露天开采第三章 开采程序

李建忠太原理工大学矿业工程学院露天开采第三章露天开采程序概述台阶几何要素掘沟台阶的推进方式采场扩延过程与布线方式帮坡形式与帮坡角分期开采一、概述开采程序：露天开采范围内采煤、剥岩的顺序。即采剥工程在时间和空间上发展变化的方式。包括内容：台阶划分、掘沟、采剥初始位置确定、水平推进、垂直延伸方式、工作帮构成等。露天采场平面投影与剖面示意图-12m0m12m24m36m48m48m-12m0m12m24m36m封闭圈48m36m24m0m12m二、台阶几何要素台阶由坡顶面、坡底面和台阶坡面组成。台阶几何要素：台阶坡面角，是岩体稳定性的函数；台阶高度，受生产规模、采装设备、开采的选别性影响；台阶宽度，W=Wc(爆破带宽度)+Ws(安全平台宽度)。台阶几何要素WWAHHA200m200m176m176m188m188m台阶坡面坡顶线A-A坡顶面坡底线台阶坡面坡底面台阶三要素：W—台阶宽度H—台阶高度—台阶坡面角台阶高度：不小于挖掘机推压轴高度的2/3（以便满斗）。台阶高度应小于挖掘机最大挖掘高度（为了挖掘机的安全）。台阶坡面角与矿岩稳定性有关。岩石普氏系数f台阶坡面角（度）8-1470-753-860-701-350-60工作台阶：正在被开采的台阶。爆破带：工作台阶上正在被爆破、采掘的部分。其宽度为爆破带宽度（或采区宽度）。台阶的采掘方向：挖掘机沿采掘带前进的方向。台阶的推进方向：台阶向外扩展的方向。安全平台：在开采过程中，工作平台不能一直推进到上各台阶的坡底线位置，而是应留下一顶宽度。留下的这部分叫安全平台。安全平台宽度一般为2/3-1个台阶高度。最小工作平盘宽度：刚刚满足采运作业需要的空间的宽度。安全挡墙：在工作平盘的外沿用碎石堆筑的一道安全挡墙。台阶立体图台阶划分：水平划分、倾斜划分划分原则：有利于发挥设备效率，作业安全和提高煤质。单台阶开采程序:开采倾斜的出入沟、开掘开段沟、进行扩帮。三、掘沟掘沟是新台阶开采的开始，一般分为两阶段进行：首先挖掘出入沟，以建立起上下两个台阶水平的运输联系；然后开掘段沟，为新台阶的开采推进提供初始作业空间。出入沟参数：出入沟的坡度，取决于汽车的爬坡能力和运输安全要求；出入沟的坡度：100t以上的大型汽车的出入沟坡度为8-10%，台阶高度为12米，坡度为8%时的出入沟坡长为150米左右。出入沟与段沟示意图152m140m出入沟段沟164m开段沟初始位置选定：露头处，可设在顶板或底板。1山坡露天矿掘沟在许多矿山，最终开采境界范围内的地表是山坡或山包，随着开采的进行，矿山由上部的山坡露天矿逐步转为深凹露天矿。采场由山坡转为深凹的水平成为封闭水平，即在该水平上采场形成封闭圈。在山坡地带的开采也是分台阶逐层向下进行的。与深凹露天矿开采不同的是不需要在平地向下掘沟以达到下一水平，只需在山坡适当位置拉开初始工作面就可以进行新的台阶的推进。习惯上将“初始工作面的拉开”也称之为掘沟。山坡上掘出的“沟”是仅在指向山坡的一面有沟壁的单壁沟。封闭圈H最终境界矿体封闭圈单壁沟推土机开掘单壁沟WDGeT电铲开掘单壁沟WD=G+T+eG为电铲站立水平挖掘半径；T为电铲回转中心到履带外缘距离；e为电铲履带外缘到单壁沟外缘的安全距离。2深凹露天矿掘沟最小沟底宽度WDmin，是满足采运设备基本作业空间要求的沟底宽度，其值取决于电铲的作业技术规格、采装方式与汽车的调车方式。不同的掘沟方式下，所需要的WDmin：1）沟外调头中线采装，WDmin＝2G2）沟外调头双侧交替采装，WDmin＝G＋K3）沟内折返调车，WDmin＝R＋L＋d/2＋2e4）沟内环行调车，WDmin＝2R＋d＋2e沟外调头中线采装WDmin＝2G沟外调头中线采装平面图GGBWDmin=2GG—电铲站立水平挖掘半径；B—电铲最大卸载高度处的卸载半径。沟外调头双侧交替采装WDmin＝G＋K沟外调头双侧交替采装平面图WDmin=G+KG—电铲站立水平挖掘半径；K—电铲尾部回转半径；B—电铲最大卸载高度处的卸载半径。