露天矿山采矿概论.docx
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露天矿山采矿概论
露天矿山采矿概论
第一章地质基本知识----------------------------
第一节地球概述-------------------------------
第二节地质作用及地质构造---------------------
第三节矿物与岩石-----------------------------
第四节与矿床相关的基本概念-------------------
第二章露天开采--------------------------------
第一节概述-----------------------------------
第二节开采台阶和露天采矿场构成---------------
第三节山坡露天矿和凹陷露天矿的概念-----------
第四节露天采矿的一般程序---------------------
第五节露天采矿与剥离的关系-------------------
第六节剥采比与露天开采境界-------------------
第三章露天矿床开拓----------------------------
第一节公路运输开拓---------------------------
第二节铁路运输开拓---------------------------
第三节胶带运输开拓---------------------------
第四节斜坡卷扬开拓---------------------------
第五节平峒溜道开拓---------------------------
第四章露天矿采掘工艺---------------------------
第一节穿孔爆破-------------------------------
第二节采装工作-------------------------------
第三节运输工作-------------------------------
第四节排土恢复-------------------------------
第一章地质基本知识
第一节地球概述
地球是太阳系九大行星之一。
地球表面分为海洋和陆地。
海洋占地球面积的70.8%,陆地占29.2%。
地球部根据莫霍不连续面和古登堡不连续面划分为地壳、地幔和地核三个圈层。
地壳,是地球表面的坚硬外壳,由岩石组成。
地壳是地壳运动、地震作用、火山爆发以及其他地质现象发生的场所。
目前人们开采的各种矿产资源就在这里形成和蕴藏。
所以地壳是地质学的主要研究对象。
第二节地质作用及地质构造
自然界引起地壳组成物质、地壳构造和地表形态发生变化的自然作用叫地质作用。
地质作用按其产生的动力不同分为力地质作用和外力地质作用。
一、力地质作用
由地球部动力引起地壳物质成分、部结构和地表形态发生变化的地质作用叫力地质作用,其表现形式为地壳运动、岩浆活动、变质作用和地震。
1、地壳运动
2、岩浆活动
3、变质作用
4、地震作用
二、外力地质作用
地壳表层岩石在地球外部能量作用下破碎、迁移和富集形成沉积岩和矿产,这种地质作用叫外力地质作用。
1、风化作用
2、剥蚀作用
3、搬运作用
4、沉积作用
5、固结成岩作用
三地质构造
未经地壳运动影响的沉积岩层呈水平产出,经地壳运动作用后,其原积形态发生倾斜,弯曲,断裂等形态各样的地质构造。
1、岩层产状。
地壳中岩层的空间产出状态叫岩层产状。
岩层产状用岩层走向、倾向和倾角表示。
ABCD——水平面AB——走向线
BH——倾斜线BC——倾向α——倾角
2、褶皱构造。
岩石在水平地壳运动作用下发生塑性变形,被挤成弯弯曲曲,但连续性、完整性仍保持完好的一种地质构造。
