露天开采第三章-开采程序PPT课件

太原理工大学矿业工程学院,露天开采,第三章露天开采程序,概述台阶几何要素掘沟台阶的推进方式采场扩延过程与布线方式帮坡形式与帮坡角分期开采,一、概述,开采程序：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。包括内容：台阶划分、掘沟、采剥初始位置确定、水平推进、垂直延伸方式、工作帮构成等。,露天采场平面投影与剖面示意图,-12m,0m,12m,24m,36m,48m,48m,-12m,0m,12m,24m,36m,封闭圈,48m,36m,24m,0m,12m,二、台阶几何要素,台阶由坡顶面、坡底面和台阶坡面组成。台阶几何要素：台阶坡面角，是岩体稳定性的函数；台阶高度，受生产规模、采装设备、开采的选别性影响；台阶宽度，W=Wc(爆破带宽度)+Ws(安全平台宽度)。,台阶几何要素,台阶三要素：W台阶宽度H台阶高度台阶坡面角,台阶高度：不小于挖掘机推压轴高度的2/3（以便满斗）。台阶高度应小于挖掘机最大挖掘高度（为了挖掘机的安全）。台阶坡面角与矿岩稳定性有关。岩石普氏系数f台阶坡面角（度）8-1470-753-860-701-350-60工作台阶：正在被开采的台阶。爆破带：工作台阶上正在被爆破、采掘的部分。其宽度为爆破带宽度（或采区宽度）。,台阶的采掘方向：挖掘机沿采掘带前进的方向。台阶的推进方向：台阶向外扩展的方向。安全平台：在开采过程中，工作平台不能一直推进到上各台阶的坡底线位置，而是应留下一顶宽度。留下的这部分叫安全平台。安全平台宽度一般为2/3-1个台阶高度。最小工作平盘宽度：刚刚满足采运作业需要的空间的宽度。安全挡墙：在工作平盘的外沿用碎石堆筑的一道安全挡墙。,台阶立体图,台阶划分：水平划分、倾斜划分划分原则：有利于发挥设备效率，作业安全和提高煤质。单台阶开采程序:开采倾斜的出入沟、开掘开段沟、进行扩帮。,三、掘沟,掘沟是新台阶开采的开始，一般分为两阶段进行：首先挖掘出入沟，以建立起上下两个台阶水平的运输联系；然后开掘段沟，为新台阶的开采推进提供初始作业空间。出入沟参数：出入沟的坡度，取决于汽车的爬坡能力和运输安全要求；出入沟的坡度：100t以上的大型汽车的出入沟坡度为8-10%，台阶高度为12米，坡度为8%时的出入沟坡长为150米左右。,出入沟与段沟示意图,开段沟初始位置选定：露头处，可设在顶板或底板。,1山坡露天矿掘沟,在许多矿山，最终开采境界范围内的地表是山坡或山包，随着开采的进行，矿山由上部的山坡露天矿逐步转为深凹露天矿。采场由山坡转为深凹的水平成为封闭水平，即在该水平上采场形成封闭圈。在山坡地带的开采也是分台阶逐层向下进行的。与深凹露天矿开采不同的是不需要在平地向下掘沟以达到下一水平，只需在山坡适当位置拉开初始工作面就可以进行新的台阶的推进。习惯上将“初始工作面的拉开”也称之为掘沟。山坡上掘出的“沟”是仅在指向山坡的一面有沟壁的单壁沟。,封闭圈,单壁沟,推土机开掘单壁沟,电铲开掘单壁沟WD=G+T+eG为电铲站立水平挖掘半径；T为电铲回转中心到履带外缘距离；e为电铲履带外缘到单壁沟外缘的安全距离。,2深凹露天矿掘沟,最小沟底宽度WDmin，是满足采运设备基本作业空间要求的沟底宽度，其值取决于电铲的作业技术规格、采装方式与汽车的调车方式。不同的掘沟方式下，所需要的WDmin：1）沟外调头中线采装，WDmin2G2）沟外调头双侧交替采装，WDminGK3）沟内折返调车，WDminRLd/22e4）沟内环行调车，WDmin2Rd2e,沟外调头中线采装,WDmin2G,沟外调头中线采装平面图,WDmin=2GG电铲站立水平挖掘半径；B电铲最大卸载高度处的卸载半径。,沟外调头双侧交替采装,WDminGK,沟外调头双侧交替采装平面图,WDmin=G+KG电铲站立水平挖掘半径；K电铲尾部回转半径；B电铲最大卸载高度处的卸载半径。,沟内折返调车,WDminRLd/22e,沟内折返调车平面图,WDmin=RLd/22eR汽车最小转弯半径；L汽车车身长度；d汽车车身宽度；e汽车距沟壁的安全距离。,沟内环形调车,WDmin2Rd2e,沟内环形调车平面图,WDmin=2Rd2eR汽车最小转弯半径；d汽车车身宽度；e汽车距沟壁的安全距离。