KGBBGK沟内折返调车WDmin＝R＋L＋d/2＋2e沟内折返调车平面图leedRRWDmin=R＋L＋d/2＋2eR—汽车最小转弯半径；L—汽车车身长度；d—汽车车身宽度；e—汽车距沟壁的安全距离。沟内环形调车WDmin＝2R＋d＋2e沟内环形调车平面图leeddRRWDmin=2R＋d＋2eR—汽车最小转弯半径；d—汽车车身宽度；e—汽车距沟壁的安全距离。不同掘沟方式的WDmin比较采用Weboo-120c(109t)汽车，R=12.4m，L=11.73m，d=6.179m，e=1.5m；6.88m3电铲，站立水平最大挖掘半径G=10.75m，尾部回转半径K=6.02m，最大卸载高度处的卸载半径B=13.87m。计算得：沟外调头中线采装：WDmin＝2G=21.5m；沟外调头双侧交替采装:WDmin＝G＋K=16.77m；沟内折返调车:WDmin＝R＋L＋d/2＋2e=30m；沟内环行调车:WDmin＝2R＋d＋2e=34m（最大）四、台阶推进方式一）采掘方式及工作平盘参数1）垂直采掘2）平行采掘3）采区宽度与采掘带宽度4）最小工作平盘宽度二）工作线布置方式1）纵向布置2）横向布置3）扇形布置1采掘方式—垂直采掘垂直采掘时电铲的采掘方向垂直于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶推进方向相平行。垂直采掘时，若采用双点装车，电铲的装载回转角度小(10°-110°之间，平均为60°左右)，装载效率高；缺点是汽车在电铲周围调车对位需要较大的空间，要求较宽的工作平盘。当采掘到电铲回转中心位于采掘前的台阶坡底线时，电铲沿工作线移动到下一个位置，开始下一轮采掘。一）采掘方式及工作平盘参数垂直采掘平面图采掘方向下一轮采掘位置工作线采区宽度台阶推进方向一次采掘深度（即采掘带宽度A）为电铲站立水平挖掘半径（G），沿工作线一次采掘长度为2G。2采掘方式—平行采掘平行采掘时电铲的采掘方向平行于台阶工作线走向(即采区走向)、与台阶推进方向相垂直。根据汽车的调头与行驶方式（统称为供车方式），平行采掘可进一步细分为许多不同的类型。单向行车不调头和双向行车折返调车是两种有代表性的供车方式。a单向行车不调头a单向行车不调头B台阶推进方向工作平盘宽度采掘方向安全挡墙优点：调车简单，工作平盘只需设单车道。缺点：电铲回转角度大，需双出入沟，增加了掘沟工作量。b双向行车折返调车（单点装车）工作平盘宽度安全挡墙台阶推进方向采掘方向B优点：需要一个出入沟。缺点：需要双车道；汽车调车时，电铲等待；电铲装车时，下一辆车处于等待状态。c双向行车折返调车（双点装车）安全挡墙台阶推进方向工作平盘宽度采掘方向BB12汽车1正在装车优点：减少了等等时间，车和铲的作业率得到提高。缺点：工作平盘宽度增加。d单向行车折返调车(双点装车)优点：工作平盘只需设单车道。缺点：需双出入沟，增加了掘沟工作量。e双向行车迂回调车(单点装车)优点：单出入沟。缺点：电铲回转角度大，等待时间长，需要双车道。3采区宽度与采掘带宽度采掘带宽度采掘带宽度爆堆宽度bAcAcWcWs采区宽度爆破带安全平台台阶推进方向爆堆宽度bWcWs采区宽度爆破带安全平台台阶推进方向爆堆爆堆(b)(a)采区宽度是爆破带的实体宽度，采掘带宽度是挖掘机一次采掘的宽度。当矿岩松软无需爆破时，采区宽度等于采掘带宽度。绝大多数矿山都需要爆破，故采掘带宽度一般指一次采掘的爆堆宽度。二者关系见上图。图中，(a)为一次穿爆两次采掘，(b)为一次穿爆一次采掘。可用Ac=1.5G取值，国内矿山一般为1－1.5G，国外矿山可达1.8G。采区宽度与爆堆宽度的关系b=2ksWcH/Hb-εWc式中，b－爆堆宽度；ks为矿岩爆破后的松散系数；Wc为采区宽度；H为台阶高度；Hb为爆堆高度；ε为爆堆形态系数。坚硬岩石爆堆横断面近似三角形，ε＝0；不坚硬岩石爆堆横断面近似梯形，ε＝1；中等坚硬岩石，0＜ε＜1。采用一爆一采时，爆堆宽度即为采掘带宽度（即b＝Ac），可根据上式反算出采区宽度。