算（1）矿石的损失矿石的损失，是指残留于采场内未被采出的矿石(煤)，以及采出后在采、运、排等过程中矿石(煤)的损失。在开采过程中矿石(煤)的采出数量及损失数量相对于矿田开采范围内的工业可采储量的百分数表示，称为采出率(回采率)K和损失率。,（2）矿石的贫化矿石的贫化是指矿石与岩石(或富矿与贫矿)在开采过程中相混杂后而引起的质量下降。贫化是属于质量上受到损失。质量降低的程度可用贫化率表示。,对于煤炭，贫化率称为含矸率,（3）影响矿石损失与贫化的主要因素：自然条件矿体埋藏条件是首要因素。设计中的主要技术决定。生产工艺及组织管理。,二、减少矿石损失与贫化的措施1、近水平矿层可以按照矿、岩分界面划分台阶，或在台阶上的采掘带中按层分爆分采；急倾斜矿层采用从顶板向底板推进，在台阶上对较厚的矿、岩实行分爆分采，效果很好。,2、倾斜矿层分采措施较为复杂。首先要选择工作线的推进方向；适当降低台阶高度和采掘带宽度；适当的选择采掘带的位置矿岩分采。,3、其他措施挖掘机：液压铲、小斗容爆破：微差、逐孔加强日常生产技术与组织管理工作。,三、矿石质量中和(均衡)露天矿内矿石品级一般都不一致，而用户又有严格要求时，则需进行质量中和，使能均质供矿，目的是使质量指标达到一定标准，有害成分控制在允许范围内。其实质是使高品级矿石混入低品级矿石之中，从而减少损失。搭配的方法一般在采场内要对不同品级矿石(煤)的工作面，定期安排采掘计划(控制数量及质量)，使供给选矿(煤)厂或其他用户矿石质量是均衡的。从采场运出的矿石，通过卸载(转载)、筛分(破碎)、选矿、储堆(落地堆放暂存)及装车外运等过程进一步中和(混合均匀)。,第六章露天开采设计和经济评价,第一节露天矿设计的特点、内容和要求,露天矿的设计是综合性的设计，包括采矿、选矿、机修、供电、疏干排水、通讯、土建等部分，其中以采矿为中心。对于采矿专业来说，露天开采设计的主要任务是根据地质、地形、气候等条件及国家对矿石产量、质量的要求，以及可能提供的资金及设备，解决生产工艺系统及设备类型的选择，确定开采境界及开采程序，对矿石生产能力的验算及生产剥采比的安排，总平面布置及确定开拓运输系统等主要问题。一个好的设计应该在技术上是优越的和经济上是合理的。,第二节设计阶段的划分和设计方法,经过普查、详查、精查等不同的地质勘探阶段，探明了矿床在地下的产状、构造、储量等情况。在此基础上进行：可行性研究；矿区总体设计；初步设计；技术设计和施工图设计。,总体设计要确定的主要问题是：(1)矿区开发总体布局，开发顺序及建设总规模；(2)矿区内矿田划分，矿田规模，开采工艺及程序选择；(3)矿区交通、供电、供水、通讯、机修、选矿规划；(4)矿区职工总数及居民人数，居民区位置及总平面布置原则；(5)基建投资总额及其他技术经济指标；(6)矿区开发的合理评价。矿区总体设计经领导部门批准后，按照开发顺序分矿田进行精查勘探。在得到矿田精查地质报告及露天矿设计任务书后，即可进行露天矿设计。,设计任务书一般包括以下内容：(1)建设该项目在国民经济中的作用；(2)产量规模及产品质量要求；(3)建设依据自然地质条件，原材料、设备、燃料及动力供应条件，技术人员和劳动力来源，生活资料供应条件，主要用户；(4)生产工艺类型；(5)建设地点和占地面积；(6)建设进度和投资额估算等。,露天矿设计一般分为扩大初步设计及施工图两个阶段进行，对于特别复杂的工程或准备采用新技术、新设备的工程，可按初步设计，技术设计和施工图三个阶段进行。各阶段设计内容基本相同，但深度有差别。初步设计阶段，应提出主要设备清单和主要材料需要量；扩大初步设计或技术设计阶段应提出详细的设备清单和主要材料清单。对于投资额，扩大初步设计(或初步设计)阶段，应编制总概算；技术设计阶段，应编制修正总概算；施工图阶段应编制总预算。