露天矿高台阶爆破陡帮开采工艺系统方案研究-研究报告

摘要长期以来，我国露天矿设计、生产通常采用缓帮开采。露天矿初期生产剥采比高、后期生产剥采比低，影响了矿山即时经济效益和总体经济效益。尽管在编制采剥进度计划时进行一些调整和均衡，但由于工艺特点所决定，仍然出现较高的剥离高峰值。这就出现了矿山开采初期采剥总量大、设备和人员增多、基建投资大、生产成本高的局面。这种以缓帮工作帮坡角为特征的缓帮开采工艺基建工程量大、投资多、投产和达产年限长、最终边坡暴露过早、初期生产剥采比大、技术指标差，不利于露天开采技术的发展和矿山综合经济效益的发展【1】。本课题正是致力于此举措制定的陡帮开采工艺系统方案研究。陡帮开采亦称陡帮扩帮采剥。它是泛指露天矿开采能创造陡剥岩帮的一切采剥方法。陡帮开采是在工作帮上部分台阶作业，部分台阶不作业，使工作帮坡角加陡，以推迟部分岩石的剥离。陡帮开采有利于优化开采工艺，陡帮开采工艺对于改善露天矿采剥关系、缓解由于剥离落后而造成的矿石生产能力下降的被动局面，特别是露天矿新建、扩建，分期开采等方面，有着十分重要的意义和广阔的应用前景。关键词：露天矿，缓帮开采，陡帮开采，生产剥采比，推迟剥岩，工作帮坡角，采剥关系目录xx公司陡帮开采可行性研究长期以来，我国露天矿设计、生产通常采用缓帮开采。露天矿初期生产剥采比高、后期生产剥采比低，影响了矿山即时经济效益和总体经济效益。尽管在编制采剥进度计划时进行一些调整和均衡，但由于工艺特点所决定，仍然出现较高的剥离高峰值。这就出现了矿山开采初期采剥总量大、设备和人员增多、基建投资大、生产成本高的局面。这种以缓帮工作帮坡角为特征的缓帮开采工艺基建工程量大、投资多、投产和达产年限长、最终边坡暴露过早、初期生产剥采比大、技术指标差，不利于露天开采技术的发展和矿山综合经济效益的发展【1】。从六十年代起，西方一些国家从理论上进行了陡帮开采的研究。根据国外世界各大型露天矿资料查询，他们采取的工作帮坡角一般在200～300左右，见表1.1美国皮马铜矿为了及早采出深部富矿，在第二期开采中，富矿区的工作帮坡角取到270，从而加速了下降速度，及早见矿，满足了出售矿石品位的要求。苏联从六十年代研究高台阶开采技术，以利于提高工作帮坡角。已使用和推广的台阶高度为20米，工作帮坡角200～310。表1.1国外露天矿陡帮开采参数现状【1】序号矿山名称所在国家矿石类型台阶高度（m）工作平台宽度（m）临时非工作平台宽度（m）工作帮坡角（度）1宾厄姆美国斑岩铜矿12~1533262西雅里塔美国斑岩铜矿15>606~825~283皮马美国辉铜矿1260~75326.6~33.74巴格达得美国斑岩铜矿12>366~1030~405伯克利美国斑岩铜矿1236~1053~9约306莫伦西美国斑岩铜矿1546207卡西厄加拿大石棉矿9.1~13.750~9010~16308托魁帕拉秘鲁斑岩铜矿15>3426.6~309塞罗帕斯科秘鲁铜铅锌银15>3515~203710丘基卡马塔智利斑岩铜矿13~15>2424~2811马伊旦佩克南斯拉夫斑岩铜矿15>5010~2020~3012博尔南斯拉夫斑岩铜矿15>507~820~3013帕拉博拉南非铜矿12>37121814雷尔山澳大利亚铜硫矿7.5~15.2154015惠尔巴克山奥法利亚赤铁矿15>5017.316塞罗·维德秘鲁铜矿15>3537总之，从表1可以分析出国外陡帮开采的基本参数取值范围是：台阶高度12米～15米，工作平台宽度是40米～60米，临时非工作平台宽度3米～10米，工作帮坡角200～300。美国一些矿山，根据多年经验取值为：工作帮坡角190～270，推荐的标准工作平台宽度50～60米，最小工作平台宽度为30米。随着我国对矿山固定资产投资方式的改变，矿山建设与改造更加追求投资贷还能力以及投资收益率，于l978年将陡帮开采方法引入到我国的部分大型露天矿设计中，同时也引入到北方少量大型生产矿山中。经过10多年的生产实践，取得了一些经验和成果。陡帮开采方法已逐渐得到重视，伴随大型、高效采装系列配套设备国产化在我国的研制成功和工艺技术上的新突破，也可在国内露天矿推广运用，这将给我国传统的缓帮开采工艺，提出严峻的挑战，很快在露天矿生产建设中带来技术、经济的变革。大型露天矿陡帮开采工业试验在南芬露天矿试验成功,生产剥采比由原来的2.7t/t降为2.44t/t,4年共推迟剥岩量832万t,获经济效益3477万元；同时为其他露天矿提供了较全面的开采技术和管理经验，故西矿也可采用此方法来提高经济效益。本课题分为以下几个方面解决相关问题（1）开采参数的研究目标是研究不同开采参数的工艺配合方式，不同开采参数同设备效率和作业成本的内在规律，为我国新建和改扩建的大型汽车运输露天矿采用陡帮开采新工艺提供可靠的工艺方法和技术参数，为陡帮开采工艺的设计与实施提供一个科学、实用的参数。（2）工作帮坡角的研究旨在白云鄂博西矿，确定合理的工作帮坡角，以及生产剥采比的合理分配，为该矿实施陡帮开采的中短期生产计划，提出理论依据。（3）均衡生产剥采比的研究的目标旨在为x露天矿实行陡帮开采时提供技术上可行、经济上有利的生产剥采比宏观控制的依据；论证陡帮开采参数对该矿生产剥采比均衡的特殊影响规律。白云西矿矿体分布范围是：西起2线，向东至96线，全长约10km，南北宽1km左右。分南北两个矿带（向斜两翼），相距200m～500m，西部两矿带相距较近，向东变宽。西矿矿体主要产于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特岩组三岩段（H8）中，由多层矿组成。铁矿体划分出11个主矿体，102个附属矿体。主要矿体为I、Ⅲ、IV、V、VI，占总储量95.6％。矿体分布集中地区为中区（16线～48线），矿体规模大，最大延深855m（40线）；西区（16线以西）延深小；东区（48线以东），不仅延深小，而且厚度薄，矿体规模不大。本区最大矿体为Ⅴ、Ⅲ号，占总储量58.6%。铌矿划分了362个独立矿体，分布集中地区为中区（16线～48线），基本为单工程控矿的透镜体，最大矿体延长超过1km，占总储量23.4%。稀土矿共划分62个矿体，主要矿体为R4、R7、R36、R59，占总储量94.75％。最大矿体为R4、R7，占总储量60.24%。矿体由西向东呈现由小变大、由分支到复合、南部矿体逐渐尖灭消失的趋势。本次开采对象为铁矿体，铌矿、稀土矿单独堆存。全区（2线～96勘探线）提交并批准的铁矿石储量为：表内矿B+C+D级储量80796.65万t，矿石平均品位TFe33.27%。表外矿储量10356.69万t，平均品位TFe24.96%。截至2005年5月31日，在采矿权登记范围内（2线～96线，1210m标高以上），西矿表内铁矿石为58599.39万t，表外铁矿石为8121.21万t。白云西矿开采方法为露天开采，矿山年产原矿1500万t，年采剥总量11250万t。西矿整个为一个大露天采矿场，长4700m，宽1100m，封闭圈以下深456m。在标高1536m以下分为东露天和西露天两部分，其露天底标高分别为1212m和1152m。境界内矿石量43861万t，岩石量185982万t，平均剥采比4.24t/t。白云西矿设计范围西起2勘探线，东至48勘探线，走向长4.8km，南北宽1km。矿体产于向斜两翼及其核部，走向近东西，倾角大于600，呈断断续续带状分布。矿体最大延深855m，局部出露地表，覆盖层厚度一般为10m～60m。地表地形为低缓丘陵区，地形标高为1608m～1668m。根据矿区资源条件和开采技术条件，白云西矿适合露天开采。白云西矿选矿厂2008年投产，新建的混合矿选矿厂采用阶段磨矿、弱磁选—中磁选—反浮选降硫的三段一闭路选别流程。根据矿体赋存条件和采用的工艺、设备，确定开采过程的矿石损失率和围岩混入率均为7%，近矿围岩含TFe7%，mFe5%。