矿山露天开采的效益和优势

第二节　矿山露天开采

一、露天开采概述

（一）露天开采的特点

由于矿床赋存条件的不同，矿床开采按处理围岩的方法分为地下开采（围岩不采出）和露天开采（围岩采出）两类。而露天开采又分为机械开采和水力开采两类。

机械开采的露天矿是用一定的采掘运输设备，在敞露的空间里进行开采作业。为了采出矿石，需将矿体周围的岩石及其覆盖岩层剥离掉，通过露天沟道或地下井巷把矿石和岩石运至地表（图2-35）。搬移岩土的生产过程称为剥离，开采矿石的生产过程称为采矿。露天开采是剥离和采矿的总称。

水力开采是利用水枪的高压水射流冲采矿石并用水力冲运。此法多用于开采松散砂矿床。

图2-35　露天开采示意图

露天开采与地下开采相比，有以下优缺点:

（1）矿山生产规模大。受开采空间限制较小，可采用大型机械设备，从而大大提高开采强度和矿石产量。目前我国五大露天采煤矿区的露天矿单坑生产能力均在800万～1 500万t/年（原煤），今后计划兴建的露天煤矿以千万吨级为主。国外已有年产原矿5 000万t/年的露天矿，年剥离量可达1亿m³到3亿m³。

（2）建设周期短。千万吨级的露天矿区建设周期一般为3～4年，移交到达产期需1～3年。

（3）开采成本低。露天开采成本的高低与所采用的生产工艺、矿石埋藏条件、矿岩运距、开采单位矿石所需剥离的岩土数量等有关。据统计，世界露天开采成本约为地下开采成本的1/2。目前我国露天采煤成本为地下采煤成本的1/3～1/2。

（4）劳动生产率高。据统计，世界露天采矿劳动生产率是地下开采的5～25倍，我国露天采煤的劳动生产率为地下开采的5～10倍。

（5）吨矿投资低。据我国东北地区及晋陕蒙地区投资估算及统计，露天矿单位吨煤投资比地下矿井平均单位投资低20%～30%。

（6）资源采出率高。由于露天开采的特点，露天开采时资源回收率较高，一般达95%以上，还可以顺便采出伴生矿物。据我国1989年统计，全国矿井煤炭资源平均回收率为32%，集体煤矿为10%左右，而露天矿回收率一般均在95%以上。

（7）木材、金属、电力的消耗少。据我国露天煤矿的资料统计，露天开采吨煤消耗的木材为矿井开采的1/13，消耗的金属材料比矿井开采少61%，电力消耗节省67%。

（8）作业安全，劳动条件好。露天矿百万吨死亡率仅为国有重点煤矿矿井的1/30。能开采易燃、多水、超级瓦斯等采用井工开采较困难的矿床。

（9）占用土地多。露天矿剥离物排弃往往占用很多的土地和耕地。

（10）对环境污染较大。露天开采作业过程中排出的粉尘较高；汽车运输排出的一氧化碳逸散到大气中；排弃物淋滤出的废水中有害成分污染江湖和农田等。

（11）受气候影响大。严寒、风雪、酷暑、暴雨等都会影响露天矿的正常生产。

（12）对矿床赋存条件要求严格。露天开采范围受到经济条件限制，只能开采矿体厚度大，且埋藏相对较浅的矿床。

（二）露天开采技术的发展

我国现有露天矿生产采用的开采程序都比较单一，主要采用缓工作帮、全境界开采方式。铁矿和煤矿绝大多数采用工作线呈平行走向分布、垂直走向推进的纵向开采方式，少数露天铁矿采用工作线沿走向推进横向开采方式；有色矿山采用部分纵向开采、部分横向开采方式；少数金属露天矿采用分期开采和分区开采。

露天矿开拓的核心问题是运输方式。目前采用的开拓方法主要有铁路运输、公路运输、铁路与公路联合运输、平硐溜井、汽车箕斗联合运输、汽车破碎机带式输送机运输等。

穿孔是坚硬矿岩露天矿的主要生产环节之一。目前我国金属矿山主要采用孔径250mm的牙轮钻和孔径200mm的潜孔钻，部分矿山使用孔径310mm的牙轮钻和孔径250mm的潜孔钻。在矿岩硬度比较大的露天矿，有用牙轮钻更新现有潜孔钻的趋势。

