露天开采程序及开拓运输系统

露天开采程序及开拓运输系统

第一节开采程序

露天矿开采程序系指完成露天矿采场内岩石剥离和矿石采出的程序，或称剥采程序，即采剥工程在时间和空间上发展变化方式及其相互关系。诸如采剥工程台阶划分，采剥工程初始位置确定，采剥工程水平推进、垂直延深方式，工作帮构成等。

一、采剥工程台阶划分及台阶开采程序

在露天开采过程中，为了适应工艺设备的作业要求，提高开采强度，将开采境界内的矿石、土岩划分成具有一定高度的台阶进行开采，各台阶的矿山工程包括掘沟、扩邦工程，通过台阶的掘沟实现矿山工程的延深，并建立运输联系和形成台阶工作线，然后以一定的采宽进行扩邦推进，完成台阶的全部矿山工程。掘沟和扩邦是露天矿山工程发展的主要方式。

台阶式开采是露天开采的主要特征，台阶的划分应利于发挥设备效率，提高矿石质量和保证作业安全。对勺斗斗容3～4m3的单斗挖掘机，台阶高度一般为10～15m；大规格的挖掘机，台阶高度可达20～25m；大型倒堆挖掘机，台阶高度可在30m以上；轮斗挖掘机，组合台阶高度可达40～50m。

台阶可按水平面和倾斜面划分，分别称水平分层和倾斜分层。水平分层有利于采掘、运输设备作业，多采用此方式；在某些缓倾斜层状矿床条件下，为了便于选采，减少顶底板岩石的混入和矿石损失，提高矿石质量，可采用倾斜分层开采（图33-1）。

图33-1

图33-1

为了发挥设备效率，划归同一台阶的矿岩应力求一致。例如，不应把表土、不需爆破的软岩与需要爆破的硬岩划归同一台阶，同时尽量使矿岩分家，便于选采。

台阶的开采程序一般为：开掘倾斜的出入沟，开掘开段沟，进行扩帮，如图33-2。

1．首先开掘自地表±0标高到第一台阶下部平盘的出入沟AB（图33-2a）；

2．沿台阶全长开掘开段沟BC（图33-2b）；

3．在开段沟旁建立采掘工作面，在工作面推进过程中，逐条开采采掘带，每采一个采掘带，使工作线推出一个采宽。在上部台阶工作线推出一定

宽度后，下部台阶才能开掘出入沟和开端沟（图33-2c、d），然后下台阶

工作线则相应地继续推进。

出入沟—开段沟—扩帮，这是露天矿剥采工程发展的一般程序，亦是台阶的一般开采程序。相邻台阶的工作线发展在空间上则存在一定的制约关系。

图33-2

二、工作帮及其推进

（一）开段沟初始位置确定

第一个台阶的开段沟位置为初始拉沟位置，一般选在覆盖物薄、矿体厚度大、工程地质水文地质条件简单的矿体露头处，可设在矿体底板，也可设在矿体顶板。沟道可以平行矿体走向，也可以平行矿体倾向，如图33-3中的（a ）和（b ）。沟道亦可呈圈形布置，如图33-3中的（c ）和（d ）。

图33-3

（二）工作帮构成

露天矿通常以多个剥离台阶和采矿台阶进行开采，工作帮由一些开采台阶的坡面和平盘构成。工作帮形态决定于组成工作帮的各台阶之间的相互位置，亦即决定于台阶高度、平盘宽度等开采参数，通常可用工作帮坡角的大小来表示。工作帮坡角为通过工作帮最上和最下一个台阶坡底线的平面与水平面的夹角，如图（图33-4），工作帮坡角?可计算如下：

5

544433322215432cot cot cot cot arctan a h B a h B a h B a h B h h h h ++++++++++=? 式中 ?—工作帮坡角，(°)；