各采场矿石平均采出品位见表2.1。表2.1矿石采出平均品位统计表项目单位东采场西采场合计氧化矿（TFe）%28.6227.9128.15氧化矿（MFe）%12.2114.2013.55混合矿（TFe）%30.4531.2730.96混合矿（MFe）%24.0224.6324.40白云鄂博矿区位于蒙古高原南部，属内陆干燥气候区。由于受西伯利亚、贝加尔湖和温都尔汗等强冷空气的影响，低温少雨，干旱多风，温差变化大。春旱风沙大，夏短雨集中，秋爽多日照，冬长天寒冷。冬季长达7个月之久，一月平均气温－16.2℃，极端最低气温－35.1℃。气温在20℃以上的夏季为29.4天，七月平均气温为19．4℃，极端最高气温34.3℃。每日均气温5℃以上的持续生长期168天，每日均气温O℃以下的持续霜期217.3天。每年平均气温为2.4℃。最早初霜日在9月4日，最晚终霜日在5月12日。春季3～5月，是大风季节，每年平均7级以上大风日70天，最多达110天，最大风速28米／秒(十级)，年平均风速5.5米／秒。秋季年平均日照时间为3240.4小时。从气候条件看，白云鄂博的风能和太阳能资源丰富。公路:现有公路包白公路（包头市—白云鄂博）150公里、呼白公路（呼和浩特—达茂旗—白云鄂博）220公里。铁路:包白铁路（白云鄂博—包头东）准轨接京包线。距离135公里，其中运行车次为7407/7408次，每天早7：40分白云鄂博站开车，12：00到达包头东站；下午5：20包头东站开车，9：50到达白云鄂博站。区间运行4小时20分，现有运力能满足需要。机场:白云鄂博到包头飞机场170公里。x白云鄂博铁矿西矿（1500万t/a原矿）采矿工程初步设计概算总投资为458010.72万元（其中含进口设备附加费50681.17万元），其中：第一部分工程费用为412201.94万元，占概算总投资的90.00%；第二部分其它费用为11882.05万元，占概算总投资的2.59%；预备费为33926.72万元，占概算总投资的7.41%。6年后陆续建设联合开拓系统，还需增加投资137093.57万元。白云鄂博铁、稀土、铌矿带东西长16km，南北宽1～2km，呈一向斜构造。x矿矿体分布范围：西起2线，向东至96线，全长约10km，南北宽1km左右。分南北两个矿带（向斜两翼），相距200～500m，西部两矿带相距较近，向东变宽。矿体主要产于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特岩组三岩段（H8）中，由多层矿组成。铁矿体划分出十多个主矿体，100多个附属矿体。主要矿体为I、Ⅲ、IV、V、VI，占总储量95.6％。矿体分布集中地区为中区（16线～48线），矿体规模大，最大延深855m，西区延深小，东区不仅延深小，而且厚度薄，矿体规模不大。矿区最大矿体为Ⅴ、Ⅲ号，占总储量58.6%。铌矿划分了300多个独立矿体，分布集中地区为中区，基本为单工程控矿的透镜体，最大矿体延长超过1km，占总储量23.4%。稀土矿共划分几十个矿体，主要矿体为R4、R7、R36、R59，占总储量94.75％。最大矿体为R4、R7，占总储量60.24%。矿体由西向东呈现由小变大、由分支到复合、南部矿体逐渐尖灭消失的趋势。矿区内铁矿层主要赋存于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特岩组（Zh）第三岩段H8和比鲁特岩组（Zb）第一岩段H9中。位于向斜两翼及其核部，与围岩产状一致，走向近东西，倾向南或北，倾角南翼一般为70～85°，局部直立甚至倒转，北翼一般为60～85°，矿体倾角一般翼部陡而核部缓。矿体随向斜向东侧伏。故在西部矿体赋存较浅，东部赋存较深，同时赋存于向斜两翼的南北矿带的顶部距离也自西向东逐渐加宽。由于矿区广泛被第四系覆盖，矿体仅在山包处才有出露。现将规模较大的四个矿体特征分述如下：1)I号矿体I号矿体产于H82白云岩下部，距H81板岩10～20m，层位稳定。由下而上分为两层，即I1和I2，二者相隔3～20m。（1）I1分布于6～26线间2000m地段内，矿体连续分布。南翼分布于10～22线，长1400m。最大延深620m，最小127m，一般400～500m。矿体形态为似层状，分布稳定而连续，局部出现分支复合、尖灭再现。产状倾向北，倾角60～65°。北翼分布于6～21线及23～26线，长分别为1650m和450m。最大延深575m，最小116m，一般400～600m。矿体形态为似层状，分布稳定，厚度变化小，局部出现尖灭再现。产状倾向南，倾角60～80°，核部30～40°。（2）I2分布于3～24线间2100m地段内连续存在，基本呈向斜状态，沿走向向东具侧伏现象。南翼分布于3～17线及19～24线，长分别为1500m和650m。最大延深595m，最小83m，一般300～400m。矿体厚度变化较大，由浅到深有增厚现象。矿体形态为似层状和透镜状，分布稳定而连续，局部出现分支复合、尖灭再现。产状倾向北，倾角60～90°。北翼分布于3～22线及23线，长分别为2000m和100m。最大延深560m，最小31m。矿体形态为似层状，分布连续，厚度稳定，局部出现分支复合。产状倾向南，倾角60～70°，核部30～40°。2)Ⅲ号矿体Ⅲ号矿体为本区第二大矿体，储量仅次于V号矿体，产于H82白云岩中下部，与Ⅰ、Ⅱ号矿体相隔10～50m。由下而上分Ⅲ1和Ⅲ2，二者相隔3～15m。（1）Ⅲ1分布于10～46线间3500m地段内，连续分布。矿体沿倾向呈透镜状，一般尖灭较为迅速，矿体规模亦不大。南翼分布于22线、26线、32线和46线4个地段，各为孤立的透镜体，极不连续。长度各为200m，延深60～180m。矿体产状倾向北，倾角65～85°。北翼分布于10线、20～30线、32～39线、41～42线及44～46线，长度分别为200m、1100m、800m、200m和200m。最大延深430m，最小30m。矿体形态为似层状和透镜状，分布不连续，厚度变化较大。产状倾向南，倾角40～80°。（2）Ⅲ2分布于3～46线间4300m地段内，主要产于向斜北翼，且连续分布。南翼分布于3～10线、14～19线、22～28线及32～33线4个地段，长度分别为850m、650m、700m和200m。最大延深475m，最小35m，一般100～400m。矿体形态为透镜状，分布不连续，局部出现分支复合、尖灭再现。产状倾向北，倾角55～90°，一般65～70°，核部20～30°。北翼分布于3～46线，矿体长4450m。最大延深710m，最小31m，一般300～400m。矿体形态简单，为似层状，分布连续，局部出现分支复合、尖灭再现。矿体厚度沿走向呈波状起伏变化，向东西两侧变薄。沿倾向厚度变化较大，往往呈豆荚状（透镜状）。产状倾向南，倾角60～70°，局部80°，1350m标高以下45～53°。3)Ⅳ矿体Ⅳ矿体位于H82白云岩中部，与Ⅲ号矿体相隔10～60m。矿体分布于8～48线间4000m地段内，所处标高1200～1600m之间。南翼分布于14线、17～39线、41线及44～48线4个地段，长度分别为200m、2300m、100m和650m。最大延深600m，最小130m，一般200～400m。矿体形态为似层状、透镜状，分布不连续，26线矿体被F3断层错开。局部出现分支复合、尖灭再现。产状倾向北，倾角50～80°。北翼分布于8～41线、44～45线2段，矿体长度分别为3450m和200m。最大延深760m，最小30m，一般300～400m。矿体形态尚属简单，为似层状，多单层出现，个别有分支复合现象。矿体厚度沿走向从7～24线向东西两侧变薄。沿倾向厚度由浅到深有增厚现象。产状倾向南，倾角50～70°，局部80°。4)V号矿体V号矿体为本区最大的矿体，产于H82白云岩中上部，距Ⅳ号矿体20～60m。