露天煤礦開采

1、第七章 露天煤礦開采本章對露天煤礦開采的基本過程作了整體概述，包括露天煤礦開采的基本概念、開采步驟、開拓方式及回采工藝方式。其中露天煤礦開拓方式及回采工藝為本章的重點內(nèi)容。露天煤礦開拓主要研究整個煤層開發(fā)的程序，綜合解決露天礦場的主要參數(shù)、工作線推進方式、礦山工程延深和剝采的合理順序等，建立合理的煤層開采運輸系統(tǒng)。第一節(jié) 露天開采概述一、露天煤礦開采概述為開采煤炭資源，從地表建立起來的各種揭露煤層和坑道的礦山工程總體通稱為露天煤礦開采。它是先將覆蓋在煤層之上的土壤和巖石全部清除、露出煤層，再進行采掘工作的一種開采方法。露天開采與地下開采相比具有以下優(yōu)越性：一是礦山基建時間短，生產(chǎn)規(guī)模大，勞動生

2、產(chǎn)率高，開采成本低與基建投資低；二是開采條件好，作業(yè)較安全，生產(chǎn)系統(tǒng)可靠。但是，露天采場和排土場破壞自然景觀和植被，排棄物中有害成分流入水系和農(nóng)田，污染水源和土壤，影響生態(tài)平衡和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。露天開采易受氣候條件如嚴寒、酷暑、冰雪和暴風雨的影響和干擾較大。綜上所述，露天煤礦開采具有技術和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，但又面臨環(huán)保和復墾等方面的問題。因此，露天煤礦開采應處理好煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護的關系，謀求可持續(xù)發(fā)展的途徑。二、露天煤礦開采基本概念1、臺階露天煤礦開采時，通常把采場內(nèi)的煤層劃分為若干具有一定高度的水平分層，自上而下逐層開采，并保持一定的超前關系。開采的分層在空間上呈階梯狀，稱為臺階。臺階構成要

3、素如圖71所示。圖71 臺階構成要素圖1臺階上部平盤；2臺階下部平盤；3臺階坡面；4臺階坡頂線；5臺階坡底線；臺階面角度；h臺階高度臺階通常劃分為具有一定寬度的若干條帶，這些條帶稱為爆破帶。挖掘機一次挖掘的寬度稱為采掘帶，如圖72所示。每個爆破帶可作為一個采區(qū)，或劃分為具有一定長度的若干采區(qū)。已經(jīng)做好采掘準備工作的采區(qū)稱為工作線。圖72 采掘帶、采區(qū)示意圖為建立地面與采場之間以及相鄰工作水平之間的運輸聯(lián)系而開掘的傾斜溝道稱為出入溝。為開辟新工作水平而掘進的水平溝道稱為開段溝。2、工作幫正在和將要進行開采的臺階所組成的邊幫稱為工作幫(圖73中的DF)。工作幫的位置隨開采工作的推進不斷移動。由已結(jié)

4、束開采工作的臺階和溝道組成的邊幫稱為非工作幫或最終邊幫(圖73中的AC和BF)。通過工作幫最上一個臺階的坡頂線和最下一個臺階的坡底線所作的假想斜面稱為工作幫坡面(圖73中的DE)。工作幫坡面與水平面的夾角稱為工作幫坡角(圖73中的角)。工作幫上設置采掘設備和設施的平臺稱為工作平盤(圖73中的1)。通過非工作幫最上一個臺階的坡頂線和最下一個臺階的坡底線所作的假想斜面稱為非工作幫坡面或最終幫坡面(圖73中的AG和BH)。最終幫坡面與水平面的夾角稱為最終幫坡角或最終邊坡角(圖73中的和)。圖73 臺階構成要素圖1工作平盤；2安全平臺；3運輸平臺；4清掃平臺非工作幫上的平臺按其用途可分為安全平臺、清掃