岩层褶皱的弯曲部分叫褶曲,向上拱起的褶曲叫背斜,向下弯曲的褶曲叫向斜。
3、断裂构造。
系地壳运动使岩层遭到破坏,发生断裂和错动的一种地质构造。
断裂构造分节理和断层两种。
节理,就是通常所说的裂隙是断裂后不发生错动或错动不明显的断裂构造。
岩层沿断裂面发生明显位移或错动的断裂构造叫断层。
根据断层两侧岩层的相对移动方向,断层有以下几种类型:
1、正断层
2、逆断层
3、平移断层
第三节矿物与岩石
一、矿物
矿物是矿石和岩石的基本组成成分,由一种或数种化学元素组成,有一定的晶体结构和形态以及各自的物理化学性能。
二、岩石
岩石是组成地壳的物质基础,按其成因分为三大类。
1、岩浆岩。
由岩浆冷凝而成。
2、沉积岩。
由一种次生岩石在外力作用下沉积、固结而成。
3、变质岩。
地壳中的先成岩经变质作用而形成的岩石
第四节与矿床相关的基本概念
一、矿石、废石的概念
1、矿石:
一种有用成分含量达到了一定技术经济条件下能有所利用的特殊岩石。
2、矿体:
地壳中数量和质量都达到工业要求,具有开采价值的矿石自然聚积体叫矿体。
矿体是具有一定形状、大小和产状的地质体,是组成矿床的基本单位。
3、矿床:
由一个或数个矿体组成。
矿床按成矿作用分生矿床、外生矿床和变质矿床。
4、围岩:
5、夹石:
6、废石:
二、矿石品位
三、矿石和围岩的性质
第二章露天开采
第一节概述
矿床开采分为地下开采、海洋开采和露天开采。
露天开采就是从地表直接采出有用矿物的开采方法。
有机械开采和水力开采两种。
第二节开采台阶和露天采矿场构成
露天采矿,为便于穿孔、采装和运输,在开采围,按一定高度将矿体、围岩划成水平层,保持一定超前距离自上而下逐层开采。
在开采过程中,逐步形成阶梯状工作面,这种工作面叫台阶,也称阶段。
台阶是露天采矿场的基本组成单位,是独立的剥离单元。
如图:
台阶的上部平台和下部平台是相对的。
一个台阶的上部平台又是其上一台阶的下部平台。
每个台阶通常以其下部台阶标高命名,习惯上吧台阶叫做xx水平。
台阶的坡面石台阶的临空倾斜面。
其坡面的大小关系着作业的安全,一般为55°-75°,视矿岩稳固程度与台阶高度而定。
最终边帮:
露天采矿场四周,采矿作业已经结束的台阶平台和台阶坡面的总体表面,叫做露天采矿场的非工作帮也叫最终边帮。
非工作帮的位置固定不变,故边帮必须稳定。
非工作帮的平台视用途不同分安全平台、清扫平台、运输平台。
安全平台宽约为台阶高度的1/3,一般为2---4m。
用于阻挡和容纳边坡上掉落的岩石,调节缓和边坡角,以保证最终边帮的稳定性和下部各水平的作业安全。
清扫平台宽6m左右,每隔3——4个台阶设置一个既起安全作用,又便于装载,运输设备清理堆积在安全平台的岩渣。
最终帮坡面与地表相交的闭合曲线叫露天采矿场的上部最终境界线。
最终帮坡面与露天采矿场底平面相交的闭合曲线叫露天采矿场的下部最终境界线。
下部最终境界线和最终开采深度所圈定的围叫露天采矿场的最终境界。
第三节山坡露天矿和凹陷露天矿的概念
根据矿体产状和地形条件,上部分以山坡露天开采,下部分以凹陷露天开采,两者的划分以地表封闭圈为界,此圈以上为山坡露天矿,此圈以下为凹陷露天矿。
第四节露天采矿的一般程序
1、地面准备
2、矿床疏干和防排水
3、矿山基建工程
4、剥离和采矿
5、地表恢复
露天矿投产前,必须完成相应的基建工程,如矿床开拓、表土剥离、建立排土场,铺设运输线路等。
矿床开拓,就是掘出入沟和开段沟。
前者是建立地面与开采水平之间或各开采水平之间的运输联系而掘进的倾斜沟道。
后者是在各开采水平为开辟剥离、采矿工作台阶而掘进的水平沟道,是各水平的初始开采工作线。
所谓剥离,就是揭露矿体,挖掉覆盖在矿体上面的表土及矿体上、下盘部分固岩。
掘沟、剥离、采矿是露天生产过程中三大重要矿山工程,其生产工艺环节基本相同,都包括穿爆、采装和运输。
