露天采矿

采矿学(二)——金属矿床露天开采2第十四章最终开采境界的确定概述最终开采境界设计的手工方法价值模型最终开采境界设计的计算机优化方法1概述地质储量：根据地质钻探资料，运用地质统计学方法等估算出来的有用矿物的含量。开采储量：技术上可行、经济上合理的地质储量，是地质储量的一部分。在矿床的开采设计中，可能有三种情况：（1）矿床全部宜用地下开采；（2）矿床上部宜用露天开采，下部地采；（3）矿床全部宜用露天开采，或上部用露天开采而剩余部分暂不宜开采。对于后两种情况，都要求合理地确定露天开采的最终境界，即露天开采境界。最终开采境界：圈定开采储量的三维几何体。由底部周界、最终边坡及开采深度决定。最终开采境界的确定是露天矿设计与规划中的一项十分重要的工作，既是技术决策，又是经济决策。最终开采境界的设计方法与手段经历了三个阶段。1.1最终开采境界圈定开采储量的三维几何体底部周界最终帮坡角开采深度5影响露天开采境界确定的因素自然因素包括矿体埋藏条件、矿石和围岩性质、地形及工程水文地质条件等。经济因素包括基本建设投资、矿石成本、矿石的损失和贫化、基建期限、达产期限、设备供应情况及国民经济发展水平等。技术因素主要指矿山附近的河流、铁路、重要建筑物对露天开采境界的限制等。61.1最终开采境界露天开采过程是一个使矿区内原始地貌连续发生变形的过程。在开采过程中，或是山包消失，或是形成深度和广度不断增加的坑体（即采场）。采场的边坡必须能够在较长的时期内保持稳定，不发生滑坡。为满足边坡稳定性要求，边坡坡面与水平面的夹角（即最终帮坡角）不能超过某一最大值（一般在35°~55°之间，具体值需根据岩体的稳定性确定）。最终帮坡角对最终境界形态的约束是确定最终境界时需要考虑的几何约束。71.1最终开采境界从充分利用矿物的角度来看，最终开采境界应包括尽可能多的地质储量。由于几何约束的存在，开采某部分的矿石必须在剥离该部分矿石上面一定范围内的岩石后才能实现（下页图）。剥离岩石本身只能带来资金的消耗，不会带来经济收入。从经济角度来看，存在一个使矿山企业的总经济效益最佳的最终开采境界。在具有竞争性的市场经济条件下，矿山企业与其它行业的企业一样，需要盈利才能维持和扩大再生产，追求最大的经济效益是市场经济条件下矿山企业的主要经营目标之一。因此，最终开采境界的确定是露天矿设计与规划中的一项十分重要的工作，既是技术决策，又是经济决策。然而，最佳开采境界的确定并非易事，它要求设计者具有较强的理论基础和较丰富的实践经验。1.2采矿与剥离关系示意图拟开采的矿石上盘帮坡角β下盘帮坡角α需剥离的岩石采剥并举剥离先行存在一个经济效益最佳的最终开采境界1.3最终开采境界的设计方法手工设计阶段：以经济合理剥采比为基本准则。计算机辅助设计阶段：方法与手工阶段基本相同，使用计算机、数字化仪、绘图仪等设备。优化设计阶段：图论法和浮锥法。2最终开采境界设计的手工方法剥采比的概念经济合理剥采比确定方法基本原理最终开采境界设计的原则最终开采境界设计的手工方法最终开采境界的审核2.1剥采比的概念境界剥采比：是指露天开采增加单位深度后所引起岩石增量与矿石增量之比，也称为瞬间剥采比。平均剥采比：是指露天开采境界内总的岩石量与总的矿石量之比。生产剥采比：是指露天矿某一生产时期内所剥离的岩石量与所采的矿石量之比。分层剥采比：是指露天开采境界内某一水平分层的岩石量与矿石量之比。经济合理剥采比：是指经济上允许的最大剥岩量与可采矿量之比。单位：m3/m3，m3/t，t/t12境界(瞬间)剥采比含义Ri=dw/dOdH45o地表矿体bODCWHAC'dWdOA'BB't13平均剥采比的含义Ap地表VpDCABRp=Vp/Ap14生产剥采比的含义As地表VsDCABRs=Vs/As15DAf地表VfCABRf=Vf/Af分层剥采比的含义16经济合理剥采的由来dH45o地表矿体bODCWHAC'dWdOA'BB'tdPdOgrqgCdWCdOCdOopwmp采出增量dW和dO带来的利润增值dP：dPdOgrqgCRCCopwimp()或设矿山企业的最终产品为精矿，矿体的地质品位为g。