由下而上分为V1、V2两个分矿体，二者相距5～20m，以V2矿体规模大，分布稳定。（1）V1矿体分布在18～96线间8200m地段内，连续分布。其中18～20线、23～24线矿体为向斜状态，延伸200～300m。其他呈单斜状态，延深小、厚度薄。南翼分布于18～20线、22～28线、30～34线及36～64线4个地段，长度分别为300m、700m、500m和3050m。最大延深700m，最小55m，一般100～500m。矿体形态为透镜状、似层状，分布不连续，局部出现分支复合、尖灭再现。产状倾向北，倾角45～90°，一般75～80°，核部10～30°。北翼分布于18～24线、26线、30～68线、76～80线及88～96线5个地段，长度分别为700m、150m、800m、4050m和1200m。最大延深700m，最小40m，一般150～500m。矿体形态尚简单，为似层状、透镜状，局部出现分支复合、尖灭再现。东西两侧矿体厚度变化较大，中部稳定，基本为薄层矿。产状倾向南，倾角45～70°，局部80°左右。（2）V2矿体分布在18～96线，矿体长8200m，连续分布。其中18～28线产于向斜两翼，沿倾向尖灭迅速，矿体规模不大，厚度小于10m，多呈透镜状。30～48线矿体为向斜状态，规模大，厚度数十米，延深500～600m，形态简单，呈层状，分布稳定。48线以东矿体规模小，沿倾向尖灭迅速。南翼分布于18线、22～28线、30～64线3个地段，长度分别为100m、700m、和3650m。最大延深830m，最小60m，一般500～700m。矿体形态基本为似层状，变化平缓，分布连续，局部出现轻微的分支复合。产状倾向北，倾角40～90°，由西向东呈现由缓变陡的趋势。北翼分布于19～23线、26线、30～68线、88～96线4个地段，长度分别为500m、150m、4050m和2000m。最大延深620m，最小55m，一般100～500m。矿体厚度最大68m，最小2.1m，一般5m～50m。矿体形态较简单，为似层状、透镜状，局部出现分支复合、尖灭再现。矿体厚度由中部向东西侧变薄。产状倾向南，倾角44～80°，由西向东呈现由缓变陡的趋势。矿体总体表现为：主矿体形态主要为似层状，其次为大的透镜状，一般分布稳定而连续，局部出现分枝复合与尖灭再现现象，受次一级构造的影响，使矿体形态复杂化。小矿体多为透镜状。白云西矿矿石生产规模为1500万t/a，其中东采场600万t/a，西采场900万t/a，设计采用的生产剥采比6.5t/t，矿山剥离量9750万t/a，采剥总量11250万t/a。开采范围与开采方法根据矿山资源勘探情况，本次设计西矿开采范围为2~48线之间的矿床。开采方法为露天开采。露天开采最终境界的确定设计采用境界剥采比（浮锥剥采比）不大于经济合理剥采比（9m3/m3）的原则，圈定了露天开采终了境界，圈定结果，西矿整个为一个大露天采矿场，长4700m，宽1100m，封闭圈以下深456m。在标高1536m以下分为东露天和西露天两部分，其露天底标高分别为1212m和1152m。境界内矿石量43861万t，岩石量185982万t，平均剥采比4.24t/t。采剥工艺矿山采剥工艺为牙轮钻机穿凿中深孔，炸药爆破崩落矿岩，单斗挖掘机装载自卸汽车。采用Ф310mm牙轮钻穿孔，多排孔微差挤压爆破方法进行中深孔爆破，6-8m3电铲、16m3及以上液压铲或电铲分别铲装矿石和岩石，由上向下逐层开采。设计采用缓帮采矿、陡帮剥岩工作组合台阶方式剥岩，组合台阶高度48m（4个开采水平为一组），工作平台宽度50m，安全平台宽度16m，工作帮坡角为22.66°。初期在主矿体边界的上盘岩石中沿走向方向开水平段沟，向上下盘两侧推进。为了有效均衡生产剥采比，采用组合台阶和倾斜分条（临时非工作帮）的陡帮开采工艺，生产剥采比为最大为6.5t/t。根据矿体赋存条件和采用的工艺、设备，设计确定开采过程的矿石损失率和围岩混入率均为7%，近矿围岩含TFe7%，mFe5%。矿石平均采出品位：氧化矿TFe28.15%，mFe13.55%，混合矿TFe30.96%，mFe24.40%。矿床开拓经分析比较，矿石生产初期(西采场前5年,东采场前前6年)采用公路汽车开拓方式，采用载重108t级矿用自卸汽车运往选矿厂矿石粗破碎站，矿石破碎站设54-75旋回式破碎机1台。西采场7年后、东采场8年后，采用采场内汽车－半移动破碎机组－溜井－胶带运输机－选矿厂的开拓运输方式。东采场破碎机选用进口1216（颚式）可移式破碎机1台，西采场选用54-75(旋回)可移式破碎机1台。岩石初期采用载重172t-223t级矿用自卸汽车直接运往露天采场100m以外的排土场。经技术经济比较，西采场第6年开始使用汽车—破碎—胶带机—排土机共2套联合开拓运输系统，东采场第9年开始使用汽车—破碎—胶带机—排土机联合开拓运输系统，稀土矿、稀土白云岩、废岩采用载重172t-223t级矿用自卸汽车从采场运往岩石破碎站，各岩石破碎站设63-89旋回破碎机1台，采用分时破碎、分时运输、分别堆存，破碎后的岩石经由宽1800mm的胶带机接排土机排土，排土机排土效率为4500m3/h，共6台。考虑到采场深部第四系、铌矿数量较少，设计第四系、铌矿采用汽车直接运输方式，单独堆存。排土工艺与排土场采场内剥离的稀土、白云岩、废岩、铌矿及第四系均采用分别堆存的方式排弃到相应的排土场。矿山生产初期，稀土、白云岩、废岩及全采场的铌矿、第四系采用自卸汽车运输、推土机推排的排土工艺；6年后，深部剥离的稀土、白云岩及废岩，采用排土机排土工艺。排土高度为30-100m。排土场计算容积95097.42万m3，设计排土场容积95680万m3。采场防排水为尽量减少采场排水量，采场外设防洪沟、采场内设截水沟。采场汇水采用机械排水方式，接力排水系统。采用联合开拓运输方式时，在溜井底部设排水泵站，将溜井底部涌水排出。陡帮开采是在露天境界内把采矿与剥岩的空间关系在时间上做了相应的调整【2】。在保持相同采矿量的前提下，用加陡剥岩工作帮坡角的工艺方法把接近露天境界圈附近的部分岩石推迟到后期采出。它与分期开采的目的相同，而比分期开采更加有效、灵活。露天矿工作帮坡角的大小与台阶高度成正比，与工作平盘宽度成反比。缓帮开采工艺因受最小工作平盘限制，平盘宽度很难减小。陡帮开采则是把剥岩帮上的台阶分为工作台阶和暂不工作台阶，只要求工作台阶的工作平盘宽度大于或等于最小工作平盘宽度，而暂不工作的台阶则可按保证安全及运输通道的要求，尽量减小宽度。因此说，陡帮开采是通过控制暂不工作台阶数并减小它们的宽度来减小整个剥岩工作帮上台阶所占平盘宽度来实现加陡剥岩工作帮坡角的。其加陡的程度，从大于一般缓工作帮坡角，直到接近最终边坡角。陡帮开采是在工作帮上部分台阶作业、部分台阶暂不作业，作业台阶和暂不作业台阶轮流开采，使工作帮坡角加陡，以推迟部分岩石的剥离。均衡整个生产期的剥采比，推迟部分剥岩量，节约基建投资，缩短最终边帮的暴露时间，有利于边坡的稳定。陡帮开采具有以下的优点【3～6】：1）不改变传统缓帮开采的开拓、准备程序和采掘、运输系统。2）基建剥岩量和基建投资少，基建时间短，投产早达产快。3）可缓剥大量岩石，降低前期生产剥采比，有利于生产剥采比均衡。4）推迟最终边坡暴露时间，有利于采场边坡稳定和维护。但是采用陡帮开采必须具备下述技术和组织条件：1）正确地采用大区微差爆破。2）广泛应用汽车运输和移动坑线开拓。3）相应的采运设备大型化。4）生产组织管理的科学化。陡帮开采工艺的应用能够使基建剥岩量小、投资少、基建期短、投产达产快，经济效益明显，可广泛应用于新建矿山和剥离洪峰尚未到来的凹陷露天矿，以及扩建改造的矿山。根据剥岩挖掘机的大小及工作帮上的台阶数目，陡帮开采的作业方式可以分为：工作帮台阶依次轮流开采、工作帮台阶分组轮流开采、台阶(挖掘机)尾随开采、并段爆破分段采装开采【7，8】。(1)工作帮台阶依次轮流开采台阶依次轮流开采方式如图3.1所示。