露天矿山开采工艺与安全技术

露天矿山开采工艺与安全技术东北大学张绍志第一章露天开采•第一节露天开采概况与常用术语一、开采概况二、常用基本术语•第二节露天开采境界确定一、剥采比二、经济合理剥采比的确定三、确定露天开采境界原则四、境界剥采比的计算方法五、露天开采境界的确定方法六、露天矿开采境界合理确定与安全的关系第三节穿孔爆破一、穿孔工作二、爆破工作第四节采装工作一、单斗挖掘机的主要工作参数二、工作面参数目录—第一章1~4节目录—第一章5~9节三、挖掘机生产能力四、采装工作的安全要求•第五节运输工作及安全要求一、自卸汽车行驶基本原理：二、运输计算三、公路分类和构造四、公路的平面要素五、公路纵断要素六、露天矿运输工作的安全要求•第六节露天矿开拓一、公路运输开拓二、掘沟及工作线布置方式三、并段•第七节排土工作一、汽车运输——推土机排土二、排土场复土造田及病害防治•第八节露天矿排水和防毒一、排水工作•二、防毒目录—第二章1~4节第九节露天矿边坡稳定•一、边坡失稳破坏类型•二、影响边坡稳定性的主要因素•三、岩体监测与岩体加固第二章矿山爆破安全技术•第一节炸药爆炸基础一、炸药的爆炸二、炸药的反应形式•第二节常用炸药一、起爆药二、单质猛炸药三、混合猛炸药四、炸药威力的衡量五、炸药的氧平衡设计目录—第二章5~7节•第三节炸药的敏感度一、炸药的起爆能二、炸药的敏感度•第四节起爆方法一、火雷管起爆二、电雷管起爆三、导爆管——雷管起爆四、导爆索起爆五、混合起爆•第五节爆破器材的安全检验和销毁一、工业炸药的质量检验二、报废炸药的销毁三、起爆器材的安全检验•第六节爆破器材安全管理一、爆破器材的贮存二、爆破的器材运输目录—第二章8~9节•第七节爆破公害及安全措施一、爆破地震二、空气冲击波三、飞石四、爆破噪声五、有毒气体六、早爆七、拒爆•第八节爆破事故与预防一、炸药库爆炸二、炸药燃烧和炮烟中毒三、爆炸材料过期造成迟爆•第九节爆破安全基本规定一、爆破工作的基本规定二、安全评估三、装药工作规定四、填塞规定五、爆破警戒与信号六、爆破后的安全检查和处理第一节露天开采概况与常用术语一、开采概况露天开采是用一定的采掘运输设备在敞露的空间从事矿石开采作业。露天开采的特点是：采出矿石需将矿体周围的岩石及覆盖岩层剥掉，通过露天运输通道或地下井巷把矿石或岩石运至地表。这种开采方法广泛用于开采金属矿、冶金辅助原料、建筑材料、化工原料及煤等矿床。基于露天开采是在敞露的空间从事矿床开采作业，与地下开采比较，它有如下特点：（1）相对讲，开采空间受限较小，有利于采用大型机械化设备。机械化、自动化水平较高，可提高矿山开采强度和矿石产量。（2）劳动生产率高。（3）开采成本低，使大规模开采低品位矿石成为可能（4）矿石损失贫化小，有利于地下矿产资源的回收。（5）基建时间短，年产吨矿石的基建投资比地下开采低。（6）对于高温易燃矿体的开采，露天开采也较地下开采较为安全。（7）劳动条件较好，工作也较安全。（8）露天开采过程中可产生较大粉尘，自卸汽车运行中可排放废气，爆破后的岩石因含有害成分对与之接触的大气、水和土壤有一定程度的污染。（9）把大量剥离岩、土排弃到排土场，排土场占地面较大占用山地和农田且局部恶化生态环境。（10）遇冰雪、暴雨等天气，对露天开采有一定影响。根据矿床埋藏的地形条件及开采空间的不同，露天矿可分为山坡露天矿和深凹（凹陷）露天矿。露天开采境界封闭圈以上的为山坡露天矿，封闭圈以下的为深凹露天矿。封闭圈：指露天开采境界与地表相交的封闭的上部界限。台阶：露天开采时，通常需要把矿岩划分成一定厚度的水平分层，自上而下逐层开采，并保持一定的超前关系，在开采过程中各工作水平在空间上构成了阶梯状，每个阶梯就是一个台阶或称为阶段。台阶是进行独立采剥作业的单元体。台阶组成要素如下：（1）台阶上部平盘：是台阶上部的水平面；（2）台阶下部平盘：是台阶下部的水平面；（3）台阶坡面：台阶倾斜的面；（4）台阶坡顶线：为台阶上部平盘与台阶坡面的交线；（5）台阶坡底线：为台阶下部平盘与台阶坡面的交线；二、常用基本术语（6）台阶坡面角（α）：为台阶坡面与台阶下部平盘水平面之间的夹角；（7）台阶高度：台阶上部平盘与下部平盘之间的垂直距离。