第五节露天采矿与剥离的关系
露天采矿场是一个空间形状复杂的几何体,每个采矿场的形状、大小及境界的矿岩量都不相同。
为确保露天矿以一定生产能力正常、持续稳定、掘沟、剥离和采矿。
在同一开采水平,必须顺序进行。
上下水平之间,掘沟、剥离和采矿在时间和空间上都必须保持适当的超前关系。
剥离是为了采矿,剥离必须超前采矿。
主要归纳为“采剥并举,剥离先行”八个字。
第六节剥采比与露天开采境界
露天开采围叫露天开采境界,由露天采矿场的底平面边界、最终边坡及开采深度三个要素组成。
由露天采矿设计根据地质资料及合理的技术经济指标在矿体中圈出。
露天开采随着矿石的不断采出要剥离大量废石。
如图:
露天开采境界与岩石剥离量和可采量密切相关。
岩石剥离量和可采矿量之比叫剥采比,它表示露天采矿场采出单位矿石需要剥离的岩石量,以m³/m³或t/t为单位。
剥采比是反映露天采矿的重要经济指标。
第三章露天矿床开拓
一、露天矿床开拓就是指按照一定的方式和程序建立地面与采矿场各工作水平之间的运输通道,保证露天矿场正常生产的运输联系,并借助这些通道及时准备出新的生产水平。
二、露天矿床开拓分类
1、铁路运输开拓
2、公路运输开拓
3、平峒溜井开拓
4、胶带运输开拓
5、斜坡卷扬开拓
6、联合开拓法
第一节公路运输开拓
公路运输开拓常用自卸汽车作为运载工具,所以也叫汽车运输开拓。
由于汽车运输机动灵活,能较好地适应露天矿采剥顺序的扩展,有利于强化开采。
因此,汽车运输开拓法在露天矿应用最为广泛。
采用公路运输开拓时,为了建立地面主露天采矿场各工作台阶之间的运输道路,必须开掘一些缓倾斜露天坑道(即出入沟)。
这些坑道在平面上的布置形式有:
1、直进式坑线:
坑线设置在非工作帮上的,称为固定坑线。
设在工作帮上的,称为移动坑线。
2、回返式(折返式)坑线:
汽车在坑线上行驶时,其运行方向有规律的改变,上、下水平回返呈“之”字形。
3、螺旋式坑线:
坑线布置在露天矿场周围的边帮上,呈空间螺旋状。
评价:
优点:
公路运输开拓是现代露天矿应用较多的一种开拓运输方法。
它具有机动灵活、调运方便、爬坡能力大,对线路的技术要求较低,能通过较大的限制坡度和较小的曲率半径;运距短,车辆周转快,有利于提高掘沟速度,开拓坑线较短,可减少开拓工程量和基建投资,缩短基建时间,有利于加快新水平的准备等优点。
缺点:
受气候影响较大,吨公里运费高,轮胎磨损大,维修费用高,燃料消耗量大且价格昂贵。
第二节铁路运输开拓
在40—50年代,铁路运输开拓占世界各国露天矿开拓的统治地位。
但随着世界采矿技术的发展以及重型自卸汽车、电动轮自卸汽车等运输设备的出现,铁路运输开拓法在露天矿的应用日趋减少。
采用铁路运输开拓时,开拓坑道的布置形式亦可分为直进式,折返式和螺旋式三种。
由于列车的爬坡能力小,从一个台阶到另一个台阶的坑线较长,转弯时所需曲率半径又大,而露天矿场的平面尺寸是有限的,因此,在实际工作中,以折返路线应用最广。
评价:
优点:
铁路运输开拓具有运输能力大,运输设备坚固耐用,合理运距长,吨公里运费及年经营费用低等优点。
缺点:
基建工程量大,辅助设施多,对线路(加坡度、曲线半径等)要求严格,工作灵活性差,运输组织和调度工作复杂,新水平准备困难等。
第三节胶带运输开拓
露天矿常用的胶带运输开拓系统有:
1、移动式破碎机——胶带运输开拓系统
2、汽车——固定(半固定)破碎机——斜井胶带运输机开拓
3、汽车——半固定破碎机——胶带运输开拓
评价:
胶带运输开拓具有运输能力大,爬坡能力强(10—16),运距短,劳动生产率高,成本低等优点。
第四节斜坡卷扬开拓
斜坡卷扬开拓是采用综合的开拓方式,它的特点是在采矿场用汽车或其他运输设备将矿运到站,在卸入斜坡道上的提升设备(箕斗或串车),然后提升到地面矿仓卸载。