,不同掘沟方式的WDmin比较,采用Weboo-120c(109t)汽车，R=12.4m，L=11.73m，d=6.179m，e=1.5m；6.88m3电铲，站立水平最大挖掘半径G=10.75m，尾部回转半径K=6.02m，最大卸载高度处的卸载半径B=13.87m。计算得：沟外调头中线采装：WDmin2G=21.5m；沟外调头双侧交替采装:WDminGK=16.77m；沟内折返调车:WDminRLd/22e=30m；沟内环行调车:WDmin2Rd2e=34m（最大）,四、台阶推进方式,一）采掘方式及工作平盘参数1）垂直采掘2）平行采掘3）采区宽度与采掘带宽度4）最小工作平盘宽度二）工作线布置方式1）纵向布置2）横向布置3）扇形布置,1采掘方式垂直采掘,垂直采掘时电铲的采掘方向垂直于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶推进方向相平行。垂直采掘时，若采用双点装车，电铲的装载回转角度小(10-110之间，平均为60左右)，装载效率高；缺点是汽车在电铲周围调车对位需要较大的空间，要求较宽的工作平盘。当采掘到电铲回转中心位于采掘前的台阶坡底线时，电铲沿工作线移动到下一个位置，开始下一轮采掘。,一）采掘方式及工作平盘参数,垂直采掘平面图,一次采掘深度（即采掘带宽度A）为电铲站立水平挖掘半径（G），沿工作线一次采掘长度为2G。,2采掘方式平行采掘,平行采掘时电铲的采掘方向平行于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶推进方向相垂直。根据汽车的调头与行驶方式（统称为供车方式），平行采掘可进一步细分为许多不同的类型。单向行车不调头和双向行车折返调车是两种有代表性的供车方式。,a单向行车不调头,a单向行车不调头,优点：调车简单，工作平盘只需设单车道。缺点：电铲回转角度大，需双出入沟，增加了掘沟工作量。,b双向行车折返调车（单点装车）,优点：需要一个出入沟。缺点：需要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一辆车处于等待状态。,c双向行车折返调车（双点装车）,优点：减少了等等时间，车和铲的作业率得到提高。缺点：工作平盘宽度增加。,d单向行车折返调车(双点装车),优点：工作平盘只需设单车道。缺点：需双出入沟，增加了掘沟工作量。,e双向行车迂回调车(单点装车),优点：单出入沟。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。,3采区宽度与采掘带宽度,采区宽度是爆破带的实体宽度，采掘带宽度是挖掘机一次采掘的宽度。当矿岩松软无需爆破时，采区宽度等于采掘带宽度。绝大多数矿山都需要爆破，故采掘带宽度一般指一次采掘的爆堆宽度。二者关系见上图。图中，(a)为一次穿爆两次采掘，(b)为一次穿爆一次采掘。可用Ac=1.5G取值，国内矿山一般为11.5G，国外矿山可达1.8G。,采区宽度与爆堆宽度的关系,b=2ksWcH/Hb-Wc式中，b爆堆宽度；ks为矿岩爆破后的松散系数；Wc为采区宽度；H为台阶高度；Hb为爆堆高度；为爆堆形态系数。坚硬岩石爆堆横断面近似三角形，0；不坚硬岩石爆堆横断面近似梯形，1；中等坚硬岩石，01。采用一爆一采时，爆堆宽度即为采掘带宽度（即bAc），可根据上式反算出采区宽度。,4最小工作平盘宽度,最小工作平盘宽度（Wmin）是刚好满足采运设备正常作业要求的工作平盘宽度，其取值需依据采运设备的作业技术规格、采掘方式和供车方式确定。采用单向行车、不调头供车的平行采掘方式时，最小工作平盘宽度可根据装车条件计算。,单向行车不调头平行采掘,Wmin=G+B+d/2+e+s33mG为挖掘机站立水平挖掘半径10.75m；B为最大卸载高度时的卸载半径13.87m；采用Webco-120c汽车，d为汽车车体宽度6.2m；e为汽车到安全挡墙距离,取1.5m；s为安全挡墙宽度3.5m。,折返调车单点装车Wmin,Wmin=R+d/2+L+2e+s=33.4mWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,L=11.38m,设e=1.5m,s=3.5m,折返调车双点装车Wmin,Wmin=2R+d+2e+s=37.5mWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,设e=1.5m,s=3.5m,小结,实际上，由于汽车的灵活性，即使最小工作平盘宽度比用公式计算结果小一些，也可实现调车。