台阶依次轮流开采的实质是：露天矿整个剥岩工作帮由一台挖掘机自上而下轮流开采，先第一个台阶，再第二个台阶，依此类推，采完最后一个台阶后，挖掘机再返回到第一个台阶，重新开始下一个条带的剥离工作。图3.1工作帮台阶依次轮流开采采用这种作业方式时，剥岩带内只有一个台阶在作业，其余台阶均处于暂不作业状态，所留平盘宽度较窄，故能最大限度地加陡工作帮坡角，获得较好的经济效益。采用这种作业方式时，工作台阶也可以由一组(两台)挖掘机进行采掘，它们在同一个台阶上作业，一前一后，间隔一定距离，并作同向采掘；也可以从端帮向中央作对向采掘。(2)工作帮台阶分组轮流开采台阶分组轮流开采方式如图3.2所示。其实质是将工作帮上的台阶划分为若干组，每组2～5个台阶，每组台阶由一台挖掘机在组内从上而下逐个台阶进行开采。当挖掘机采完组内最下一个台阶后再返回第一个台阶作业，剥离下一个岩石条带。图3.2台阶分组轮流开采台阶分组轮流开采时，组内除正在作业的台阶外，其余台阶均处于暂不作业状态，所留平台宽度小，或者直接并段，故能加陡工作帮坡角，但加陡的工作帮坡度比台阶依次轮流开采的方式较小。台阶分组轮流开采时，只要与相邻组的挖掘机之间保持一定的水平距离，就可以保证安全生产。非相邻组之间挖掘机有一个或多个宽30～50m或更大的平盘隔开，挖掘机即使在同一条垂直线上工作，也可以保证安全生产。(3)台阶(挖掘机)尾随开采台阶尾随开采方式是一台挖掘机尾随另一台挖掘机向前推进，如图3.3所示。向前尾随的挖掘机构成一组，组内有若干台挖掘机同时作业，如果一组挖掘机的生产能力尚不能满足露天矿剥岩生产能力的要求，则可以布置第二组、第三组。图3.3台阶(挖掘机)尾随开采采用台阶尾随方式开采时，各工作帮任何一个垂直剖面图上，组内只有一个台阶在作业，它保留最小工作平盘宽度，而其它台阶只保留运输平台，故可以加陡工作帮坡角实施陡帮开采。如果露天矿有几组挖掘机同时作业，则上下不同水平的挖掘机很可能在一条直线上工作。为保证生产安全，组与组之间必须有一条宽平台隔开，如图3.3所示。台阶尾随开采的主要优点：利用规格小的采运设备也能加陡工作帮坡角，并有一定的经济效益。台阶尾随开采的主要缺点：每一个台阶要布置一台挖掘机，并且上下台阶互相尾随，它们之间必然相互影响，降低了挖掘机生产能力，因而对提高陡帮开采的经济效益不利。同时这种工艺形式通常要冒“剥离欠账”和“采剥失调”的风险[9]。(4)并段爆破分段采装开采图3.4并段爆破分段采装开采这种作业方式的实质是将工作台阶并段进行钻孔爆破，然后在爆堆上分段进行采掘，是依靠减少爆堆占有宽度的办法减少平盘宽度，以增加工作帮坡角的工艺形式。只要具备高段深孔钻机，不需改变任何其他过程和开拓准备程序，即可实现陡帮开采，它是利用现行采掘设备改造缓帮开采面貌的简单可行的途径。上述四种采剥作业方式虽然各有其特点、参数及适用条件等，但彼此没有什么本质区别，只是表现形式不同而已。当采运设备的规格较大时，一台电铲可完成剥岩帮上左右台阶的开采工作，此时陡帮开采的循环形式是台阶一次轮流开采方式。当采运设备规格较小，一台电铲只能完成剥岩帮上2～5个台阶，整个剥岩帮分几组台阶进行开采，此时表现形式是台阶分组轮流开采方式。当采运设备规格更小，一台电铲只能开采一个台阶，这时表现形式是电铲尾随开采方式。这里设备的规格起决定性作用【10】。根据x集团x矿业有限责任公司相关技术部门的要求，在并段爆破技术可行的基础上，提出并确定采用并段爆破分段（或分层）采装开采工艺的研究。并段爆破分段（或分层）采装工艺有以下几方面的优点：1）均衡生产剥采比，降低初期剥离高峰。2）提高生产能力，达产时间快。3）高段穿孔提高了钻机的有效利用率，钻孔的成本降低。4）由于高段爆破，减少了超钻和填塞的比例，提高了钻孔的利用率，使单位矿岩的钻孔消耗量和爆破器材的消耗量都有所降低。5）由于高段爆破属于挤压介质爆破，炸药的单耗将有所提高，但爆破效果如爆堆的集中性和破碎度的均匀性均有提高，从而有利于提高采装运和破碎过程的效率。6）有利于露天采场边坡的稳定与维护【11】。同时，陡帮开采也有部分缺点【7】，包括：1)采掘设备上下调动频繁，影响其生产能力；2)运输道路工作量大。陡帮开采时，露天采场一般采用移动坑线，当一个岩石条带剥离完后，运输坑线需移动一次，修筑新的线路，因而与固定坑线相比，线路的修筑与维护工程量大，费用高；3)采场辅助工程量大。陡帮开采时，采场里的供风管、供水管及供电线移设次数增加，费用增加；4)管理工作严格。陡帮开采时，上下台阶之间的配合要协调，在编制年进度计划时，每年的采剥量不但要数量均衡，而且要部位平衡。本课题以x（集团）公司白云鄂博铁矿西矿采矿工程(1500万t/a规模)初步设计为依据，采用并段爆破分段采装时，先分析分组轮流开采参数，以确定并段爆破分段采装的部分参数。现有规模为年生产矿石1500万t（其中东采场600万t/a，西采场900万t/a，生产剥采比最大为6.5t/t,平均剥采比4.24t/t，组合台阶时工作帮坡角为22.660，最小工作平盘宽度为50m）基础上进行的【12】。原设计数据，工作台阶坡面角750，安全平台宽度为16m，工作帮坡角为22.660，按4个台阶一组开采，可计算出一次推进宽度为=38m，则组合台阶开采时工作平盘宽度为=54m。根据白云西矿现场实践，可知12m台阶爆破时旁冲宽度为15m左右。图3.5组合台阶开采前示意图上面是用已知数据对一次循环宽度进行的推算，本节利用公式计算一次循环宽度。一次循环宽度与组合台阶个数有直接关系，根据矿体产状、新水平准备位置和推进方向以及一组内的电铲生产能力等因素确定一组内的台阶数和一次循环推进宽度。一次循环推进宽度的确定涉及因素较多，其中包括：矿山工程下降速度、最小工作平台宽度、年循环次数、一个台阶上所能布置的作业电铲台数及其生产能力以及新水平掘沟位置和推进方向等诸多因素。因此，必须研究确定这些因素后才能确定一次循环推进宽度。1）矿山工程延深速度矿山工程延深速度由下式确定。（式3.1）式中：——露天矿矿石生产能力，吨/年；——所选用的有代表性的水平分层矿量，吨；——矿石回收率，；——矿体倾角，度；——废石混入率，；——矿山工程延深角，度；——矿山工程延深速度，米/年。其他符号意义同前。 由于矿山工程延深角与矿体倾角相差不大，所以，矿山工程延深速度按下式计算。米/年（式3.2）西矿设计年矿石生产能力为1500万吨，取有代表性的分层矿量为1524～1536水平，其矿石储量为1570万吨，台阶高度12米，矿石回收率93%，废石混入率7%左右。将以上数据代入公式3.2得=12.2米/年。这是根据矿山矿石产量要求必须达到的矿山工程延深速度，达不到这个速度，就难以完成矿石产量。另一方面，在矿山设备装备水平（或水平推进速度）一定的条件下，实行组合台阶开采提高工作帮坡角可以大大加快矿山工程延深速度，提高矿山矿石生产能力。研究表明，在相同的水平推进速度条件下，陡帮开采同缓帮开采相比，矿山工程延深速度提高的百分数可用公式（3.3）计算。（式3.3）——陡帮开采时的工作帮坡角，度；——缓帮开采时的工作帮坡角，度；——陡帮开采比缓帮开采矿山工程延深速度提高百分比，。其他符号意义同前。由上面确定参数可知，缓帮开采时工作帮坡角12.30，组合台阶开采工作帮坡角22.60，代入上式（3.3）可知，陡帮开采比缓帮开采采矿强度（矿山工程延深速度）提高72.3％，陡帮开采矿山工程延深速度可达21米/年。矿山规模和工作帮坡角所决定的一次循环推进宽度同一组内的台阶个数之间的关系如公式（3.4）所示。米（式3.4）式中：——移动坑线宽度，取25米；——台阶坡面角；式中符号意义同前。一组内的电铲能力所决定的一次循环推进宽度同一组内的台阶个数之间的关系如公式（3.5）。（式3.5）式中：——电铲能力所决定的一次循环推进宽度，米；——一组台阶内布置的电铲台数，取2台；——采场内工作线长度，取1500米；——岩石体重，吨/米3；——电铲效率，万吨/台年。