5、平臺和運輸平臺。安全平臺用來緩沖和阻截邊坡上滑落的巖石，以保證下部平盤的工作安全，并具有減緩最終邊坡角，維持邊坡穩(wěn)定的作用。安全平臺的寬度一般約為臺階高度的1/3左右。最終幫坡面與地表相交的閉合曲線稱為露天采場的上部境界線(圖73剖面中的A和B點)。最終幫坡面與開采終了的露天采場底平面的交線稱為下部境界線或底部周界(圖73剖面中的G和H點)。上、下部境界線之間的垂直距離稱為露天采場的開采深度。最終幫坡面與過上部境界線最低點的水平面相交的閉合曲線稱為露天采場封閉圈。露天采場位于封閉圈以上和以下的部分分別稱為山坡露天礦和凹陷露天礦。根據(jù)露天采場的端幫礦巖量與總礦巖量的比值，可將露天礦分為長露天礦和

6、短露天礦。當此比值小于0.150.20時為長露天礦，反之為短露天礦。第二節(jié) 露天煤礦開拓露天煤礦開拓就是建立地面到露天采場各工作水平及各工作水平之間的煤巖運輸通道，建立采礦場、采礦點、廢石場、工業(yè)場地之間的運輸聯(lián)系，形成合理的運輸系統(tǒng)。其主要研究內(nèi)容是開拓運輸方式、開拓坑線的位置及其布置形式。露天煤礦開拓系統(tǒng)是露天礦開采中極其重要的問題，它不僅影響到最終境界的位置、生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的選擇、礦山工程發(fā)展程序等，還直接關系到基建工程量、基建投資、投產(chǎn)和達產(chǎn)時間、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)的可靠性及生產(chǎn)成本等技術經(jīng)濟指標。按運輸方式不同，露天煤礦開拓可以分為：公路運輸開拓、鐵路運輸開拓、平硐溜井開拓、膠帶運輸開拓、

7、斜坡提升開拓和聯(lián)合開拓等。一、公路運輸開拓公路運輸開拓采用的主要設備是汽車。其坑線布置形式有直進式、回返式、螺旋式以及多種形式相結(jié)合的聯(lián)合方式。1、直進式坑線開拓當山坡露天煤礦高差不大、地形較緩、開采水平較少時，可采用直進式坑線開拓，如圖74所示。運輸干線一般布置在開采境界外山坡的一側(cè)，工作面單側(cè)進車。當凹陷露天煤礦開采深度較小、采場長度較大時，也可采用直進式坑線開拓。公路干線一般布置在采場內(nèi)礦體的上盤或下盤的非工作幫上。條件允許時，也可在境界外用組合坑線進入各開采水平。但由于露天礦采場長度有限，往往只能局部采用直進式坑線開拓。圖74 山坡露天礦直進式公路開拓系統(tǒng)圖2、回返式坑線開拓當露天煤礦

8、開采相對高差較大、地形較陡，采用直進式坑線有困難時，一般采用回返式坑線開拓，或采用直進與回返聯(lián)合坑線開拓，如圖75所示。開拓線路一般沿自然地形在山坡上開掘單壁路塹。隨著開采水平不斷延深，上部坑線逐漸廢棄或消失。在單側(cè)山坡地形條件下，坑線應盡量就近布置在采場端幫開采境界以外，以保證干線位置固定且煤巖運輸距離較短。凹陷露天礦的回返坑線一般布置在采場底盤的非工作幫上，可使開拓坑線離礦體較近，基建剝巖量較小?；胤悼泳€開拓適應性較強，應用較廣。但由于回返坑線的曲線段必須滿足汽車運輸要求(如線路內(nèi)側(cè)加寬等)，使最終邊幫角變緩，從而使境界的附加剝巖量增加。因此，應盡可能減少回頭曲線數(shù)量，并將回頭曲線布置在平