但调车的时间会增长，影响作业效率。其它供车方式下的最小工作平盘宽度可以仿照上述做法，通过简单的几何分析计算求得。实际生产中的工作平盘宽度一般应大于理论计算值。当采用一次穿爆两次采掘（或如图所示的横向采掘）时，由于采区宽度(Wc)大大增加，工作平盘宽度也将大大增加。,二）工作线布置,依据工作线的方向与矿体走向的关系，工作线的布置方式可分为：纵向横向扇形,1工作线布置横向,横向布置时工作线与矿体走向垂直。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟，垂直于矿体掘短段沟形成初始工作面，或不掘段沟直接在出入沟底端向四周扩展，逐步扩成垂直矿体的工作面，沿矿体走向向一端或两端推进。由于横向布置时，爆破方向与矿体的走向平行，故对于顺矿层节理和层理较发育的岩体，会显著降低大块与根底，提高爆破质量。由于汽车运输的灵活性，工作线也可视具体条件与矿体斜交布置。,1工作线布置横向,2工作线布置纵向,2工作线布置纵向,纵向布置时，工作线的方向与矿体走向平行。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟、并按采场全长开段沟形成初始工作面，之后依据沟的位置(上盘最终边帮、下盘最终边帮或中间开沟），自上盘向下盘、自下盘向上盘或从中间向上、下盘推进。,3工作线布置扇形,3工作线布置扇形,扇形布置时工作线与矿体走向不存在固定的相交关系，而是呈扇形向四周推进。这种布置方式灵活机动、充分利用了汽车运输的灵活性，可使开采工作面尽快到达矿体。,一个台阶的水平推进，使其所在水平的采场不断扩大，并为其下一个台阶的开采创造条件，新台阶工作面的拉开，使采场得以延深。台阶的水平推进和新水平的拉开，构成了露天采场的扩展与延深。,五、采场扩延过程与布线方式,1采场扩延示意图,假设一露天矿最终境界内的地表地形较为平坦，地表标高为200m，台阶高度为12m。首选在地表境界线的一端沿矿体走向掘沟到188m水平（图a）。出入沟掘完后在沟底以扇形工作面推进（图b）。,当188m水平被揭露出足够面积时，向176m水平掘沟，掘沟位置仍在左侧最终边帮(图c)。之后，形成了188-200米台阶和176-188米台阶同时推进的局面（图d）。,随着开采的进行，新的工作台阶不断投入生产，上部一些台阶推进到最终边帮（即已靠帮）。若干年后，采场现状变为如图e所示。当整个矿山开采完毕时便形成了如图f所示的最终境界。,2布线方式,1）螺旋布线2）迂回布线3）固定式布线4）移动式布线,1）螺旋布线,台阶的出入沟沿最终边帮成螺旋状布置，故称为螺旋布线。,螺旋布线的特点,螺旋线弯道半径大，线路通视条件好,汽车直进行驶，不需经常改变运行速度，道路通过能力强；工作线的长度和推进方向会因采场条件的变化而发生变化，生产组织较为复杂；各开采水平之间有一定的影响，新水平准备和采剥作业程序较为复杂；要求采场四周边帮的岩体均较为稳固。,出入沟以迂回形式布置在采场一侧的非工作帮上，称为迂回布线（回返布线）。,2）迂回布线,迂回布线的特点,迂回布线要求布线边帮的岩石较为稳固，地质条件允许时，一般将迂回线路布置在矿体下盘的非工作帮上，这样可以使工作线较快接近矿体，减少初期剥岩量。可同时布置两套或更多迂回线路，增加出入沟数目。开采工作线长度和方向较为固定，各开采水平间相互影响小，故生产组织管理简单。行车条件不如螺旋布线。,3）固定式布线,每一新水平的掘沟位置选在最终边帮上，出入沟固定在最终边帮上不再改变位置。这种布线方式称为固定式布线。,固定式布线的特点,由于矿体一般位于采场中部（缓倾斜矿体除外），固定布线时的掘沟位置离矿体远，开采工作线需较长时间才能到达矿体；道路条件好。,4）移动式布线,为尽快采出矿石，可将掘沟位置选在采场中间（一般为上盘或下盘矿岩接触带），在台阶推进过程中，出入沟始终保留在工作帮上，随工作帮的推进而移动，直至到达最终边帮位置才固定下来。这种方式称为移动式布线。,临时出入沟形成过程,无论固定式还是移动时布线，新水平的掘沟位置都受到一定的限制，这在螺旋式布线时尤为明显。