台阶的命名通常是以该台阶的下部平盘（装运设备站立平盘）的标高来表示。如图1－2所示。图1－1台阶构成要素图1－2台阶的开采和命名1－台阶上部平盘；2－台阶下部平盘；3－台阶坡面4－台阶坡顶；5－台阶坡底线；α－台阶坡面角；h－台阶高度露天开采所形成的采坑、台阶和露天沟道的总和称为露天矿场。开采时，将工作台阶划分成若干条带逐条带顺次开采，每一条带叫采掘带。由结束开采工作的台阶平台、坡面和出入沟底组成的露天矿场的四周表面称为非工作帮或最终边坡（图1－3中的AC、BF）。位于矿体下盘一侧的边帮叫底帮，位于矿体上盘的一侧的边帮叫顶帮，位于矿体走向两端的边帮叫端帮。正在进行开采和将要进行开采的台阶所组成的边帮叫工作帮（图1－3的DF）。通过非工作帮最上一个台阶的坡顶线与最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面叫非工作帮坡面或最终帮坡面（图1－3的AG、BH）。最终帮坡面与水平面的夹角叫最终帮（边）坡角。通过工作帮最上一个台阶的坡底线与最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面叫工作帮坡面。（图1－3中DE）。工作帮坡面与水平面之间的夹角叫工作帮坡角。最终帮坡面与地表的交线为露天矿的最终境界线。最终帮坡面与露天矿场底平面的交线为底部周界。上部最终境界线与下部最终境界线所在水平的垂直距离为露天矿场的最终深度。非工作帮上的平台，按用途分为安全平台、运输平台和清扫平台。为了采出矿石，一般需要剥离大量的岩石，采出一吨矿石所需剥离的岩石量叫剥采比，其单位可用米3/米3、吨/吨等表示。开拓是指建立地表与露天采场各生产水平及各水平之间的运输通路。第二节露天开采境界确定一、剥采比1、平均剥采比（图1－4a）是指露天开采境界内总的岩石量与总矿石量之比，即：（1－1）式中np——平均剥采比，米3／米3或吨/吨米3／吨；Vp——境界内总岩石量，米3或吨；Ap——境界总矿石量，米3或吨。pppAVn=2、分层剥采比（图1－4b）是指境界内某一水平分层的岩石量与矿石量之比，即：（1－2）式中nf——分层剥采比；Vf——水平分层岩石量，米3或吨；Af——境界内水平分层的矿石量，米3或吨。3、生产剥采比（图1—4c）是指露天矿某一生产时期内所剥岩石量与所采矿石量之比，即（1－3）式中ns——境界剥采比，米3／米3或吨/吨、米3／吨；Vs——某一生产时期内所剥岩石量，米3或吨；As——某一生产时期内采出矿石量，米3或吨。fffAVn=sssAVn=图1－4各种剥采比a－平均剥采比；b－分层剥采比；c－生产剥采比；d－境界剥采比4、境界剥采比（图1－4d）是指露天开采境界增加单位深度后引起岩石增量与矿石增量之比。（1－4）式中nj——境界剥采比，米3／米3或吨/吨、米3／吨；ΔV——境界延伸后所增加的剥岩量，米3或吨；ΔA——境界延深后所增加的矿石量，米3或。5、经济合理剥采比nj˙H，指经济上允许的最大剥岩量与可采矿量之比。AVnj=1、原矿成本比较法以原矿作为计算基础，使露天采出原矿成本等于地下采出原矿成本，露天开采矿石成本如下式：CL＝γ˙a＋n˙b（1－5）式中CL——露天开采的原矿成本，元／米3a——露天开采纯原矿成本，元／米3b——露天开采的剥离成本，元／米3γ——矿石容量，吨／米3n——剥采比，米3／米3使露天开采原矿成本不超过地下开采成本，即：γa＋nb≤γ˙CD（1－6）式中CD——地下开采的原矿成本，元／吨。二、经济合理剥采比的确定满足上式的最大剥采比，就是经济合理剥采比nj˙H：米3／米3（1－7）上式是矿山设计中常用的一个基本公式，式中要求数据少，数据来源比较方便，但它没有考虑露天开采与地下开采在矿石损失与贫化方面的差别。