9、臺較寬或邊坡較緩的部位。圖75 直進回返聯(lián)合坑線開拓系統(tǒng)圖1出入溝；2連接平臺；3露天采礦場上部境界；4露天采礦場底部境界3、螺旋坑線開拓螺旋坑線開拓一般用于深凹露天礦?？泳€從地表出入溝口開始，沿著采場四周最終邊幫以螺旋線向深部延伸。由于沒有回返曲線段，擴幫工程量較小，而且螺旋線的曲率半徑大，汽車運行條件好，線路通過能力大。但回采工作必須采用扇形工作線，其長度和推進方向要經(jīng)常變化，且各開采水平相互影響，使生產(chǎn)組織工作復雜。由于露天采場空間一般是變化的，坑線往往不能采用單一的布置形式，而多采用兩種或兩種以上的布置形式，即聯(lián)合坑線。圖76為上部回返，下部螺旋的回返螺旋聯(lián)合坑線開拓方式。圖76 回返

10、螺旋聯(lián)合坑線開拓系統(tǒng)圖1出入溝；2連接平臺二、鐵路運輸開拓1、坑線位置因鐵路運輸牽引機車爬坡能力小，每個水平的出入溝和折返站所需線路較長，轉(zhuǎn)彎曲線半徑很大，故不適用于采場面積小，高差較大的露天煤礦開拓。鐵路運輸開拓采用較多的坑線形式為直進式、折返式和直進折返式三種類型。山坡露天煤礦的坑線位置主要取決于地形條件和工作線的推進方向。當?shù)匦螢楣铝⑸椒鍟r，通常將坑線布設在工作幫的背面山坡上；當?shù)匦螢檠诱故缴狡聲r，通常將坑線布設在采場的側(cè)或兩側(cè)。圖77為露天礦上部開拓系統(tǒng)示意圖。圖77 露天礦上部折返鐵路開拓系統(tǒng)圖凹陷露天煤礦的坑線布置形式主要取決于采場的大小與形狀、工作線的推進方向和生產(chǎn)規(guī)模。一般將坑

11、線布置在底幫或頂幫上，但有時為了減少折返次數(shù)，也可將上部折返坑線改造成螺旋坑線。圖78為凹陷露天礦頂幫固定直進折返坑線開拓系統(tǒng)。圖78 凹陷露天礦頂部幫固定直進折返坑線開拓系統(tǒng)圖2、線路數(shù)目及折返站根據(jù)露天礦的年運輸量開拓溝道可設計單線或雙線。露天煤礦年運輸量700萬t以上時，多采用雙干線開拓。其中一條為重車線，另一條為空車線。年運量小于上述值時，則一般采用單干線開拓。折返站設在出入溝與開采水平的連接處，供列車換向和會車之用。圖79為單干線開拓，工作水平為盡頭式運輸和環(huán)行運輸?shù)恼鄯嫡?。環(huán)形運輸折返站的附加剝巖量較大，但當臺階上有兩臺或兩臺以上挖掘機同時作業(yè)時，相互干擾較小。采用雙干線開拓時，折

12、返站的布置形式分為燕尾式和套袖式，如圖710所示。圖79 雙干線開拓的折返站圖（a）燕尾式；（b）套袖式圖710 雙干線開拓的折返站圖（a）燕尾式；（b）套袖式三、其它開拓1、平硐溜井開拓平硐溜井開拓是借助于開鑿的平硐和溜井(溜槽)，建立露天煤礦工作臺階與地表的運輸聯(lián)系。確定溜井位置時，應使溜井與采掘工作面間的平均運輸距離短，溜井和平硐的掘進工程量小。2、膠帶運輸開拓露天煤礦采用膠帶運輸機開拓具有生產(chǎn)能力大、升坡能力強、運輸距離短、運輸成本低等優(yōu)點。按露天煤礦各生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)是否連續(xù)，膠帶運輸機開拓分為連續(xù)開采工藝開拓和半連續(xù)開采工藝開拓。連續(xù)開采工藝主要采用輪斗(鏈斗)挖掘機挖掘松散煤體，并將