，精矿品位为gp，其售价为q；单位剥岩成本为Cw，单位采矿成本为Cm，单位选矿成本为Cp，采选综合回收率为r。经济合理剥采比概念经济合理剥采比：是指经济上允许的最大剥岩量与可采矿量之比，即利润增量为零时的瞬时剥采比，也称为盈亏平衡剥采比(breakevenstrippingratio)RgrqgCCCbopmpw()经济合理剥采比不依赖于境界的大小和几何形状，只依赖于回收率与成本、价格等技术经济参数，其值可以通过市场与成本分析得出。2.2确定经济合理剥采比的其它方法原矿成本比较法价格法经济合理剥采比－原矿成本比较法baCnDjh)(用原矿作为计算的基础，使露天开采出来的原矿成本等于地下开采成本。关键是正确选取CD、a和b值。在矿山设计中，这几个数据一般以邻近地区类似矿山的成本指标为基础。应用条件：(1)露采和地采的回收率和贫化率差别不大时；(2)矿床埋深较大，用于划定地采和露采的界限(3)粗略计算时。式中，a——露天开采的纯采矿成本（不包括剥离），元/t；b——露天开采的剥离成本，元/m3；γ——矿石容重，t/m3；CD——地下开采的原矿成本，元/t。DCnba经济合理剥采比－价格法露天开采的单位产品成本不高于产品的销售价格。)(0aPbnjh式中，a——露天开采的纯采矿成本（不包括剥离），元/t；b——露天开采的剥离成本，元/m3；γ——矿石容重，t/m3；P0——原矿的价格，元/t；δ——利润率。适用条件：（1）开采价值较低的矿床，如石灰石、白云石等；（2）不宜地采的矿床，如砂矿床、含硫高易自燃的矿床等。)1(0aPbnjh0Pbnajh2.3基本原理C'dH45o地表矿体bODCWHAdWdOA'BB't确定最终境界的准则是瞬时剥采比等于经济合理剥采比。将境界位置上下移动，计算每次移动后的瞬时剥采比，直到它等于经济合理剥采比为止，也就找到了最终境界。Ri=dW/dO当dH趋于零时，dW与dO之比趋于线段CA与线段AB的长度之比，即Ri=CA/AB2.4最终开采境界设计的原则境界剥采比不大于经济合理剥采比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根据对矿石的需要量和勘探程度确定境界境界剥采比不大于经济合理剥采比实质：要求邻近露天开采境界的那层矿岩露天开采成本不超过地下开采成本。它是使整个矿床开采的总经济效果（成本或盈利）最佳。应用：国内外普遍运用这一原则来圈定露天矿境界。缺陷：只是概略的研究整个矿床的开采效果，并未细致分析露天开采各过程的经济状态。对于某些不连续的矿床，这个原则有时不适用。在这种情况下，境界剥采比符合要求，但它的初期剥岩量及平均剥采比都很大，在经济上明显不合理。平均剥采比不大于经济合理剥采比实质：这一原则是针对露天开采境界内的全部矿岩量而言，它要求用露天开采的平均经济效果（成本或盈利）不劣于用地下开采。应用：作为nj=nJH原则的补充。即对于某些覆盖层很厚或不连续的矿体，当用nj=nJH确定出境界后，还要核算该境界内的平均剥采比，看它是否满足np=nJH原则。对于某些贵重的有色、稀有金属矿床或中小型矿山，为了尽量采用露天开采以减少矿石的损失贫化，设计中有时运用这个原则来确定境界，借此扩大露天开采矿量。缺陷：该原则是一种“算术平均”的概念。它既未涉及整个矿床开采的总经济效果，更没有考虑露天开采过程中剥采比的变化。是一个比较粗略、笼统的原则。生产剥采比不大于经济合理剥采比对于露天开采来说，生产剥采比真实地反映了矿山生产的采剥关系。所以，有人提出用生产剥采比不大于经济合理剥采比的原则圈定境界，使露天矿任一生产时期的经济效果都不劣于地下开采。