2、金属成本比较法这种方法是用选矿或冶炼后金属产品量作为计算基础，其关系式如下：（1－8）DL、DD－分别是露天开采和地下开采时每吨原矿分摊的采矿、选矿、冶炼生产成本（露天开采不包括剥离成本），元／吨；bCDhjna=DDLLK1DK1nbK1DDL、DD－分别是露天开采和地下开采时每吨原矿分摊的采矿、选矿、冶炼生产成本（露天开采不包括剥离成本），元／吨；KL、KD－分别是露天开采与地下开采时每吨原矿的金属产出率，吨／吨；n－剥采比，米3／米3；b－剥离成本，元／米3；γ－矿石容量，吨／米3。经济合理剥采比为（1－9）公式（1－9）计算时考虑到露天开采与地下开采在贫化率上的差别，但仍没有考虑两者在工业矿石在回收率方面的差别，此计算方法数据来源较困难。=LDDLhjDDKKbn3、储量盈利比较法这种方法是以矿石工业储量做为计算基础，使露天开采矿石盈利等于地下开采矿石盈利。其关系式为：γ——矿石容量，吨／米3；n——剥采比，米3／米3；b——剥离成本，元／米3；UL、UD——分别为露天开采和地下开采时每吨工业储量矿石所获盈利，元／吨。其经济合理剥采比：（1－10）DLU1nbU)U-(UbrnDLhj=4、矿床只用露天开采的价格法若原矿的售价为P0，则有：γ˙a＋n˙b≤γ˙P0经济合理剥采比为：（1－11）a)-(Pbrn0hj=露天开采境界的延深，可获得较多的矿量，但相应要增加较大的剥岩量。开采境界的确定，实际上是对剥采比的控制，使之不超过经济合理剥采比。1、境界剥采比不大于经济合理剥采比（1）露天——地下联合开采矿床临近露天开采境界那层矿岩，要露采成本低于地采成本，境界可以向下沿深，当两者成本相等时作为露采极限。此时：∆A˙aγ＋∆V˙b＝∆A˙CDγ＝（CD－a）（1－12）式中∆V——露天开采境延深后所增加岩石量，米3；∆A——露天开采境延深后所增加矿石量，米3；AV三、确定露天开采境界原则bγ其余符号意义同前。等式的左端为境界剥采比，右端为经济合理剥采比，即：（1－13）如果矿床是露天、地下联合开采，此时开采全矿床的总经济效益（成本或盈利）最佳。hjjnn=图1－5原则的最初含义（2）采用单一露天开采，因露天开采至临近境界那一层面时，若开采矿石盈利为零，则上部开采均盈利，而向下继续开采则亏损，故开采到境界剥采比等于经济合理剥采比时，其全矿床开采盈利最佳。以上结论，可通过严密的推导而获得，此处从略。此原则在设计中普遍得到应用。2、其它原则此外尚有平均剥采比不大于经济合理剥采比、生产剥采比不大于经济合理剥采比原则确定露天开采境界，但因前者经济效果欠佳，后者又难以实现，故在实践中极少采用。（一）长露天矿境界剥采比的计算1、面积比法走向长的露天矿，常用横断图应用面积比法计算境界剥采比（图1－6），深度H时的境界剥采比为：231js)ss(n=图1－6计算nj的面积比法图1－7线段比法的原理四、境界剥采比的计算方法2、线段比法上面的面积比法需要用求积仪求算面积，工作很繁琐。为了简化计算，可用线段比法。图1－7是表示一平坦规则矿体，其水平厚度为m，倾角α，顶帮边帮角为γ，底帮边坡角为β。abcd是采深H的境界，a1b1c1d1为深度H－∆H的境界；ag和dh为cc1的平行线。为了计算境界剥采比，需分别计算四边形b1c1cb、aa1b1b及d1dcc1的面积∆A、∆V1及∆V2。根据几何关系有：∆A＝m˙∆H∆V1＝∆abe－∆a1b1e＝1/2H(ctgγ＋ctgα)H－1/2(H－∆H)(ctgγ＋ctgα)(H－∆H)＝（ctgγ＋ctgα）˙H˙∆H－1/2（ctgγ＋ctgα˙∆H2∆V2＝∆dfc－∆d1c1f＝（ctgβ－ctgα）˙H˙∆H－1/2（ctgβ－ctgα）˙∆H2境界剥采比：=当∆H→0时，则：Nj＝[（ctgγ＋ctgα）H＋（ctgβ－ctgα）H]／m＝（ae＋fd）／bc＝（gb＋ch）／bc（1－14）这就是说，境界剥采比nj可以用（