在我国露天开采铁矿石、有色金属矿石和冶金辅助原料矿石的技术发展较快，化工及建材系统多数属中小型露天矿。近年来，我国露天矿在爆破技术和新型炸药研制方面取得较大进展。在爆破技术方面推广应用大区微差爆破、压碴爆破、减震爆破和光面爆破。在露天矿基建剥离时，成功地进行了万吨级大爆破和数十次百吨级和千吨级的大爆破，掌握了在各种复杂条件下进行松动爆破、抛掷爆破及定向爆破的技术。在炸药加工方面，成功研制出了多种铵油炸药、多孔粒状铵油炸药、乳化炸药和防水浆状炸药。

我国今后露天开采技术的发展方向是开采规模大型化、工艺设备大型化、工艺连续化和半连续化、开拓方式多样化和强化开采，并且扩大电子计算机、系统工程等学科在露天矿设计、规划和生产中的应用，便于选择最优方案，并使生产管理现代化。

二、露天矿台阶构成要素

根据矿床埋藏的地形条件，露天矿分为山坡露天矿和凹陷露天矿。它们是以露天开采境界封闭圈划分的。封闭圈以上为山坡露天矿，封闭圈以下为凹陷露天矿。露天开采所形成的采坑、台阶和露天沟道的总和称为采矿场。

露天开采时，通常是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。台阶是露天采矿场的基本构成要素之一，是进行独立剥离和采矿作业的单元体。台阶构成要素如图2-36所示。

台阶朝向采空区一侧的倾斜面叫做台阶坡面。它与水平面的夹角叫做台阶坡面角。台阶上部平台与坡面的交线叫坡顶线。台阶下部平台与坡面的交线叫坡底线。台阶上部平台与下部平台间的垂线高度叫台阶高度。

开采时，将工作台阶划分成若干个条带逐条顺序开采，每一个条带叫做采掘带。各台阶上部平盘和下部平盘是相对的，一个台阶的上部平盘同时又是其上一个台阶的下部平盘。台阶通常是用开采该台阶的下部平盘（即装运设备站平盘）的标高表示，故常把台阶叫做某水平。

三、露天矿采场构成要素

露天矿采场构成要素如图2-37所示。由结束开采工作的台阶平台、坡面和出入沟组成的露天采场的四周表面称为露天矿场的非工作帮或最终边帮（图2-37中的AC、BF）。位于矿体下盘一侧的边帮叫做底帮，位于矿体上盘一侧的边帮叫做顶帮，位于矿体走向两端的边帮叫做端帮。

图2-36　台阶构成要素

1.台阶上部平盘；2.台阶下部平盘；3.台阶坡面；4.台阶顶线；5.台阶坡底线；α.台阶坡面角；h.台阶高度

图2-37　露天矿采场构成要素示意图

1.工作平盘；2.安全平台；3.运输平台；4.清扫平台

由正在进行开采和将要进行开采的台阶所组成的边帮叫露天矿场的工作帮（图2-37中的DF）。工作帮的位置是不固定的，它随开采工作的进行而不断改变。通过非工作帮最上一个台阶的坡顶线和最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面，叫做露天矿场的非工作帮坡面或最终帮坡面（图2-37中的AG、BH）。该帮坡面是代表露天矿场边帮的最终位置，在分析研究问题时，用它代替边帮的实际折线，可使问题简化并保证足够的精确性。最终边帮坡面与水平面的夹角叫做最终帮坡角或最终坡面角（图2-37中的β、γ）。

通过工作帮最上一个台阶坡底线与最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面，叫做工作帮坡面（图2-37中的DF）。工作帮坡面与水平的夹角叫做工作帮坡角（图2-37中的ψ）。工作帮的水平部分叫做工作平盘（图2-37中的1）。即台阶构成要素中的上部平盘和下部平盘，它是作为安装设备进行穿孔爆破、采装和运输工作的场地。

最终帮坡角和工作帮坡角在露天矿设计和生产中具有十分重要的意义，其大小直接影响露天开采境界和露天矿的生产能力。

最终帮坡面与地表的交接线为露天矿场的上部最终境界线（图2-37中A、B点）。最终帮坡面与露天矿场底平面的交线为下部最终境界线（图2-37中的G、H点）。上部最终境界线所在水平与下部最终境界线所在水平的垂直高度为露天矿场的最终深度。