缺陷：没有考虑整个矿床开采的总经济效果，只顾及矿床上部的露天开采而不管剩余部分的开采；确定出来的境界往往比按np=nJH原则圈定的小，但比按nj=nJH原则圈定的大，因而初始剥采比和基建投资也大；由于生产剥采比变动较大，因而其设计方法也繁琐费事。鉴于上述缺点，该原则在实际中很少采用。根据对矿石的需要量和勘探程度确定境界对于石灰石、白云石这类剥离量小而储量大的矿床，有时是根据对矿石的需要量或勘探程度来确定境界。2.5最终开采境界设计的手工方法确定露天矿最小底宽选取露天矿最终边坡角地质横剖面面积比法确定合理开采深度地质横剖面线段比法确定长矿体的合理开采深度水平剖面面积法确定短矿体的开采深度282.5.1确定露天矿最小底宽铁路运输时，Bmin=2RWH+T+3e-h1tanα式中，Bmin－露天矿最小底宽，m；RWH－挖掘机机体回转半径，m；T－－铁路线路宽度，m；e－－挖掘机机体、边坡及车辆三者间的安全距离，1.0-1.5m；h1－－挖掘机机体底盘高度，m；α－－露天矿最下一个台阶的坡面角。公路运输，详见下一章。29露天矿底的位置若矿体厚度小于最小底宽，则底平面按最小底宽绘制；若矿体厚度比最小底宽大得不多，底平面可用矿体厚度为界；若矿体厚度远大于最小底宽时，常按最小底宽作图，并按下列因素确定露天矿底的位置：(1)使境界内的可采矿量最大而剥岩量最小；(2)使可采矿量最可靠，通常露天矿底宜置于矿体中间，以避免作图误差所造成影响；(3)根据矿石品位分布，使采出的矿石质量最高；(4)根据矿岩的物理力学性质调整露天矿底的位置，使边坡稳固且穿爆方便。2.5.2选取露天矿最终边坡角从经济效果考虑，希望边坡角尽可能大。通常从安全条件和技术条件两方面考虑。安全条件：根据矿岩的物理力学性质选取边坡角，保证边坡稳定。技术条件：是指满足矿山的开采运输需要而言。为了保证矿山正常生产，露天矿边坡通常由安全平台a（不小于2-3m）、清扫平台b(每隔2－3个台阶设一个，其宽度应保证清扫设备正常工作)、运输平台c和d及相应的坡面组成。（下图）露天矿的边坡组成tanβ=Σh/(Σhctanα+Σa+Σb+Σc+Σd)n1n1n11n21n31n41abcdβh1h2h3h4β－最终边坡角，度；n－台阶数目；h－台阶高度，m；α－台阶坡面角，度；a－安全平台宽度，m；b－清扫平台宽度，m；c－水平运输平台宽度，m；d－倾斜运输平台宽度，m；n1、n2、n3、n4－分别为安全平台、清扫平台、水平运输平台和倾斜运输平台数目。说明：按上述安全条件或技术条件确定的最小边坡角，就是露天矿的最终边坡角。但对于缓倾斜矿体来说，若边坡角大于矿体倾角，则最终边坡角应沿矿体下盘布置，以便充分采出下盘矿石。2.5.3地质横剖面面积比法确定合理开采深度dd'a'e'Hi-2BminHi+1HiHi-1H2H1cb'abeWHOc'步骤：一、Bmin、α、β二、作出a,b,c,d,e点三、作出a’,b’,c’,d’,e’点四、求出△W和△O五、计算Ri=△W/△O六、若RiRb，则Hi水平即为该地质横剖面图上最佳的开采境界深度；否则，重复，试算其它深度方案，直至验算成功。2.5.4地质横剖面线段比法确定长矿体的合理开采深度步骤：一、Bmin、α、β二、作出c,b,a,d点三、作出c’,b’,a’,d’点四、过c,d,e作aa’的平行线cg,df,eh，交ab延长线于g,f,h点五、计算：六、若RiRb，则Hi水平即为该地质横剖面图上最佳的开采境界深度；否则，重复。试算其它深度方案，直至验算成功。bahbafghRida'Hi-2BminHi+1HiHi-1H2H1cb'gfabeHh34厚矿体的无剥离开采H2矿体DCWH1ABH先按矿体厚度作图，然后继续向下进行无剥离采矿，直至最小底宽止。此时，露天开采深度H＝H1＋H2。35境界剥采比与深度的关系曲线DRbHRH3HJH2H1Ri将各方案的境界剥采比与开采深度绘成关系曲线，再画