其他符号意义同前。由西矿的具体条件（矿体倾角、年下降速度、接触带处的岩石、进行新水平准备以及剥岩工作线垂直矿体走向推进等）代入公式（3.4）和公式（3.5），绘出一次循环推进宽度同一组内的台阶个数之间关系曲线如图3.6所示。图3.6一组内台阶个数同一次循环推进宽的的关系曲线图分析式（3.4）、式（3.5）和图3.6可知，如果其他条件一定，则一组内的电铲生产能力所决定的一次循环推进宽度同一组内的台阶个数呈双曲线函数关系，台阶个数不断增加，一次循环推进宽度迅速下降。矿山规模和工作帮坡角所决定的一次循环推进宽度同一组内的台阶个数之间的变化趋势却与它不同，虽然两者都是随的增加而减小，但前者下降速度远远大于后者，虽然后者开始时变化也较大，但随着台阶个数的增加，最后其曲线逐渐趋于某一数值。由于两者的变化的规律不同，当台阶数超过某一数值后，矿山规模和工作帮坡角所决定的一次循环推进宽度由原来小于而变为大于电铲能力所决定的一次循环推进宽度，这说明，矿山规模和工作帮坡角所决定的一次循环推进宽度超过了电铲生产能力所达到的一次循环推进宽度。如果按照这样的工作帮坡角结构参数组织生产，并使矿石产量不变，就会造成采剥失调、剥离欠账、最终将会造成所谓“采死”的危险局面。这样的结构参数是决不允许的。如果想保证原来的矿石产量、继续维持这样的结构参数，就必须更换大型设备或增加一组内的电铲台数以提高一组内的电铲能力，否则，必须减少一组内的台阶个数，这充分说明，一组内的电铲生产能力是限制一组内的台阶个数的关键因素。设备生产能力限定了一组内台阶个数的最大数目，设备生产能力越大，一组内的台阶个数可以越多，亦越有利于工作帮坡角的提高。以上分析表明，一组内的台阶个数和一次循环推进宽度的确定除要满足公式（3.4）和公式（3.5）外，还必须满足公式（3.6）和公式（3.7）。米（式3.6）米（式3.7）式中符号意义同前。图3.6清楚地反应了以上论点，图中点划线为电铲能力决定的～曲线，实线为矿山规模和工作帮坡角所决定的～曲线，实线上方的所有点划线所对应的、值都是满足矿山规模且与电铲能力相适应的参数，即这些参数均满足式（3.4）、式（3.5）、式（3.7），图中水平线是根据公式（3.7）绘制的。它表示不论一组内的台阶数为何值，一次循环推进宽度和临时非工作平台宽度之和的极小值都必须等于最小工作平盘宽度。即最小工作平盘宽度和临时非工作平盘宽度所决定的一次循环推进宽度不受一组内台阶个数的影响，是一个衡定值。线以上的所有值都能保证采装、运输设备的正常作业，而线以下的值均不能满足采装、运输设备的正常作业要求。因此，图中所有既处于实线上方，同时又处于水平线之上的点划线所对应的、值均能满足公式（3.4）、式（3.5）、式（3.6）和式（3.7），都是合理的、可行的，而且在同一条点划线上的许多可行参数中，距线最近的两个可行参数是与电铲能力相对应的所有参数中值最大、值最小的两个可行参数，如果其他参数相同，则由此参数构成的工作帮坡角最大。如图中3.6的、、、、各点即是这样的点【13】。表3.1就是按照上述方法确定的和值电铲能力参数300x2350x2500x2750x2N3456b135313544按照表3.1和图3.6推出一次推进宽度b1，取b1为38m，与图3.5推出的数据符合。后面研究的并段爆破分段采装的一次推进宽度b1同样取38m。组合台阶开采在一组台阶内轮流作业，穿爆、采装、运输作业都集中在一个或两个相邻的台阶上进行。一组台阶内，同时作业的电铲台数的多少，对采场布置、工艺配合的难易程度有较大影响。一组台阶内，布置一台电铲作业，工艺最为简单。组合台阶开采中电铲采掘方式有两种：分条采掘和按工作平盘宽度一次采掘。电铲在工作面上装车方式延用矿山多年来采用的单侧装车方式。组合台阶开采时工作台阶少，穿爆、采装、运输作业集中在一个或二个相邻的台阶上，为使各工序在开采工程中互不干扰，合理配合，应严格按着一定的时空关系作业，特别是钻机和电铲的相互位置和作业顺序。电铲采掘顺序和相互位置的关系主要有以下几种研究【1,14】。（1）两台电铲在同一水平作业有四种情况：一是两台电铲分别在工作平盘端部相背采掘；二是两台电铲自坑线处向采场中部相向采掘；三是一台电铲自坑线处向采掘中部采掘，另一台电铲自另一坑线处向采场端部采掘；四是两台电铲在同一采区尾随作业。为保证采区至少有一条坑线系统正常通车，严禁两台电铲同时移设坑线。下图3.7为两台电铲在同一水平尾随作业。图3.7两台电铲尾随作业示意图组合台阶开采，电铲可以按工作平盘宽度一次推进，如图3.9a所示，电铲从掘沟位置形成初始工作面Ⅰ，然后向Ⅱ区推进。当急需为钻机准备穿孔区时，电铲可分条采掘，如图3.9b所示。电铲从初始工作面位置Ⅰ沿第一采掘带Ⅱ至端部Ⅲ再采掘Ⅳ区。当电铲采掘Ⅳ区时钻机可在Ⅲ区开始进行穿孔作业。ab图3.8电铲采掘方式示意图a——按工作平盘宽度一次采掘b——分条采掘（2）三台电铲在同一水平作业三台电铲在同一水平作业是可行的。但工艺配合复杂些，电铲调动较频繁，因此较少采用此种作业方式。（3）两台电铲在相邻两个水平作业由于双坑线系统两条坑线不能同时破坏，必须是一条坑线形成并能与原坑线系统相通后，才能挖掘另一条坑线，如图3.9所示。图3.9电铲在两个相邻台阶作业示意图组合台阶开采临时非工作平盘转为工作平盘时，爆破后平盘全部被碴堆覆盖。电铲进入水平采掘时，必须首先形成一个小的作业场地即初始工作面后,才能正常作业。另外,初始工作面必须与运输坑线相通,保证汽车运输通路【13】。初始工作面准备，指在新的工作台阶作业前，用来沟通本台阶与组合台阶运输系统并形成铲装作业需要的一定的空间尺寸所做的工程。初始工作面准备是组合台阶开采特有的工艺环节。开采过程中随着工作台阶下移首先要进行初始工作面准备，建立新的初始采掘工作面并沟通通往初始采掘工作面的运输道路。初始工作面形成的方式有以下种。1、分条穿爆采掘工艺的初始工作面准备方法采用分条穿爆采掘工艺时，利用坑线间的连接平台作初始采掘工作面如图3.10。首先在第一采掘带原坑线连接平台处作初始采掘面进行采掘，当第二采掘带采掘到新坑线预定移设位置处，再自上而下掘进新坑线，新坑线建成并形成新的运输通路后，原坑线便废除。图3.10分条穿爆采掘初始工作面准备方法示意图2、分区穿爆采掘工艺的初始工作面准备方法（1）全断面一次爆破初始工作面准备方法全断面一次爆破初始工作面准备方法是指按一次循环推进宽度一次爆破后进行初始工作面准备。穿爆后电铲在新坑线处自上而下掘进新坑线，新坑线掘完后即掘横段沟，段沟长度等于爆堆宽度。待掘完段沟形成新的运输系统和初始采掘工作面后，初始工作面准备便告完成，如图3.11所示。在初始工作面准备期间仍需利用原坑线系统进行运输，因此，爆破后要及时清理原坑线路面。图3.11全断面一次爆破初始工作面准备方法示意图（2）掏沟爆破初始工作面准备方法采用此种方法的优点是爆破不影响本台阶原坑线的运输，其方法是在新坑线预订的移设位置处采用掏沟爆破，然后掘新坑线和横段沟，初始工作面准备完后，原坑线就可废除，这时邻近原坑线未穿爆岩体即可进行穿孔爆破作业见图3.12。此种方法适用于一次循环推进宽度较大的场合。图3.12掘沟爆破初始工作面准备方法示意图此外，当组合台阶开采到临近最终边坡的最后一个推进循环，且该水平最终边坡上无运输坑线时，就不能采用分区穿爆采掘工艺的初始工艺工作面准备方法，而需采用分条穿爆采掘的方法，利用原坑线的连接平台作初始工作面，无需掘进新坑线。在采用分区穿爆采掘开采工艺过程中，有时为创造提前加铲条件，在正常初始工作面准备还未开始或还未结束之前，可利用原坑线连接平台作为加铲初始采掘工作面。（3）坑线调整时的初始工作面准备方法前述的初始工作面准备方法是在正常情况下，坑线系统随着扩帮推进平行移设时的初始工作面准备方法。