非工作帮上的平台，按其用途不同可分为安全平台、运输平台和清扫平台。安全平台（图2-37中的2）是用作缓冲和阻截滑落的岩石，同时还用作减缓最终帮坡角，以保证最终边帮的稳定性和下部水平的工作安全。宽度一般为台阶高度的1/3。运输平台（图2-37中的3）是作为工作台阶与出入沟之间运输联系的通路。它设在与出入沟同侧的非工作帮和帮沟上，其宽度由所采用的运输方式和线路数目决定。清扫平台（图2-37中的4）是用作阻截滑落的岩石，并用清扫设备进行清扫，它又起安全平台的作用。每隔2～3个台阶在四周的边帮上设一清扫平台，其宽度依所采用的清扫设备而定。

四、露天矿山剥采比

露天开采与地下开采相比，重要特点之一是要进行大量的剥离。为了采出矿石，需要剥离一定数量的岩石。剥离的岩石量与采出矿石量之比，即每采一吨矿石所需剥离的岩石量叫做剥采比。其单位可用t/t、m³/m³（或t/m³）表示。剥采比在露天开采设计、采掘计划编制以及指导日常矿山采剥生产中是一个重要的参数。

露天矿设计和生产中常用的剥采比有平均剥采比、分层剥采比、生产剥采比、境界剥采比和经济合理剥采比等。

在露天矿开采设计中，通常采用境界剥采比不大于经济合理剥采比的原则来确定露天矿合理开采的深度（平均剥采比也不应大于经济合理剥采比）。

五、露天开采步骤

露天开采的必要前提是有适宜的矿床。矿床是否适于露天开采，最好在地质勘探的初期做出评价。适宜露天开采的矿床，经过进一步勘探提出满足露天矿设计要求的地质报告（包括围岩的工程地质资料和水文地质资料），经批准后，才可由设计部门进行设计。

露天矿经过详细设计，设计书经主管部门审查批准后，才能进行建设。此后的露天矿建设和生产的一般步骤如下:

（1）地面准备。把交通线、输电线引入矿区，在进行开采的地区清除或迁移天然和人为的障碍物，如树木、村庄、沼泽、厂房、道路、水渠、坟地等。

（2）矿区隔水和疏干。截断通过开采地区的河流或把它改道，疏干地下水，使水位低于要求的水平。

（3）矿山基建工程。包括开掘沟道，建立地面到开采水平的道路；建立工作线，进行基建剥离以揭露开采的矿体；建立运输线、排土场、桥梁等；建设地面工业设施和必要的民用建筑。(www.chuimin.cn)

（4）日常生产。矿山基建工程在开辟了必要的采剥工作线，保证达到一定采矿能力时即可移交生产。一般地，再经一段时间，才能达到设计生产能力。已经开采过的地区要按规定进行复土造田。

露天矿区的建设和生产是十分复杂的工程项目。土地的购置，设备的采购、安装和调试，人员的培训，组织管理机构的建立，以及复土造田等，牵涉面很宽，相互间联系密切。为了缩短工期，节约资金，全面、周密的统筹十分必要。

露天矿经较长时间的生产后，可能需要进行改建，以提高产量或进行技术改造。改建中，可能要扩大开采境界，改变工艺系统、设备类型和规格，所有这些也十分复杂，需做出详细的设计研究，并有效地组织实施。

六、露天开采生产工艺

（一）露天开采生产工艺

1.露天矿床开拓

露天矿床开拓就是建立地面与露天采场各工作水平之间的运输通道（即出入沟或井巷），以保证露天采场正常的运输联系，及时准备出新水平。

露天矿床开拓与运输方式有密切的关系。开拓方式的选择正确与否，直接影响矿山基建工程量、基建投资、投产与达产时间、矿山生产能力、生产成本等重要指标。

露天矿开拓运输方式可分为公路运输开拓、铁路运输开拓、公路-铁路联合运输开拓、公路（或窄轨铁路）-斜坡提升联合运输开拓、公路（或窄轨铁路）-平硐溜井联合运输开拓、公路-破碎站-胶带机联合运输开拓、自溜-斜坡卷扬提升运输开拓七种。