,设计时常用的方法有：（1）标准定额法；（2）统计分析法；（3）方案比较法；（4）数学分析法；,第三节设计方案的评价和最优方案的选择一、评价的原则与方法,人类社会的各种生产活动，总是力求以较少的劳动消耗(人力、财力、物力支出)，生产出较多的产品，取得最好的经济效果。露天矿的生产活动，应该服从于这个总原则。在我国首先要看该露天矿为社会创造了多少使用价值，满足社会上经济、政治与国防等方面需要的程度如何。同时，也要以最少的劳动(包括活劳动与物化劳动)消耗创造最多的使用价值。社会主义生产资料公有制，决定了有可能在整个社会范围内进行经济效果的比较。,评价的一般指标：(1)露天矿矿石生产能力及年采剥总量；(2)生产矿石的质量与价值；(3)移交生产(投产)及达到设计产量时的投资和单位投资，矿区总投资；(4)移交生产及达到设计产量的时间；(5)矿石开采成本及单位矿岩开采费用；(6)职工劳动生产效率；(7)资源利用程度；(8)主要材料及国民经济中短缺材料、能源的需要量；(9)占用耕地面积；(10)投资回收期及投资效果系数。还有生产安全与劳动条件；生态平衡与环境保护；对外贸易和国防的需要等。,二、方案比较法在设计中的应用方案比较法较适合于露天矿设计的特点，目前国内外在露天设计中广为应用。由于露天开采的影响因素众多，设计中要解决的问题不同，因此，设计中需做各种不同的方案进行比较。为了使各方案的结果有利于决策，一般在方案比较时应注意：要深入细致地对提出的方案进行研究，并使其完善；各方案比较的基础要一致，要正确选用各项技术经济资料的原始数据；要突出比较重点的项目，费用相同或差别不大的项目可不进行比较，还要考虑费用支付的时间及其组成结构，要对比建设年限；除价值指标外，还要对比某些实物指标(如：木材、钢材、水泥消耗量，耕地占用数，主要设备需用数等)。上述各种指标在各方案相互比较的基础上还应与同类生产及设计矿山的指标进行对比，并提出分析意见(包括改善的途经)，才有利于对方案进行综合评价。,三、投资及经营费用的确定1投资投资划分为矿区开发(如专用线、供电及供水工程等共用设施部分)及露天矿建设两个部分。露天矿建设投资费用一般包括：(1)矿建工程基建剥离及顺便采出矿物；(2)土建工程各种工业及民用建筑；(3)设备购置主要及辅助生产工艺设备；(4)安装工程各种设备的安装；(5)其他工程输变电、防排水、供水、供热、通讯；地面公路、安全卫生设施等。露天矿投资中一般是设备购置及矿建两项占的比例很大。矿建工程量主要与开段沟的平面位置及其延深方向有关。设备购置决定于设备的类型及数量，数量又与年度剥离总量有关，并与开采程序的关系密切。,2生产经营费用生产经营费用一般按年计算，主要包括直接生产费用和其他费用两项。直接费用中包括穿爆、采掘、运输、排土、地面生产系统等生产环节的费用。其他费用包括辅助车间费用、管理费用、流动资金、利息及税金等。若按选矿(煤)后的产品计算产量，还应加上选矿(煤)加工费用。直接费用若按费用的性质划分，其组成包括固定资产折旧、设备维修及大修理、原料及材料消耗、动力、工资及附加工资等。年生产费用分摊到年产每吨矿石(煤)量上即为采矿(煤)成本。分摊到年采剥总量上即为单位采剥量的成本。基建期间由于生产系统不完善、设备作业条件差、操作技术不熟练等原因，单位采剥量的成本较正常生产期间为高。,影响露天矿生产成本的因素很多，主要有：(1)地形、地质、岩性、水文地质及气候等条件；(2)工艺设备类型的选择；(3)对矿石质量的要求及减少损失贫化的措施；(4)工艺设备利用率，与技术管理水平和维修体制有关；(5)生产作业条件随采场在平面和高程上的位置变化，成本也是变化的；(6)成本还与时间因素有关。,四、最优开采方案的选择1原则选择最优开