4最小工作平盘宽度最小工作平盘宽度（Wmin）是刚好满足采运设备正常作业要求的工作平盘宽度，其取值需依据采运设备的作业技术规格、采掘方式和供车方式确定。采用单向行车、不调头供车的平行采掘方式时，最小工作平盘宽度可根据装车条件计算。单向行车不调头平行采掘GBesdAcWcWmin=G+B+d/2+e+s33mG为挖掘机站立水平挖掘半径10.75m；B为最大卸载高度时的卸载半径13.87m；采用Webco-120c汽车，d为汽车车体宽度6.2m；e为汽车到安全挡墙距离,取1.5m；s为安全挡墙宽度3.5m。折返调车单点装车Wmin台阶推进方向采掘方向BeeLsdRWmin=R+d/2+L+2e+s=33.4mWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,L=11.38m,设e=1.5m,s=3.5m折返调车双点装车Wmin台阶推进方向采掘方向2RBB12eeddsWmin=2R+d+2e+s=37.5mWebco-120c汽车,R=12.4m,d=6.2m,设e=1.5m,s=3.5m小结实际上，由于汽车的灵活性，即使最小工作平盘宽度比用公式计算结果小一些，也可实现调车。但调车的时间会增长，影响作业效率。其它供车方式下的最小工作平盘宽度可以仿照上述做法，通过简单的几何分析计算求得。实际生产中的工作平盘宽度一般应大于理论计算值。当采用一次穿爆两次采掘（或如图所示的横向采掘）时，由于采区宽度(Wc)大大增加，工作平盘宽度也将大大增加。二）工作线布置依据工作线的方向与矿体走向的关系，工作线的布置方式可分为：•纵向•横向•扇形1工作线布置—横向横向布置时工作线与矿体走向垂直。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟，垂直于矿体掘短段沟形成初始工作面，或不掘段沟直接在出入沟底端向四周扩展，逐步扩成垂直矿体的工作面，沿矿体走向向一端或两端推进。由于横向布置时，爆破方向与矿体的走向平行，故对于顺矿层节理和层理较发育的岩体，会显著降低大块与根底，提高爆破质量。由于汽车运输的灵活性，工作线也可视具体条件与矿体斜交布置。1工作线布置—横向2工作线布置—纵向2工作线布置—纵向纵向布置时，工作线的方向与矿体走向平行。这种方式一般是沿矿体走向掘出入沟、并按采场全长开段沟形成初始工作面，之后依据沟的位置(上盘最终边帮、下盘最终边帮或中间开沟），自上盘向下盘、自下盘向上盘或从中间向上、下盘推进。3工作线布置—扇形3工作线布置—扇形扇形布置时工作线与矿体走向不存在固定的相交关系，而是呈扇形向四周推进。这种布置方式灵活机动、充分利用了汽车运输的灵活性，可使开采工作面尽快到达矿体。一个台阶的水平推进，使其所在水平的采场不断扩大，并为其下一个台阶的开采创造条件，新台阶工作面的拉开，使采场得以延深。台阶的水平推进和新水平的拉开，构成了露天采场的扩展与延深。五、采场扩延过程与布线方式1采场扩延示意图假设一露天矿最终境界内的地表地形较为平坦，地表标高为200m，台阶高度为12m。首选在地表境界线的一端沿矿体走向掘沟到188m水平（图a）。出入沟掘完后在沟底以扇形工作面推进（图b）。当188m水平被揭露出足够面积时，向176m水平掘沟，掘沟位置仍在左侧最终边帮(图c)。之后，形成了188-200米台阶和176-188米台阶同时推进的局面（图d）。随着开采的进行，新的工作台阶不断投入生产，上部一些台阶推进到最终边帮（即已靠帮）。若干年后，采场现状变为如图e所示。当整个矿山开采完毕时便形成了如图f所示的最终境界。2布线方式1）螺旋布线2）迂回布线3）固定式布线4）移动式布线1）螺旋布线台阶的出入沟沿最终边帮成螺旋状布置，故称为螺旋布线。螺旋布线的特点•螺旋线弯道半径大，线路通视条件好,汽车直进行驶，不需经常改变运行速度，道路通过能力强；•工作线的长度和推进方向会因采场条件的变化而发生变化，生产组织较为复杂；•各开采水平之间有一定的影响，新水平准备和采剥作业程序较为复杂；•要求采场四周边帮的岩体均较为稳固。出入沟以迂回