2.露天矿的开采方式

露天矿的开采方式是指在露天矿合理的大境界（或最终境界）范围内，采剥顺序在时间、空间条件的发展变化形式。我国露天矿（特别是金属露天矿）的开采方式随开采设备和技术的发展而不断改革。20世纪50年代一般采用全境界（不分期）开采方式，存在建设周期长、投资大等弊端。60～70年代，凡具备条件的矿山普遍采用分期开采方式。这样矿山可由小到大、先富后贫、先易后难，并使矿山初期建设速度加快，经济效益明显改善，由于矿山在过渡期剥离洪峰值往往很高，导致矿山设备、供电、人员及成本陡增，给生产管理带来很多不利因素。70年代以后，设计和可行性研究中提出了在分期过渡开采中采用陡帮扩帮新工艺和扩帮开采（多分期开采）新工艺，这样进一步解决了分期过渡开采特别是全境界开采方式中存在的一些弊端。

我国金属露天矿开采方式大体分为全境界（不分期）开采方式和分期开采方式两大类。而分期开采又分为分期过渡开采（分期时间长）、扩帮开采（或称分期开采，其分期时间短）和分区开采。

3.穿孔工作

穿孔工作是露天矿开采的首要工序，其工作好坏直接影响矿山的爆破、采装和运输工作。在整个露天开采过程中，穿孔费用约占生产总费用的10%～15%。穿孔工作一直是我国露天开采工作的薄弱环节，自从20世纪60年代末开始使用牙轮钻以后，穿孔工作才获得了新的进展。在国外，绝大部分露天矿山广泛使用牙轮钻。在我国，目前露天开采中使用的穿孔设备主要有牙轮钻、潜孔钻、钢绳冲击式穿孔机、凿岩台车等，其中牙轮钻使用最广，潜孔钻机次之，钢绳冲击式穿孔机已逐渐淘汰，凿岩台车在某些特定条件下使用。

4.爆破工作

爆破工作是露天矿山开采工作的又一重要工序，其目的是为采装、运输和破碎提供矿岩。矿山爆破费用一般约占矿山总成本的15%～20%。因此，爆破工作的好坏不但直接影响采装、运输和粗破碎的设备效率，而且影响矿山总成本。露天开采中使用的爆破方法主要有浅眼爆破法、深孔爆破法、硐室爆破法、药壶爆破法、外复爆破法、多排孔微差爆破法和多排孔微差挤压爆破法等。

5.采装工作

采装工作是露天矿开采全部生产过程的中心环节。其他工艺过程，如穿孔爆破、运输、废石排弃等，都是围绕采装工作展开的。采装工艺及其生产能力在很大程度上决定着露天矿开采方式、技术面貌、开采强度和最终的经济效果。

采装工作所用的机械设备有单斗挖掘机、前装机、索斗机、轮斗挖掘机、链斗挖掘机等。金属露天矿由于矿岩比较坚硬，目前国内外都以单斗挖掘机和前装机为主。采装技术发展的趋势是大型化和连续化，因此，随着爆破技术和挖掘机制造的进步，大型轮斗式挖掘机在金属矿山的应用是很有发展前途的。

6.运输工作

露天矿运输是露天开采的主要工序之一。运输系统的投资约占矿山总投资的40%～60%。运输成本和劳动量分别占矿山总成本和劳动量的一半。由此可见，露天矿运输在露天开采中占有十分重要的地位。

露天运输的基本任务，是将采场采出的矿石送到选矿厂、破碎站或储矿场，同时把剥离岩土运送到排土场，并将生产过程中所需的人员、设备和材料运送到工作地点。

露天开采运输方式可分为人力运输和机械运输、有轨运输和无轨运输。大中型露天矿采场采用的运输方式主要有自卸汽车运输、铁路运输、带式运送机运输、斜坡箕斗提升运输、斜坡卷扬运输、架空索道运输、联合运输（汽车-铁路联合运输、自卸汽车-斜坡箕斗联合运输）。

（二）露天矿开采生产工艺系统

露天矿的生产就是要进行剥离和采矿作业，把剥离出的废石和采掘出的有用矿物分别移运至排卸地点进行排卸。排卸废石的地点叫做排土场。采矿与剥离作业过程的总体称为生产工艺，主要包括矿岩准备、矿岩采掘和装载、矿岩移运、排卸等环节。