实践中，可以充分利用汽车运输机动灵活的特点，以掘进临时沟的方式，尽早进行新水平的准备。,临时出入沟采场扩延,临时出入沟一般布置在既有足够空间又急需开采的区段。临时出入沟到达新水平标高后，以短段沟或无段沟扇形展开。临时出入沟一般不随工作线的推进而移动。,临时出入沟的消失,当固定出入沟掘到新水平并与工作面贯通后，汽车改用固定出入沟，临时出入沟随工作线的推进而被采掉。,六、帮坡形式与帮坡角,1工作帮坡角2组合台阶3各种帮坡形式,1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。,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：式中，H为台阶高度，W为工作平盘宽度，为台阶坡面角。实际生产中各工作平盘的宽度一般不相等。上式变为：,工作帮坡角的计算,假设n=4，H=12m，W=40m，=70。，则求得=18.94。,工作帮坡角与剥岩量关系,如采用缓工作帮，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）。资金时间价值显示出陡工作帮开采的优越性。,增加工作帮坡角的方式,增加台阶高度（受到设备与开采选别性的限制）减小工作平盘宽度（受到最小工作平盘宽度的限制）采用组合台阶开采,2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。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。,组合台阶的工作帮坡角,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：g,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g=31.78。,3a各种帮坡（一段边帮）,右图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，其计算式与计算帮坡角相同，只需将式中的W换成Ws即可。设Ws=10m，H=12m，=70。则得=43.37。,3b各种帮坡（具有道路）,如果上图中的第三台阶的中腰通过一宽度为WR的斜坡道，该段边帮变为左图。左图的仍为总帮坡角。道路将整段边帮分为AC和DB两段，图中1和2称为路间帮坡角。若WR=30m，其它数据不变，则=34.13。，1=44.14。，2=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。,3c各种帮坡（具有工作台阶）,若图a所示的边帮上有一个台阶是工作台阶，边帮将变为左图所示。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（）即为前面提到的组合单元工作帮坡角(g）。工作平盘上下两段的帮坡角(1和2）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=34.13。，1=52.02。，2=45.32。,3d各种帮坡（具有道路和工作台阶）,更复杂的边帮是既有工作台阶又有道路，27.86。,3e各种帮坡（组合台阶开采工作帮）,若将图a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e。单个组合单元的工作帮坡角可用式（15-15)计算。利用前面的数据，计算结果为：27.86。，g29.70。,3f各种帮坡（组合台阶开采工作帮）,右图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=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。,七、分期开采,在前面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方法。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，基建时间长，初期投资多，故仅适用于煤藏较浅，初期剥采比第，开采规模较小的矿山。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