2h ，3h ，4h ，5h ——各台阶高度，m ；

1B ，2B ，3B ，4B ——各台阶工作平盘宽度，m ；

2α，3α，4α，5α——各台阶坡面角，(°) 。

图33-4

（三）工作帮推进

工作帮为工作台阶的总体，其推进与台阶开采程序密切相关。工作帮的推进方式，体现了各工作台阶的推进和台阶之间相互配合相互制约的关系。

1、工作帮推进的动态变化和约束条件

工作帮正常推进时工作平盘宽度B不得小于最小工作平盘宽度B min，工作帮坡角ф不得大于最大工作帮坡角фmax。因此，工作帮正常推进的必要条件为：

B≥B min 或ф≤фmax

工作帮可以平行推进或扇形推进，工作帮平行推进时，通常各台阶的工作线接近于平行，推进方向亦接近一致，使得工作帮上各台阶相互协调推进。

工作帮扇形推进时，各台阶工作线通常围绕一个回转中枢旋转，工作线呈放射状（图33-5），工作平盘宽度由小到大不等。但是最窄处仍不小于最小工作平盘宽度。

图33-5

2、工作帮推进方向

工作帮的推进方向与矿山工程的起始位置有关，亦即与各台阶的开段沟位置有关。

工作帮扇形推进时，推进方向是变化的。通常回绕某一回转中枢旋转，逆时针或顺时针推进，如图33-5。

工作帮平行推进时，则有一定的推进方向，可能的推进方向如下：

⑴工作线沿走向布置，工作帮向一侧推进

①工作帮向顶帮推进。图33-6表示在底帮拉沟，向顶帮推进的情况。

图33-6

②工作帮向底帮推进。图33-6-（d）为顶帮拉沟，工作帮有顶帮向底帮推进的情况。

⑵工作线沿走向布置，在露天矿中间拉沟向两侧推进

①沿矿体顶板拉沟，向两侧推进，如图33-7。

如图33-7

②急倾斜矿体，沿底板拉沟，工作帮往两侧推进，较底帮拉沟单向推进矿山基建量少，建矿时间短，有一定使用价值。

③急倾斜矿体，沿矿体中间拉沟，矿山基建工程量最小，特别是矿体较厚的情况下，经济效果是比较好的。

⑶工作线横向布置，在露天矿一侧端帮掘沟，工作帮向另一侧推进，如图33-8分别为急倾斜、倾斜和缓倾斜矿体露天矿的工作帮推进情况。

图33-8

⑷工作线横向布置，在露天矿中间拉沟，工作帮向两侧端帮推进，如图33-9，这种推进方式可利用露天矿中间覆盖层薄、矿体厚和品位高的部位掘沟建立工作线，工作帮向两侧推进，以提高经济效益。它也有利于提高露天矿开采强度，增加矿石产量。

⑸工作线圈形布置，工作帮由外向内或由内向外推进，如图33-10

三、矿山工程延深方向及程序

1、矿山工程延伸方向

在露天矿物达到最深水平之前，随着工作帮的推进，矿山工程不断延深。延

深方向可以因延深水平不同而有所变化。

露天矿某开采水平的延深方向，是指该水平开段沟相对于上一水平开段沟位置的错动方向，可用延深角θ表示。延深角即延深方向与工作线推进方向的夹角，如图33-11中，第二水平的延深角为θ1，第5、6水平的延深角为θ2

2、矿山工程延深程序

露天矿矿山工程延深程序，也就是露天矿新水平的开拓准备程序。它决定于矿床埋藏条件、露天矿形状、采用的开采工艺和开拓运输系统等因素。下面着重分析铁道运输和汽车运输条件下的新水平开拓准备程序。

（1）铁道运输的露天矿

1）固定坑线开拓运输系统

图15-24所示为铁道固定折返坑线开拓运输系统，设有运输坑线的一侧边帮是固定的，另一侧为工作帮，其工作线不断推进。当-h工作水平的工作线推出一定宽度以后，可以掘进从-h水平到-2h水平的入车沟和-2h水平的开段沟（图

15-24b），掘完-2h水平开段沟的全部长度后（图15-24c），就完成了-2h水平的开拓准备工作。

其一般程序为：

①上部水平工作线向前推进，通常称推帮，为掘进新水平的入车沟和开段沟创造条件。工作线的推进量l由图15-24中1-1剖面可求得为

l≥B mi n＋h（cotθ+cotα），m （15-8）式中B mi

n——最小平盘宽度，m；

h——新开拓准备水平的台阶高度，m；

θ——剥采工程延深角，（°）；

α——台阶坡面角，（°）；

②新水平（图15-24c中的-2h水平）开段沟全长拉通之前，需创造其上部-h水平的平盘线路与固定干线的联接条件，因而应加大-h水平一端的括帮推进量，以建立从固定干线-h水平平盘的端部环线。

③掘进新水平的入车沟和开段沟

当露天矿较长的情况下，为保证新水平入车沟和开段沟的掘进，上部水平的工作线推进可先集中在某一段上，随着新水平开段沟延长，然后再推进其它部分工作线。

2）移动坑线

图15-26，工作帮一侧设有运输坑线，整个台阶被划分为二个分台阶，俗称三角掌子。随着工作帮上、下二分台阶工作线推出一定距离之后，开始掘进-h 到-2h水平的入车沟和-2h水平的开段沟（图15-26b）。接着将上述沟道位于工作帮一侧的工作线推进一定距离后，开始向着反方向延长-2h水平的开段沟，如图15-26c。