（1）矿岩准备。采掘设备能直接从整体中采落的松散岩土，无须这一生产环节；其余矿岩都要在采掘前做好准备。矿岩准备常用的方法是穿孔爆破。个别情况下，也有用机械的方法松碎矿岩，或用水使岩土松软。

（2）矿岩采掘和装载。采掘和装载主要由挖掘机或其他设备来完成，这是露天开采的核心环节。

（3）矿岩移运。即把剥离物运到排土场，有用矿物运往规定的卸载点。矿岩移运是联系露天矿各生产环节的纽带，所需设备多，消耗动力、劳力多，是日常生产管理中变化最频繁的环节。

（4）排卸。即剥离物的排弃。有用矿物向破碎、选矿厂的受料仓卸载。排土场占地面积大，应引起充分注意。

上述各工艺环节所使用的设备是有联系的，可用“生产工艺系统”一词来反映采、运、排各环节所用设备的特征。

根据露天矿使用的采、运、排设备特征，生产工艺系统的分类如表2-3所示。

表2-3　主要工艺系统分类

1.间断工艺系统

在间断工艺系统中，采装设备有单铲机、前装机、铲运机、推土机等，其中单铲机在国内外应用最普遍。露天矿用的单斗铲主要是履带式正向机械铲。

间断工艺生产系统所采用的排土方式主要有推土犁排土、机械铲排土和推土机排土。推土犁排土是我国铁路运输矿山广泛采用的排土方式。排土犁是在轨道上运行的一侧带有犁板的机械。机械铲排土的工序与排土犁相似，在国外露天矿中得到广泛应用，在我国部分露天矿中也取得了较好的效果。推土机排土主要和自卸汽车运输相配合，其作业过程比较简单，包括汽车卸载、推土机排落汽车卸载时的残碴土、平整场地和公路等。

完整的间断生产工艺系统如单斗铲-汽车-推土机配套的系统，如图2-38所示。

图2-38　单斗铲-汽车-推土机间断工艺系统

1.露天矿；2.单斗铲；3.自卸汽车；4.穿孔机；5.倾斜坑道；6.工作面道路；7.排土场；8.推土机；9.排土场干线

2.连续工艺系统

连续工艺系统是20世纪30年代发展起来的。我国有部分矿区使用这种工艺系统。连续工艺系统中，采装用铲土链斗铲或轮斗挖掘机，运输用胶带输送机，排土用排土机。

轮斗挖掘机-胶带运输机-推土机连续工艺系统如图2-39所示。

图2-39　轮斗挖掘机-胶带运输机-推土机连续工艺系统

1.胶带机驱动站；2.剥离轮斗挖掘机；3.装载漏斗；4.剥离台阶胶带机；5.链斗铲；6.采矿轮斗挖掘机；7.采矿台阶胶带机；8.悬臂排土机；9.卸料斗；10.排土胶带机；11.采矿干线胶带机；12.爬坡胶带机；13.剥离端帮胶带机

3.半连续工艺系统

连续工艺系统与间断工艺系统相比具有效率高、生产能力大等优点，但适用范围较窄，一般仅能用于岩性松软的露天矿山。为了改善中硬及硬岩露天矿山开采的技术经济效果，随着胶带输送机和移动破碎设备的发展，形成了将间断工艺系统和连续工艺系统相结合的半连续工艺系统。图2-40所示为单斗铲-移动破碎机-胶带输送机-排土机配套的半连续工艺系统。

4.倒推工艺系统

当存在水平或近水平埋藏的不太厚的矿体，而覆盖层又较薄时，可以采用向内部排土场进行倒推的开采工艺进行剥离工作，简称倒推工艺。这时采矿工作可用单斗铲、链斗铲进行。这种工艺系统投资省、成本低，有条件时应尽量使用。

图2-41所示为吊斗铲站在剥离台阶顶部直接倒推，用前装机及汽车进行采矿的倒推工艺系统。

图2-40　半连续工艺系统

1.露天采场；2.工作面胶带输送机；3.钻机；4.移动式破碎机；5.机械铲；6.大块；7.破碎大块重锤；8.干线胶带输送机；9.排土场；10.排土胶带输送机；11.卸料车；12.悬臂排土机

图2-41　倒推工艺系统