开采过程中有时需要调整或改变坑线系统位置和形式，为了保证初始工作面准备期间坑线运输系统的畅通，需要相应地改变初始工作面准备方法。1)坑线向左向右移设时的初始工作面准备方法新坑线相对于原坑线不是平行移设,而是向左或向右移设时，如仍采用正常的初始工作面准备方法，就不能保证初始工作面准备期间坑线系统的畅通，必须采用与其相适应的方法（见图3.13）。图3.13坑线左右移位初始工作面准备方法示意图（I左移II右移）2）坑线反方向移设时的初始工作面准备方法当坑线需要向相反方向移设时，用正常的初始工作面准备方法，新坑线平行移位或向左、向右移位均不能解决初始工作面准备期间坑线运输不畅的问题，只有采用如图3.14所示的方法才能解决。图3.14坑线反向移位初始工作面准备方法示意图（I坑线平行移设；II坑线左移；III坑线右移）上述坑线调整时的初始工作面准备方法比正常坑线平行移设时的初始工作面准备方法要复杂些，准备时间略长些。因此，在开采过程中应尽可能地避免调整坑线系统。在工作帮上只有一组台阶或有多组台阶且组与组之间又有运输联络平台的双坑线系统条件下，坑线调整时可不必采取上述的初始工作面准备方法，仍可采用正常的初始工作面准备方法。但是，工作台阶上的两条坑线不能同时移设，必须待一条坑线移设完后再移设另一条坑线。这样，当上一组台阶有坑线移设时，下组台阶的岩石可通过移运输联络平台经上组另一条坑线系统运往排土场（参见图3.15）。图中水平均为假想水平。图3.15爆破下抛量最大时的组合台阶开采运输系统示意图组合台阶开采作业的特点是一组台阶内，自上而下逐台阶进行采掘，因此产生了自身特定的开采方式。组合台阶开采的穿爆、采装、运输工艺配合的核心问题是开采过程中岩石运输系统、辅助设备的通路始终保持畅通。解决这一问题的方式不同，其开采工艺的方法也不尽相同。1、开采方法如果临时非工作平台不作为辅助运输道路，可总结以下二种工艺方法：分条穿爆分条采装工艺和分区穿爆分区采装工艺。（1）分条穿爆分条采装工艺分条穿爆分条采装工艺是将工作台阶一次循环推进宽度，分两个纵向穿爆采装作业带，钻机在台阶的上部平盘作业，电铲在台阶的下部平盘采装、作业过程见图3.16。钻机在台阶坑线处以前进方式穿爆第一作业带至端部后再以后退方式穿爆第二作业带。电铲在连接平台处，挖掘初始工作面，并在第一作业带采装。当电铲在第二作业带采掘到新坑线位置时，挖掘新坑线，待新坑线形成后，原坑线废除。此种方法适用于较大的工作平台宽度。图3.16分条穿爆分条采掘工艺配合示意图（2）分区穿爆分区采装工艺分区穿爆采掘工艺就是在工作台阶上沿台阶纵向、以本台阶坑线为界将一次循环推进宽度划分成穿爆、采掘两个作业区，穿爆与采掘分区集中作业（见图3.17）。为保证穿爆作业水平与坑线系统有联络通路，穿爆作业必须自端部开始向坑线处按一次循环推进宽度进行穿爆，一个作业区的穿爆工作结束后，即可在该区进行采掘作业，与此同时，穿爆作业转移到另一个区。采掘作业首先进行初始工作面准备，尽快沟通上、下水平的运输通路，然后进行正常采掘作业。待该区的采掘工作结束后，电铲或液压铲可以立即转移到另一个区进行采掘。组合台阶内台阶的穿爆、采掘工作均按此作业程序进行。当一次循环推进小于50米到60米时，不宜采用分条穿爆采掘工艺方法，可采用分区穿爆采掘工艺方法，但工作平台宽度也不应小于规定的最小工作平台宽度【15】。图3.17分区穿爆采掘工艺配合该工艺是以台阶坑线为界，将一次循环推进宽度在纵向划分成穿爆采掘两个作业区，作业过程见图3.17。本课题以x（集团）公司白云鄂博铁矿西矿采矿工程(1500万t/a规模)初步设计为依据，在满足年产矿石1500万t（其中东采场600万t/a，西采场900万t/a，生产剥采比最大为6.5t/t,平均剥采比4.24t/t，组合台阶时工作帮坡角为22.660，最小工作平盘宽度为50m）基础上进行的【12】。本课题采用陡帮开采的一种方式，即并段爆破分段采装开采方式，确定其生产剥采比时，利用平均剥采比乘以一个经验系数，=1.1～1.3【7】。本设计取=1.3，所以并段开采时的剥采比为：（式3.8）参照原设计数据，工作台阶坡面角750，安全平台宽度为16m。并段爆破分段采装采用2个12米台阶合并为一个并段的24米高台阶，最小工作平台宽度也为50米。图3.18两个台阶并段开采示意图根据白云西矿现场实践，可知12m台阶爆破时旁冲宽度为15m左右，现并段台阶高度为24m，爆破时旁冲宽度按12m台阶的2倍计算，则并段时安全平台宽度设计为原来的2倍，即并段时安全平台宽度为32m。按照一次推进宽度和安全平台宽度及台阶高度，计算2个台阶并段时工作帮坡角22.60，工作平盘宽度为70m。图3.19两个台阶并段工作帮坡角示意图按照现有的采掘进度计划和年生产矿石要求，确定采用并段爆破分段采装的采掘进度计划。编制第一年到第五年的采掘进度计划，以第三年年末线为基准进行绘制（本课题编制的第一年相当于原设计的第四年）。并段爆破分段采装开采结构参数的确定主要取决于矿体赋存条件、矿山规模、设备装备水平（或设备生产能力）、新水平开沟位置、采剥推进方向、采剥延深方向等因素。由于涉及的因素较多，且各参数之间的相互联系、相互制约关系十分密切，因此合理确定参数是一项十分慎重和重要的工作。1、并段爆破结构参数确定的原则由于台阶各参数之间相互联系相互制约关系十分密切，为合理确定各参数，应遵循如下原则【13】：（1）满足矿山生产规模或矿山工程延深速度的要求；（2）同矿山设备性能和设备效率相适应；（3）工艺技术简单，便于矿山生产实施；（4）适合矿体赋存条件和矿山开采技术条件；（5）对生产矿山尽量不要做太大的改变；（6）尽可能有利于提高工作帮坡角（7）确保生产设备和作业人员的安全。2、并段爆破结构参数确定的步骤根据以上原则和各参数同工作帮坡角的变化规律、各参数之间相互联系制约的关系、各参数同生产工艺、设备作业效率和作业成本的变化规律以及各参数变化的可能范围条件，结构参数的确定步骤如图3.20所示。图3.20参数确定步骤框图与组合台阶开采相似，并段爆破分段采装（或分层）采装工艺参数包括：台阶坡面角、台阶高度、临时非工作台阶宽度、一次推进宽度、并段台阶个数、工作帮坡角。图3.21并段开采示意图【13,16】（式3.9）式中——工作帮坡角，度；——并段台阶个数，2个；——台阶高度，24米；——一次循环推进宽度，38米；——临时非工作平台宽度，32米；——台阶坡面角，75度。将以上数据代入公式计算并段时的工作帮坡角经过计算，工作帮坡角为22.6o,符合上图中推断的。1）台阶坡面角如前所述，台阶坡面角的变化对工作帮坡角值影响不大。况且，一个矿山的岩性和爆破方法一定，其值变化范围很小。本课题中台阶坡面角取值为75°。研究表明台阶高度是影响工作帮坡角较为敏感的因素之一，台阶高度每提高1m，工作帮坡角可提高10左右。台阶高度在12m～20m间两者近似于线性关系，影响工作帮坡角变化幅度较大，因此用提高台阶高度来加大工作帮坡角是一种很有效的措施，只要条件允许，应尽量提高台阶高度【17】。合理的台阶高度，一方面要能有效地提高工作帮坡角，另一方面要与矿山的地质条件和设备性能以及技术水平相适应，更重要的是确保工作人员和设备的作业安全和生产的顺利进行【18】。本课题中采用两个台阶一并段，所以台阶高度取24米。2）临时非工作平台宽度（）临时非工作平台是指在露天矿的生产过程中的某一段时间内暂时处于非工作状态的工作平台。设置非工作平台是陡帮开采的主要标志之一，是陡帮开采范畴内的一个特定概念。临时非工作平台宽度与工作帮坡角存在着递减函数关系，从提高工作帮坡角的意义上讲，值越小越有利。该值的确定应依据其平台是否做运输通道和爆破旁冲距离的大小来决定。如果临时非工作平台做运输辅助道路，即在该平台上提供钻机、装药车、检修车等设备的通道。其宽度只要能满足这些设备的正常通行即可。如果临时非工作平台不做辅助运输通道，其宽度取决于爆堆旁冲距离。