移动坑线开拓运输系统情况下，由于存在干线平盘，上部水平为保证新水平开拓准备所需的工作线推进量较大，其值可计算如下（见图15-26剖面1-1）：l≥B mi n＋B T mi n +h（cotθ+cotα）

式中B T mi

n——干线平盘最小允许宽度，m；

2 汽车运输露天矿

由于汽车运输机动灵活，具有爬坡能力大，曲线半径小、线路敷设方便和要求的工作线短等特点，因而与铁道运输条件相比，其新水平延深程序具有以下特点：

1）掘沟多用于平装车，因汽车运输时平装车一亦能发挥设备效率；

2）不存在因设置环线而加大推帮量的问题；

3）可在爆松矿岩上设置移动坑线，如图15-27；

4）开段沟无须很长，仅掘出一基坑即可建立台阶工作线，如图15-27、图15-28。由于汽车运输要求的工作线短，还可设置多出入沟和工作面，加快延深。

图15-27表示分期扩帮横采时的新水平延深程序。为保证新水平开拓准备，上部水平的工作线应有一纵向推进量l x 和横向推进量l y ，其值可按下式计算：

l x ≥m h l D i

h x b ,cot 2θ+++ l y ≥b y +h （cot θy +cot α），m

式中 i ——公路纵坡，%；

D ——平台长度， D ≥2R+B+2c ，m ；

R ——汽车转弯半径，m ；

B ——汽车车体宽度，m ；

c ——汽车距坡底距离，m ；

x θ——纵向延深角，（°）；

b l ——超前富余量，m ；

θy ——横向延深角，（°）；

b y ——运输平台宽度，m

四、影响开采程序的因素

影响开采程序选择的因素有：煤岩赋存条件；露天矿场的尺寸和几何形状；工艺类型；开拓方式以及煤产量、质量、投产时间、达产时间等。

煤岩赋存条件主要为：煤层倾角大小；覆盖层厚薄；走向长度等。在开采程序选择时，应考虑可否形成内排土场，因为这既是近距离排土，又是少占地的措施。走向长度（或倾向长度）与工作线长度、产量有关。根据赋存条件和矿场尺寸、可以考虑台阶划分及台阶高度、设备的选型、开拓运输系统及第一个沟位的确定。同一个矿山、所选的开采程序、工艺系统、开拓方式不同，将有不同的经济技术效果。所以，决定方案时，应拟多个方案从中择优。

第二节开拓运输系统

露天矿开拓是指建立地表面与露天矿场内各个工作水平以及各工作水平之间的矿岩运输通道，以保证露天矿场的生产运输，并及时准备出新的工作水平。概括说来，露天矿床开拓所涉及的对象是运输设备与运输通道(俗称运输坑线)，研究的内容是针对所选定的运输设备及运输形式，确定整个矿床开采过程中运输坑线的布置形式（即坑线的形式、位置和数量，平面形式及其固定性等特征），以建立起开发矿床所必须的运输线路。由此可见，露天开拓设计是露天开采设计中带有全局性的大问题，其一方面受所圈定露天开采境界的影响，另一方面影响着基建工程量、基建投资和基建时间，影响着矿山生产能力、矿石损失和贫化、生产的可靠性与均衡性以及生产成本。开拓系统一旦形成，若再想改造，则会严重影响生产，造成很大的经济损失。因此，开拓方案设计是一项深入细致的工作。

开拓方案设计应从矿床赋存的自然条件出发，结合所选择的生产工艺系统以及矿床开采程序合理地选择开拓方案，使之能够确保设计的矿山建设速度，满足设计的矿石产量和质量要求；力争投产早、达产快、基建投资少、生产经营费用低。设计中应尽可能采用先进的技术设备，以提高生产的可靠性与生产效率。

影响开拓方案设计的主要因素有：

(1)矿床赋存的自然条件。这是拟定可行开拓方案的主导因素。

(2)开采技术条件。包括露天开采境界的尺寸、生产能力、工艺设备类型、矿床开采程序、矿区总平面布局等。

(3)经济因素。包括国家有关的技术、经济政策，设备的供给条件，矿山建设速度及矿石产量的要求，矿山开采年限等。

按开拓坑线布局的位置特征分类，露天开拓方案可分为固定坑线开拓与移动

坑线开拓；按开拓坑线的布局形式特征，又可分为直进式坑线开拓、迂回折返式坑线开拓、螺旋式坑线开拓与联合式坑线开拓。依据所选取的运输设备，露天开拓方法可归为以下几种：