13、煤巖轉(zhuǎn)載到膠帶運輸機上運出，其中煤炭直接運至煤倉，矸石運至廢石場后經(jīng)排土機排土。半連續(xù)開采工藝又稱間斷連續(xù)工藝，它指生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中，一部分為連續(xù)工藝，另一部分為間斷工藝。3、斜坡提升開拓斜坡提升開拓是通過斜坡提升機道建立工作面與地面卸煤點和矸石場的運輸聯(lián)系。但斜坡提升機不能直接到達工作面，需與汽車或鐵路等配合使用才能構成完整的開拓運輸系統(tǒng)。常用的斜坡提升開拓方法有斜坡箕斗開拓和斜坡礦車開拓。斜坡箕斗開拓是以箕斗為主體的開拓運輸系統(tǒng)。在采場內(nèi)用汽車或其他運輸設備將礦巖運至轉(zhuǎn)載站裝入箕斗，提升至地面煤倉卸載，再裝入地面運輸設備。圖711為撫順西露天煤礦斜坡箕斗開拓示意圖。圖711撫順西露天礦箕斗及

14、鐵路干線布置圖在凹陷露天礦中，箕斗道設在最終邊幫上。山坡露天礦的箕斗道設在采場境界外的端部。斜坡礦車開拓用小于4m3的窄軌礦車運輸，礦車在工作面裝載后，由機車牽引至斜坡道的車場，礦車被單個或成串掛至提升機鋼絲繩上，最后用提升機提升或下放至地面站。第三節(jié) 露天礦回采工藝一、露天開采境界及采剝比1、露天開采境界露天開采境界主要包括底部寬度、最終邊坡和開采深度。露天開采境界的大小決定了露天礦的可采儲量和剝離巖量。開采境界的位置和演化過程與露天礦開拓、采剝程序、生產(chǎn)能力以及基建工程量密切相關，并直接影響煤層開采的總體經(jīng)濟效果。影響露天煤礦開采境界的因素很多，主要包括開采條件、經(jīng)濟效果和技術組織因素等。

15、 隨著科學技術的發(fā)展和露天開采經(jīng)濟效果的改善，原來設計的開采境界一般要擴大。當所確定的露天開采境界很大、服務年限過長(如超過30a)，為提高前期的開采經(jīng)濟效益，必須采用分期開采，則要確定相應的分期開采境界。2、剝采比露天煤礦為了采出煤炭，必須剝離煤層上部的巖石。在露天開采境界的某一特定區(qū)域內(nèi)，剝離巖石量與采出煤量的比值稱為剝采比。在露天開采設計中，常用不同含義的剝采比反映不同的開采空間或開采時間的剝采關系及其限度。（1）平均剝采比 平均剝采比是指露天開采境界內(nèi)總的巖石量與總的煤炭量之比(圖712a)。平均剝采比標志著露天礦的總體經(jīng)濟效果。圖712 采剝比示意圖（a）平均采剝比；（b）分層采剝比

16、；（c）生產(chǎn)采剝比；（d）境界采剝比（2）生產(chǎn)剝采比 生產(chǎn)剝采比是指露天礦投產(chǎn)后某一生產(chǎn)時期的剝離巖石量與采出煤炭量之比(圖712c)。生產(chǎn)剝采比可用來分析和反映露天煤礦生產(chǎn)中各種可能的剝采關系。在礦山生產(chǎn)統(tǒng)計中，生產(chǎn)剝采比按年、季、月來計算。（3）經(jīng)濟合理剝采比 經(jīng)濟合理剝采比是指經(jīng)濟上允許的最大剝采比。經(jīng)濟合理剝采比是露天開采境界設計的主要依據(jù)。二、露天回采工藝露天煤礦回采工藝主要根據(jù)采掘、運輸、排土三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)來確定，具體工藝方式根據(jù)采用的設備可以劃分為間斷作業(yè)、連續(xù)作業(yè)和半連續(xù)作業(yè)三種類型。間斷作業(yè)的特點是各生產(chǎn)環(huán)節(jié)開采設備作業(yè)具有周期性的間斷，如單斗電鏟采掘鐵道運輸單斗電鏟或排土

