[科普中国]-露天开采

历史发展中国发展

中国金属矿开采历史悠久，3000年前就开始凿井开采铜矿，2000多年前己有较规范的开采技术。但近代，中国金属矿开采技术长期处于停滞落后状态，矿山生产基本是靠手工作业，直到20世纪50年代以后金属矿采矿技术才得以迅速发展。特别是近几十年来，中国全面地开展了各种现代化采矿工艺和技术的科技攻关研究，在露天陡帮开采、间断—连续开采、阶段大直径深孔采矿、分段中深孔采矿、机械化分层采矿、自然崩落采矿、溶浸采矿、高效率矿山充填、岩体支护与加固、矿山防治水、露天成套采矿装备和井下成套采矿装备等方面均取得了重大成就因而使我国金属矿采矿技术水平迅速提高，有力地促进了金属矿开采工业的发展。1

取得成就露天开采是人类使用矿物最早出现的开采方式，最初是开采矿床的露头和浅部富矿。19世纪末使用动力挖掘机以来，露天开采技术迅速发展，露天矿的规模越来越大。

近代重大的成就有：

①出现了大型剥离倒堆设备,机械铲和索斗铲的最大铲斗容积(斗容)已分别达到137.5m3和168m3，最大的美国宾厄姆(Bingham)露天铜矿采剥总量曾达494242t/d。

②以轮斗铲、链斗铲、带式输送机、排土桥和悬臂排土机等设备组成的连续开采工艺的应用范围逐渐扩大，轮斗铲的理论生产能力高达240000m3/d，排土桥理论运输能力高达25600m3/h,跨度272.5±13.5m，采高60m。

③完善了适应性较强的间断开采工艺和设备，包括钻孔直径达380～444mm的大型高效率牙轮钻机；可在现场混制廉价炸药和防水炸药的装药车；大区微差爆破和挤压爆破技术；机械铲、液压铲和前装机的斗容分别达22～34m3、22～30m3和23m3;电机车的自重达150t,牵引机组粘重360t,自翻车载重180t，自卸汽车载重 154～318t；以及相应的推土机、移道机、平路机、铲运机等。

④发展了间断挖掘设备配以移动式和半移动式破碎机与带式输送机构成的硬岩半连续生产工艺。破碎机能力达4000m3/h等。1

方法分类露天开采，是指用一定的开采工艺，按一定的开采顺序，剥离岩石、采出矿石的方法。露天开采工艺，按作业的连续性，分间断式、连续式和半连续式。2

露天开采工艺作业方式一览表

|| ||

按矿床分布情况，大体有两类采矿方法：

平缓矿床的采矿方法

适用于倾角一般小于12°的平缓矿床。

间断式开采工艺适用于各种地质矿岩条件；连续式工艺劳动效率高，易实现生产过程自动化，但只能用于松软矿岩；半连续式工艺兼有以上两者的特点，但在硬岩中，需增加机械破碎岩石的环节。开采顺序是采矿和剥离在时间和空间上的相互配合。

倒堆采矿法

剥离物用机械铲或索斗铲直接向前一采掘带采空区倒堆，采矿工作面紧随剥离工作面推进。在相同情况下，机械铲的重量约为索斗铲的1.8倍,因此剥离高台阶时，多用索斗铲。剥离更高的台阶可采用二次或多次倒堆。方案有一台机械铲配合一台索斗铲、二台索斗铲互相配合或仅用一台索斗铲兼作二次倒堆等。

横运采矿法

剥离物用排土桥、悬臂排土机循垂直于工作线方向运往采空区，剥离台阶与采矿台阶推进的空间关系也受运输设备规格的限制，但不如倒堆采矿法那样严格。本法可适应更大的剥离厚度,民主德国的AFB－60型排土桥的可剥离厚度为60m。

纵运采矿法

剥离物沿工作线,绕过端帮,纵向运往采空区。本法不受采、运设备规格和剥离岩石厚度的限制,有较大灵活性。适用于单斗-机车车辆、单斗－(破碎机)带式输送机、单斗-汽车、轮斗-机车车辆-带式输送机等多种工艺。

倾斜矿床的采矿方法

基本上把剥离物运往外排土场，仅当采掘工作达到终了深度后，才能利用采空区内排。工作线的布置方式，基本有沿矿体走向布置和垂直矿体走向布置。

初始位置和推进方向的选择，应综合考虑矿床的地形地质条件、生产能力、运输方式、基建剥离量和生产剥采比的均衡等因素。倾斜矿床的生产剥采比在开采中是变化的。为了减少基建剥离量和推迟剥离高峰，平衡生产剥采比，改善经济效果，可以采取以下措施加陡工作帮坡角。2

组合台阶

用一台设备顺序采掘一组相邻的台阶，仅在采掘台阶上设工作平台（图1[ 组合台阶加陡工作帮]），也可有其他方式。

横采掘带

汽车运输的横向采掘带，相邻台阶尾随采掘，工作线横向布置,纵向推进（图2[横采掘带加陡工作帮]）。任一横断面上只有一个工作平台，每一台阶可设1～2台采掘设备。与组合台阶相比，本法可布置较多的采掘设备。

分区分期开采

走向较长或面积较大的矿床，实行分区分期开采，优先开采矿体厚、品位高、覆盖薄和剥采比小的区域。3

施工方法流程露天开采作业主要包括穿孔爆破、采装、运输和排土。露天开采的顺序是采矿和剥离在时间和空间上的相互配合，这四项工作的好坏及它们之间的配合如何，是露天采矿的关键。