(1) 公路运输开拓；

(2) 铁路运输开拓；

(3) 胶带机运输开拓；

(4) 联合运输开拓。

其中联合运输开拓常有以下几种形式：

(1) 公路-铁路联合开拓；

(2) 公路(铁路)-破碎站-胶带输送机联合开拓；

(3) 公路(铁路)-箕斗联合运输开拓；

(4) 公路(铁路)-平硐溜井联合运输开拓(简称平硐溜井开拓)。

通过开掘的坑道，把矿场内台阶与台阶、各台阶与地面设施（包括外排土场、选煤厂、地面生产系统）联系起来的坑道称坑道系统。坑道内铺设运输线路时称开拓运输系统。所以，其目的是建立地面到各台阶的矿岩通道，并及时准备出新的工作水平。

开拓沟道及铺设的运输线路形式由所选运输设备决定。运输设备及运输成本占设备总投资和总成本比重较大。因此，建立合理的开拓运输系统是很重要的。区分露天矿开拓运输系统特征的主要依据是露天矿的基本运输方式，进一步区分该系统的特点则以坑道形式、坑道位置、坑道数量、平面形状及其固定性与否来进行。因此，露天矿开拓以其运输方式作为分类依据，参考开拓沟道的主要特征和一般特征，具体分类见表1

表1 开拓运输系统分类

注：溜道是利用重力溜放矿岩的运输道路（包括露天明溜槽及地下溜井）的统称。它存在的坡度一般较斜坡提升机道还要大。

一、铁道运输开拓系统

铁道运输开拓在我国露天煤矿中占有较大比重，如抚顺西露天、阜新海州露天、新邱露天、新疆三道岭露天、河南义马北露天煤矿等。该开拓系统运量大，成本低，运输设备及线路结构坚实，能适应各种气候条件下作业。但爬坡能力低，要求的曲线半径大，基建工程量大，新水平开拓延深工程缓慢为其不足。

铁道运输分准轨和窄轨两种。上述大中型露天矿均采用准轨（轨距1435㎜）运输。对运量小，矿场尺寸大小，运距小的型矿山，可采用窄轨运输，如云南可保煤矿。

(一)坑线布置方式

坑线布置形式见图7，从纵断面图可以看出：台阶高度为h，L为露天矿底长，i为限制坡度，l为通过站长度，l c为折返站长度。列车从地表经过三次直接到折返站，由于受采场长度的限制，必须折返到达第4个台阶。其中，直接式列车运行条件好，而采用折返式时，列车需要停车再启动向反向运行，故在走向长度允许条件下，尽可能采用直进式。但由于受矿场长度限制不可避免要采用折返式。所以，在铁路开拓矿山，无论是山坡露天还是凹陷露天，坑线布置一般是直进和折返两种方式的结合。此外，为了提高列车运行速度，当上部台阶到边界后，可以废除原折返坑线，而全部采用沿边界直进延深，形成螺旋式坑线（图8）。图示表明，原来开拓方式是一台阶一折返，当上部几个台阶到边界后，坑线在直进到第二个台阶后，沿端帮（图上点直线）继续直进到?—24，再直进到?—36，?—48。下部未到边界的台阶，仍按折返式延深。

（二）坑线固定性

坑线设于非工作帮上称固定坑线，坑线设于工作帮上称移动坑线。固定坑线在生产中不受工作帮推进的影响，生产中不需要定期移设，线路质量好。但矿床

埋藏条件及水文、工程地质条件要清楚，并应有确定的最终边帮位置。移动坑线在一定条件下采用也有许多优点，如抚顺西露天煤矿和义马北露天煤矿。它可以减少运距；减少基建工程量；减少初期生产剥采比从而降低投资和成本；利于新水平准备等。但由于移动坑线穿过的台阶被斜切成上下两段，在纵断面上呈“三角台阶”（图9）。“三角台阶”加大了穿爆作业量和炸药消耗、电铲勺斗满斗率下降，干线质量较差，移设线路时影响生产等。

（三）多坑线系统

当露天矿场煤岩运量很大，一个坑线系统的运输能力不够或煤岩流向不一致时，可以设立两个或两个以上的沟道系统来满足不同需要，如抚顺西露天煤矿曾采用三组坑线系统（图10）。该矿北帮（工作帮）建立移动坑线系统，将岩石运往西排土场；南帮东部是固定坑线，将此处岩石运至东排土场；南帮窄轨—箕斗提升用来运煤，形成煤岩分运。哈密露天矿亦是铁路运输方式的多坑线系统。南帮（顶帮）设有移动坑线的东部沟、中部沟和后期的西部沟用来剥离；煤由北帮（底帮）铺设“之”字形折返固定坑线运输系统运往卸煤站，以提高线路质量，形成煤岩分流分运。

在运输量很大的长深露天矿开采时，还可成对建立坑线系统，分别通行空重列车（图11）。空车坑线可设置较重车坑线更大的坡度。