17、犁排土及單斗電鏟采掘汽車運輸推土機排土；連續(xù)作業(yè)工藝系統(tǒng)的特點是各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)開采設備作業(yè)具有連續(xù)性，如多斗電鏟采掘皮帶運輸皮帶排土機排土；半連續(xù)工藝系統(tǒng)的特點是部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)連續(xù)、分環(huán)節(jié)是間斷作業(yè)，如單斗電鏟采掘坑內(nèi)破碎皮帶運輸。 從整體軟巖或從已爆破成碎塊的堅硬巖石爆堆中，把巖石裝入運輸工具或直接排卸到排土場的工作稱為采裝工作。露天礦生產(chǎn)中采裝工作占有主導地位，其它生產(chǎn)過程如爆破、運輸、排土等都是圍繞采裝而進行的。 1、機械鏟的設備類型 機械鏟設備分正挖機械鏟(也稱挖韌機、電鏟、電鎬)、反挖機械鏟和上裝長臂式電鏟(長臂鏟)。正挖機械鏟不受氣候條件、巖石性質(zhì)和巖層賦存條件的限制，使用類型多為斗容

18、18m3的挖掘鏟。挖掘機工作時站在臺階下盤(圖713)，勺斗從工作面底部靠勺桿及鋼繩為提升及推壓運動，使勺斗沿工作面上升，并切削工作面巖石而裝滿勺斗。斗裝滿后，勺桿稍往所退，使勺斗退出工作面。利用電鏟的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至卸載位置，勺斗開啟斗底，把巖石卸出。然后再轉(zhuǎn)旋回工作面，開始下一次挖掘。長臂鏟的工作方式與正挖機械鏟基本相同。所不同的是工作時站在臺階下盤，向位于上盤的車輛裝載，即上裝車，見圖714。圖713 機械鏟工作圖1懸架主導輪；2懸架；3勺桿；4推壓軸和推壓傳動；5啟開斗底用鋼絲繩；6懸架鋼繩；7懸架底腳；8滑輪；9下部底架；10旋轉(zhuǎn)平臺；11旋轉(zhuǎn)機構傳動裝置；12提升勺斗用滾筒；13懸架提升

19、裝置；14提升鋼繩；15勺斗；、勺斗的各種位置圖714 長臂電鏟工作示意圖2、機械鏟的主要工藝參數(shù)（1）挖掘半徑挖掘半徑Rw(見圖715)是指由挖掘機回轉(zhuǎn)中心線到勺斗牙緣間水平距離。最大挖掘半徑Rwmax是勺斗水平伸出最大時的挖掘半徑，其中站立水平挖掘半徑Rwp是指鏟斗平放在站立水平的挖掘半徑。（2）挖掘高度挖掘高度Hw 是指勺斗牙緣距離挖掘機站立水平的垂直距離。最大挖掘高度Hwmax是勺桿最大伸出，并將斗勺提到最大高度時的挖掘高度。圖715 機械鏟工作原理圖挖掘機的作業(yè)特點和工作規(guī)格要求有合適的臺階高度和采掘帶寬度。臺階高度對不需爆破的軟巖，最大小于最大挖掘高度；對于堅硬巖石爆破，可為最大挖

20、掘高度的1.5倍，但是最小高度應大于3m。三、運輸工作露天煤礦運輸?shù)闹饕蝿帐菍㈨肥懊禾繌墓ぷ髅孢\至卸載地點。矸石的卸載地點是排土場，煤炭的卸載地點是選煤廠或煤倉。1、鐵道運輸 鐵道運輸在我國露天煤礦中所占比重較大，它分為標準軌距運輸和窄軌距運輸兩種。前者適用于大型露天礦，軌距與國鐵同為1435mm，后者適用于中、小露天礦，軌距常有762、750、610和600mm等幾種。采用標準軌距時，坑內(nèi)曲率半徑大于100m、地面大于200m。隨著工作面的不斷推進，鐵路線路要做橫向移設工作，移設可用搖道機或吊車進行。在大型露天煤礦中主要采用80、100和150t的電機車，爬坡能力小于40。一些露天煤礦利用解放JFl、前進QJ、建設JS等型號的蒸汽機車，其爬坡能力小于25。車輛主要采用大載重量的自翻車，如上升式50t自翻車、下