1、穿孔爆破是在露天采场矿岩内钻凿一定直径和深度的定向爆破孔，以炸药爆破，对矿岩进行破碎和松动。穿孔设备主要有冲击式钻机、潜孔钻机和牙轮钻机等，多用铵油炸药、浆状抗水炸药和乳化炸药及粒状乳化炸药。

2、采装工作是用人工或机械将矿岩装入运输设备，或直接卸到指定地点的作业。常用的设备是挖掘机（有多斗和单斗两类）、轮斗铲和前端式装载机，广泛采用的为单斗挖掘机。

3、运输工作是将露天采场的矿、岩分别运送到卸载点（或选矿厂）和排土场，同时把生产人员、设备和材料运送到采矿场。主要运输方式有铁路、公路、输送机、提升机，还有水力运输和用于崎岖山区的索道运输。选择运输方式必须综合考虑地形、地质、气候条件，露天矿生产能力，开采深度，矿石和围岩的物理力学性质等，经过全面技术经济比较后，确定合理的运输方式。

4、排土工作系指从露天采场将剥离覆盖在矿床上部及其周围的大量表土和岩石，运送到专门设置的场地（如排土场或废石场）进行排弃的作业。排土方法依其排土设备的不同，分为推土犁推土、推土机排土、前装机排土和拖拉铲运机或索斗铲排土等。推土场应选择在尽量靠近采矿场，少占农田的位置，有条件的应放置在山谷、洼地处，注意环境保护和造田、还田。

技巧露天开采当矿体埋藏较浅或地表有露头时，应用露天开采最为优越。随着开采技术的发展，适于露天采矿的范围越来越大，可用于开采低品位矿床和某些地下开采过的残矿。

露天采场内的矿岩通常划分为一定高度的分层，每个分层构成一个台阶，以进行剥离和采矿。生产过程由矿岩松碎、采装、运输和卸载（卸矿和排土）组成。较松散的矿岩可用不经破碎，直接用采装设备挖掘。

对平缓矿床（一般矿层倾角小于12°）采用倒堆、横运或纵运采矿法。对于倾斜矿床采用组合台阶、横采掘带或分区分期开采的方法。

通常以倒堆法最优，横运法次之，纵运法最差。但适用的剥离厚度则相反。当剥离厚度大时，可在下部台阶用倒堆法或横运法，上部用纵运法。为缩短运距，可将矿田划分为若干采区，按一定顺序开采，把剥离物排往本采区或前一采区的采空区。

范围分布世界固体矿产总量中,约有2/3用露天开采。中国可供露天开采的矿产资源丰富。平朔、霍林河、伊敏河、准格尔、元宝山、昭通等地的煤田，鞍山、本溪、冀东、攀西等地区的铁矿,德兴、永平的铜矿,以及其他化工、建筑材料等,均有数以亿吨计的储量可供露天开采。2

缺点露天开采，指的是从敞露地表的采矿场采出有用矿物的过程。

露天与地下开采相比，优点是资源利用充分、回采率高、贫化率低，适于用大型机械施工，建矿快，产量大，劳动生产率高，成本低，劳动条件好，生产安全。

但需要剥离岩土，排弃大量的岩石，尤其较深的露天矿，往往占用较多的农田，设备购置费用较高，故初期投资较大。此外，露天开采，受气候影响较大，对设备效率及劳动生产率都有一定影响。

技术术语露天开采的各生产环节相互联系，构成多环节的动态系统。为使系统整体最优化，应用电子计算机、运筹学和系统工程等，来研究上述技术和管理问题。

露天开采的主要技术有：①见露天开采境界；②露天矿边坡稳定；③开采工艺；④开采程序（见露天采矿方法）；⑤露天矿开拓(见矿床露天开拓)；⑥疏干排水（见矿山排水，矿床疏干）；⑦矿山环境保护，矿山土地复用；⑧露天开采生产调度。

剥采比：剥离量与采矿量的比值。露剥采比是衡量露天开采经济效果的重要指标 (单位是m3/m3、m3/t)。天开采需剥离大量土岩，以揭露矿体。

山坡露天矿：根据地形，采场在上部境界封闭圈以上的部分称，最深的露天矿采深已达800m。

凹陷露天矿：根据地形，封闭圈以下的部分称凹陷露天矿。

采掘带：台阶开采时划分为一定宽度的条带。

采掘工作面：在采掘带中，进行采掘作业的部分

采掘工作线：具备采运条件的采掘带。

工作台阶：具有正常采掘条件的台阶。

工作帮：由若干工作台阶组成的露天矿边帮。

工作平盘：为进行正常生产，工作台阶需有足够的宽度，以布置穿孔、爆破、采矿、运输设备，构成的工作平台。

工作帮坡角：假想平面和水平面的夹角称工作帮坡角。

非工作帮：指的是不进行矿山作业的露天矿边帮。非工作帮上常设置供运输用的运输平台、截拦块石滚落的安全平台和清扫滚落块石的清扫平台。非工作帮常是露天采场开采结束时的最终边坡或最终边帮。

上部境界线：非工作帮与地表的交线。

下部境界线：非工作帮与露天矿底面的交线。

最终边坡角：通过上部境界线和下部境界线的假想斜面和水平面的交角。2