由于临时非工作平台在生产过程中的某一段时间处于临时非工作状态，从而减少了采场内同时工作的台阶数目；又由于其宽度可以大大小于工作平台宽度，因此也减少采场内未到界平台的平均宽度，使工作帮坡角得到了提高。公式（3.9）表明，临时非工作平台宽度同工作帮坡角呈递减函数关系，即工作帮坡角随着临时非工作平台宽度的减小而提高。并且随着临时非工作平台宽度的逐渐减小，工作帮坡角提高的速度越来越快。随着并段台阶个数的增加，这种趋势更加明显。因此，尽可能地减小临时非工作平台宽度，可以有效地提高工作帮坡角，从这点出发，临时非工作平台宽度越小越好。其极限值可以等于零或等于采场最终边坡的安全平台宽度。但是，当临时非工作平台宽度太小时，由于爆破过程中不可避免的爆破旁冲，使部分岩石滚落到下组工作台阶，影响下组工作台阶的正常作业和生产安全；同时，如果临时非工作平台宽度太小，下抛岩量较大，就会堵塞运输坑线，影响运输作业正常进行。所以，临时非工作平台必须保证留有一定的宽度，把爆破下抛的岩石截留住。另外，如果临时非工作平台需要留有辅助运输通路时，其宽度除要保证将上部台阶爆破时的下抛岩量全部截留住外，还要留有保证钻机、装药车、检修车等设备通行的线路宽度。因此，在陡帮开采过程中，尤其是当并段的台阶数较多时，临时非工作平台宽度不能太小，必须保证一定的宽度。研究表明，临时非工作平台宽度的确定，必须根据爆破旁冲距离的大小和临时非工作平台是否作为辅助运输路等因素综合考虑决定【19】。为此，首先确定临时非工作平台宽度同爆破下抛量和接碴量的关系，然后，在保证生产正常进行的条件下，再根据其他因素综合考虑决定。临时非工作平台宽度小于爆破旁冲距离时，部分岩石抛落到下部台阶，其下抛量可按公式（3.10）计算（参见图3.22）图3.22爆破下抛量示意图吨/米（式3.10）式中——爆破下抛量，吨/米；——爆破旁冲距离，米；——岩石自然安息角，度；——爆堆坡面角，度；——岩石体重，吨/米3；——岩石松散系数。其他符号意义同前。临时非工作平台宽度与工作帮坡角存在着递减函数关系，从提高工作帮坡角的意义上讲，值越小越有利。该值的确定应依据其平台是否作运输通道和爆破旁冲距离的大小来决定。如果临时非工作平台作辅助道路，即在该平台上提供钻机装药车检修车等设备的通道。其宽度只要能满足这些设备的正常通行即可。根据设备的技术性能台阶平整程度。研究发现，如果本台阶爆破的下抛量，在下一个台阶如不能全部截留，那么在下一个台阶爆破时，其下抛量越滚越大，影响下一组台阶的推进。这就要求有清碴设备，随时处理。因此，在研究值时，是按照本台阶爆破的下抛量，在下一个水平基本能截住来确定的。研究表明：当爆堆旁冲距离为16米、台阶坡面角为750、岩石自然安息角为350、岩石体重为3.16t／m3、松散系数为1.6、爆堆坡面角为250。将以上数据代入公式3.10后，绘制并段开采条件下的临时非工作平台宽度同爆破下抛量的关系曲线如图3.23所示，图3.23临时非工作平台宽度同爆破下抛量的关系曲线图图3.23清楚地表明，当临时非公作平台宽度为零时，爆破下抛量最大，随着临时非工作平台宽度的增加，爆破下抛量急剧减少，当临时非工作平台宽度大于32米后，下抛量随临时非工作平台宽度增加而减少的幅度越来越小，临时非工作平台宽度等于或大于爆破旁冲距离时，爆破下抛量为零。爆破过程中所抛落的岩石全部落在爆破水平以下的临时非工作平台和（或）移动坑线上。每一个临时非工作平台所容许的最大接碴量可按公式3.11计算。吨/米（式3.11）式中——临时非工作平台容许的最大接碴量，吨/米。其他符号意义同前。将并段开采的相关数据代入式3.11后绘制出临时非工作平台宽度同接碴量之间的关系曲线如图3.24所示图3.24临时非工作平台宽度同接碴量的关系曲线图临时非工作平台的接碴量同临时非工作平台宽度成递增函数关系，临时非工作平台宽度越大所能容纳的碴量越多。令（式3.12）将数据代入公式（3.12）得：=16米。同样，利用图解法在同一坐标总分别绘出并段条件下的和曲线，如图3.25所示。图3.25临时非工作平台宽度的图解法示意图参考设计规范和西矿现场实际情况，下抛量为零时确定临时非工作平台宽度，则临时非工作平台取32～34米。3）工作平台宽度的确定工作平台宽度必须等于或大于最小工作平台宽度。根据组合台阶开采的特点和最小工作平台宽度的要求，临时非工作平台宽度和一次推进宽度确定之后，工作平台宽度也就确定了。根据以上分析，工作平台宽度为50～70米为宜。1、控制爆堆宽度的意义在露天台阶深孔爆破中，获得紧凑有限的爆堆是保证穿凿装运设备安全，提高其经济效益的重要环节。尤其是对实施陡帮开采的矿山更具有特殊的重要意义。因为陡帮开采的工艺要求提高工作帮坡角，而临时非工作平台的宽度较窄。正因为这一点，爆堆伸出距离与设备效率和运输成本的关系就更加密切。如果爆堆前伸大，不仅抛量多，反向运输功大，运输效率低，还将影响到本台阶和下部台阶的正常作业，如爆破埋坑线等。为此，要求爆破在满足破碎度的同时，还必须更加有效的控制爆堆宽度，以适应陡帮开采的需要。爆堆旁冲宽度大小对设备效率、辅助工程量有一定影响。一个理想的爆堆形状，无疑是可以提高装运设备效率的。在铁路运输的矿山已研究不拆道爆破技术，以减少线路移设工程量和提高电铲效率。对于汽车运输的矿山采用陡帮开采时，其爆堆旁冲宽度对选取临时非工作平台宽度、爆破埋运输坑线量和爆破后岩石下抛到下部几个台阶而产生的反向运输等，有较大影响。因此，该值的大小，具有很大的经济意义【20】。2、控制爆堆宽度的综合技术措施控制上盘剥岩台阶的爆堆宽度应采取以下措施。（一）调整穿爆参数（1）底盘抵抗线（w）底盘抵抗线是指从台阶坡底线到第一排孔中心轴线的水平距离【7】。它是一个重要的爆破参数，过大的底盘抵抗线会造成根底多、大块率高、后冲作用大；过小则不仅浪费炸药、增大钻孔工作量，而且易产生飞石危害。底盘抵抗线的大小同炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎块度要求以及钻孔直径、台阶高度和坡面角等因素有关。底盘抵抗线是影响台阶爆破效果的关键参数。应充分利用上盘台阶坡面与岩层相反对穿爆有利的条件，设计减少底盘抵抗线。同时电铲按设计的台阶参数挖掘到位。（2）孔间距（a）孔间距是一个很重要的参数，因为它控制了炮孔间的相互作用效应。在减少底盘抵抗线的同时，按比例增大前排孔距。（3）布孔方式采用三角形布孔（4）钻孔超深炮孔超深的作用，主要是降低装药重心位置，克服台阶底部阻力。（5）填塞长度合理的填塞长度是改善爆破效果的重要参数。（二）控制炮孔装药量药量计算以体积公式为基础。清碴爆破时，前排孔药量按规定的炸药单耗用体积公式计算，后排孔药量采用药量增加系数一般增加15～20％，最后排装药量不增加。留碴爆破时，后排孔药量和清碴爆破相同，前排孔药量，根据留碴厚度和底盘抵抗线不同，药量增加系数为10～20％。（三）装药调整及控制装药高度当前排孔按计算量装药，装药高度超过规定值时，可在炮孔下部放一定量密度较大的炸药，降低装药高度，为补充前排孔上部破碎也可将前排孔多出的部分药量加到第二排孔，视岩性不同而定。为保证最后一排孔爆破后坡面平整，最后一排孔的排距可适当缩小，炮孔底部视岩性不同可装一定量密度较大的炸药，有利于加强底部破碎和减少爆破后冲。（四）选择合理的微差间隔时间合理的微差间隔时间可以改善破碎质量，降低地震效应。（五）采用留碴爆破留碴爆破能改善破碎质量，控制爆堆宽度效果显著。（六）加强穿爆技术管理应根据现场具体条件进行爆破设计施工，爆区由测量放线按要求孔位穿孔。装药时逐孔对装药情况进行检查核实，控制好前排孔的装药高度。加强爆破后分析，不断总结经验改进工作，提高爆破效果。总之，爆堆宽度的控制，应根据现场的具体情况进行控制和调整。12米爆破时现场测定旁冲为15m左右，则24m爆破时，暂定爆堆旁冲宽度为30m。