这种开拓运输方式只是露天矿山整个运输系统的一个中间部分,不能自成体系,必须同其他运输方式相配合,才能形成完整的运输系统。
第五节平峒溜道开拓
这种开拓方式同样不能单独完成矿岩的运输任务,常与汽车运输或容轨运输配合,组成露天矿山完整的运输系统。
在采矿场,一般采用汽车或其他运输设备将矿石运到卸矿平台卸入溜道,矿石靠自重溜到下部的放矿口,然后用机车或其他运输设备,由平峒运到地面。
这种开拓法专门用于山坡露天矿。
平峒溜道开拓按溜道的不同形式又可分为:
平峒溜井开拓,平峒溜槽开拓和平峒溜槽溜井开拓三种。
第四章露天矿采掘工艺
第一节穿孔爆破
露天矿,特别是开采坚硬矿岩的矿山,穿孔爆破是极其重要的生产环节,它不仅直接影响采掘设备效率的发挥,而且往往是露天矿的薄弱环节。
一、穿孔
露天矿穿孔,大中型矿山主要用潜孔钻机和牙轮钻机,小型矿山使用凿岩台车。
潜孔钻机是一种回转——冲击式穿孔设备,由冲击器、回转推进机构、提升机构、钻架、除尘装置等组成,用于中硬和坚硬矿岩穿孔。
牙轮钻机是一种以三牙轮钻头破岩穿孔,压气排碴的回转式大型穿孔设备,用于坚硬矿岩穿孔。
二、爆破
爆破作业,为用户和采装作业提供块度适宜的矿岩。
为确保爆破质量,露天矿爆破应满足以下基本要求:
1、爆下的矿岩大小适度。
2、台阶规整,不残留底根,爆堆集中,爆堆高度符合采掘要求。
3、不产生后冲破坏作用,利于后续穿爆作业进行。
4、应有足够的爆破储备,以满足采掘设备连续作业需要。
1、孔径和深度
超深h是深孔超出台阶高度的那一段深度,用于降低装药中心,以便更好的克服台阶底部阻力,爆后不残留根底,超深值一般为0.15—0.35W底
2、底盘抵抗线W底
底盘抵抗线W底是深孔中心到台阶坡底线的水平距离。
W底可按台阶高度的0.6—0.9选取。
3、孔距和排距
孔距a是指同排孔中相邻两孔的中心距离。
排距b是指相邻两排孔之间的垂直距离。
a=mW底
b=(0.9—0.95)W底
式中m为深孔密集系数。
M一般为0.8—1.2
4、炸药单位消耗量q。
kg/m³或kg/t。
5、深孔装药量Q
Q=qW底aH
6、堵塞长度L
L≧(0.7—0.8)W底
7、微差时间和起爆顺序
微差时间一般为25—50ms。
起爆顺序常用的有
①逐排起爆②斜向起爆③波形起爆④中间起爆等。
如图:
第二节采装工作
采装工作就是采装机械从工作面把矿岩自整体中(中等硬度以下的矿岩)或自爆堆中将爆破或适当块度的矿岩装入运输工具,或直接排卸到一定地点的工作。
它是露天开采全部生产过程的中心环节,其效率直接影响矿山生产能力,矿床开采强度及最终经济效益。
一、单斗挖掘机采装
其种类繁多,按铲斗支撑结构分为刚性支撑的挖掘机和挠性支撑的索斗挖掘机。
前者又分为正铲和反铲等形式。
1、单斗挖掘机。
它是国外露天矿使用最多的一种采装设备。
目前,国露天矿的单斗挖掘机斗容一般为1—4m³。
随着采矿设备的发展,4—9m³已大多装备于大中型矿山。
2、索斗挖掘机。
主要用于挖掘不需要爆破的松软岩层和粘土。
3、液压挖掘机。
与普通挖掘机相比具有结构简单、重量轻、外形尺寸小、回转及行走速度快、灵活性大等优点。
但也存在液压元件加工精度要求高,对油的质量要求高,部件易磨损,使用寿命短,维修复杂等缺点。
二、多斗挖掘机
多斗挖掘机是一种连续作业、挖掘与卸载同时进行的高效率采装设备。
三、前装机采装
前装机采装按行速机构可分为轮胎式前装机和履带式前装机两种。
近年来,轮式前装机在露天矿的应用主要有以下几个方面:
1、作为采掘设备,直接向自卸汽车等进行装载。
2、当运距不大时,可用轮式前装机完成采、装、运等作业。
3、在大型露天矿,用于清理台阶、筑路、平整排土场等作业。
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