与组合台阶开采相比较，并段爆破分段采装的电铲作业方式同组合台阶开采方式基本一致，这里介绍以下两种。两台电铲在同一水平作业图3.26两台电铲尾随作业示意图（2）两台电铲在相邻两个水平作业图3.27两台电铲在相邻两个水平作业示意图电铲在进行并段的第二个水平采掘时既可以纵采也可以横采，即第二个水平采掘可按陡帮开采方式进行采掘，也可按缓帮开采的方式进行采掘。并段开采时的初始工作面的准备方法考虑分区穿爆采掘工艺的采掘方法。如图3.28所示。图3.28两台电铲在相邻两个水平作业示意图并段爆破分段采装开采与组合台阶开采相比，采装及运输变化不大，变化的只是并段爆破时，两个台阶合并一起爆破，提高了钻机的效率。运输时，两个台阶间的连接通路合并为一个。其工艺配合规律如图3.29所示。图3.29并段爆破分段采装示意图1.钻机调动陡帮开采钻机同电铲能力相匹配时，钻机在陡帮开采条件下年调动次数随一次推进宽度增加而减少。工艺配合得当，钻机在同以水平内无水平调动。如果钻机效率高，电铲效率低，造成钻机过剩，调动次数增加。如Ⅰ台阶穿爆完成后，钻机调到其他水平工作一个多月又回到Ⅰ台阶钻孔，这就增加了钻机上下调动次数。同时由于钻机效率过高，有时一个台阶只需要一台钻机和两台电铲匹配，所以也增加了钻机水平调动次数。但是由于陡帮开采的顺序性，其调动次数并不比缓帮开采多。2.电铲调动陡帮开采电铲调动与采掘工艺关系极为密切。资料表明：如果一组台阶内配置的钻机、电铲的生产能力与该组台阶一次循环推进量相匹配，则设备调动就少【21】。基本上是完成一组台阶推进循环后，下一个循环开始时，才出现设备调动的问题。实际上，这种机会极少。陡帮开采时只有一次推进完成后，电铲才有多台阶的垂直向上调动，在推进过程中调动次数较少，所以陡帮开采电铲调动次数比缓帮开采少。陡帮开采是采矿工艺的改革，随之而来的应有相应的生产、计划管理与其适应。（1）计划管理陡帮开采的计划管理同缓帮开采一样，都必须依据国家和企业主管部门的要求，编制长远规划（五年或十年规划）；根据长远规划编制年计划；由年计划编制季计划和月计划。从而保证年计划和长远规划的落实。但陡帮开采和缓帮开采又都有各自的特点。陡帮与缓帮开采不同点是，陡帮开采必须按规定的开采参数（一组台阶数、工作平盘宽度、临时非工作平盘宽度、推进宽度、运输坑线位置等）和开采工艺方法编制计划。因此，计划编制约束条件较多，计划执行与管理较严格，计划的滚动性较强。（2）生产管理陡帮开采，由于穿爆、采掘、运输和修养路以及供电等工序都集中在陡帮开采台阶内的一个或二个台阶上，作业集中，便于集中管理，给生产管理带来一定的方便条件。同时也给生产管理提出了一些新的要求，分述如下：=1\*GB3①严格按坑线位置施工。坑线移设时，必须按设计的坑线位置施工，否则将直接影响汽车运输和工作帮坡角。如果有一条坑线纵向位置与设计不符，出现串动时，就会牵动整个坑线系统位置,甚至会造成下一个台阶的坑线因受工作线长度限制而改变方向。这不仅有可能增加运距，同时由于在同一横剖面上坑线条数增加，而降低工作帮坡角。如果坑线发生横向串动或者坑线过宽，同样会导致工作帮坡角变缓。在这种情况下，有可能导致水平推进速度满足不了采场年下降速度的要求而影响采场延深，所以一定要严格按设计的位置和宽度挖掘坑线。=2\*GB3②严格按推进宽度作业。在生产中，穿爆、采掘一定要按计划到位，否则会使临时非工作平盘宽度过窄或过宽。如果过窄，爆破下抛量或埋道量将要增大而影响运输；过宽时，推进宽度不足，不仅工作帮坡角变缓，而且也会影响采场延深。=3\*GB3③设备能力匹配。陡帮开采，如果钻机和电铲的生产能力匹配得当，效率高而又波动不大时，其工艺配合简单，设备调动次数少，便于生产管理。否则将会给生产管理带来一定的难度。=4\*GB3④重点部位集中作业。端部采区一般为重点部位，钻机和电铲在该部位为相向作业，为缩短作业时间，可采取分条采掘、双铲尾随作业等办法加速采掘，尽快给钻机准备穿孔作业面。钻机采用集中作业、分条作业，尽快给电铲创造提前采掘条件，以此保证组合台阶开采的正常时空关系，保证矿山正常生产。=5\*GB3⑤坑线堵塞及时处理。陡帮开采有爆破埋坑线的问题，爆破后应及时清除坑线堵塞，保证运输作业正常。埋道量少时，可用推土机或前装机清理路面，少则十几分钟，多则2-3个小时就可使坑线恢复正常通车。埋道量大时，必须用电铲倒推清理路面或用电铲装车方式清理路面。=6\*GB3⑥加强安全管理。陡帮开采存在着汽车作业的安全问题。当电铲在台阶边缘处采掘时，为了汽车在折返调车时的安全，沿工作台阶边缘一定要设置汽车安全挡堆，安全挡堆是电铲采掘时预留出来的，用推土机修整一下即成，不需要专门堆砌。总之，陡帮开采的计划与生产管理程序、管理方法与缓帮基本相同。从管理水平上讲，陡帮开采管理不是复杂化了，而是严格化了。事实上，无论陡缓帮开采，从执行计划的严肃性来讲，都应该是严格的。工作帮坡角是露天开采的一个重要参数，它取决于工作帮结构，尤其是在陡工作帮开采条件下，以何种结构参数及其工作帮坡角进行采剥,才能适应矿山开采技术条件、装备水平、管理水平和开采强度的要求并力求经济效果最好。这是“工作帮坡角优化”所要解决的核心问题。生产中的工作帮坡角因时因地而不同，无时不在变动，这是不同时期的采剥状态造成的。因此，从时间观念观察工作帮坡角将永远是变动的。然而对于某一组确定的工作帮坡角结构参数而言又必有其相应的工作帮坡角，这是结构所确定的采剥规律。无论时间如何推移，只要结构参数不变，就必须按结构限定的工作帮坡角发展。本课题研究正是立足于这一观点，去探索工作帮结构及其帮坡角内在规律【22】。为了寻求开采全过程中经济合理的结构参数与工作帮坡角、工作帮结构与工作帮坡角的内在规律，为编制工程实施计划提供依据，需要包括以下五个方面的内容：1）矿床模型的建立；2）陡帮开采全过程模拟；3）作业费用模型；4）剥岩量的调整与优化分配；5）工作帮坡角优化分析。其过程如图4.1所示。本课题由于人员和相关条件的限制，这方面的工作开展存在一定的困难，这里只叙述工作帮坡角优化的原理。图4.1工作帮坡角优化分析逻辑图这个需要根据西矿矿床的特点和模拟开采的需要，建立西矿的分层条带矿床模型。大致做法是沿矿体走向间隔50米作若干假想面，各剖面与境界内矿石和岩石的相交点，作为矿床模型的数据点，按各水平形成矩阵作为矿床模型的数据文件存入计算机。进而形成西矿的矿床模型。题由于人员和相关条件的限制，这方面的工作开展存在一定的困难，暂不叙述。在研究陡帮开采时，对构成工作帮坡角的、、、、等五个参数中，视和为定值。所以在研究工作帮坡角和工作帮结构时，只研究、、三个参数的变化。三个变化参数取一定范围内的合适值，由此范围组成多个工作帮坡角和工作帮坡结构的方案，按采掘设备所能实现的推进强度和采掘作业条件这两个方面进行可行性检验。由于陡帮开采改变了以往缓帮宽平台开采的概念，采用陡帮开采的作业方式，提高了工作帮坡角，推迟了剥离洪峰，可以达到较好的经济效益。但是，提高了工作帮坡角，由于工作平台的缩小或一组台阶个数的增加，使作业条件变差，采装运设备的效率及生产费用有所变化。因此，工作帮坡角的大小和剥岩成本两者之间存在着相互制约的关系，这样就必须进行技术上和经济上的比较，确定最佳的工作帮坡角以及选择合理的工作帮结构参数。设备效率和作业费用随着台阶结构参数的变化而变化。推进宽度的宽窄，一组台阶个数的多少，影响设备调动的次数，引起设备效率和作业模型的变化；非工作平台宽度的宽窄和一组台阶个数的多少，影响爆破下抛量，引起运输费用的变化。1)陡帮开采与延深、推进的关系陡帮开采的推进并非一定是一年推进一个循环或下降一个水平。推进速度与工作帮结构参数密切相关。在开采过程中，必须用相应的水平推进速度来保证矿山工程的延深速度。陡帮开采推进速度与延深速度的关系仍可用下式表示：（式4.1）其中：（式4.2）（式4.3）式中：——水平推进速度，米；