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采矿概论讲义1采矿基本知识1.1什么是采矿矿产资源埋藏在地下，要转化为国民经济所需要的原料产品，必须通过一定的技术和手段，将其开发出来。采矿是从地壳中将矿产资源开采出来并运输到加工地点或使用地点的行为、过程或工作（oremining）。1.2开采方式矿床开采可分为露天开采和地下开采两种方式。埋藏浅的厚大矿体多采用露天开采，埋藏深、厚度小的矿体多采用地下开采。介于两者之间的矿体，则需要进行技术经济方案比较后才能确定用露天开采或地下开采，或上部用露天开采，下部用地下开采。1.3基本概念1.3.1矿石、矿体、矿床凡是地壳中的矿物集合体，在当前技术经济水平条件下，能以工业规模从中提取国民经济所必须的金属或矿物产品的，称为矿石。以矿石为主体的聚集体叫矿体。矿床是矿体的总称。一个矿床可由一个矿体或若干个矿体所组成。1.3.2围岩、废石矿体周围的岩石称围岩。根据围岩与矿体的相对位置，有上盘与下盘围岩和顶板与底板围岩之分。凡位于倾斜至急倾斜矿体上方和下方的围岩，分别称之为上盘围岩和下盘围岩；凡位于水平或缓倾斜矿体顶部和底部的围岩，分别称之为顶板围岩和底板围岩。矿体周围的岩石，以及夹在矿体中的岩石（称之为夹石），不含有用成分或有用成分含量过少当前不具备开采条件的，统称为废石。1.3.3品位、边界品位、最低工业品位品位是指矿石中有用成分的含量，一般用重量百分数（%）表示，贵重金属则用g/t表示。边界品位是划分矿石与废石的有用组分最低含量标准。对不同种类的矿床，许多国家都有统一规定的边界品位。最低工业品位简称工业品位，是指在当前技术经济条件下，矿物原来的采收价值等于全部成本，即采矿利润率为零时的品位。有开采利用价值的矿产资源，其品位必须高于边界品位和最低工业品位。1.4矿岩力学性质硬度、坚固性、稳固性、结块性、氧化性、自然性、含水性、碎涨性是矿石和围岩的主要物理力学性质，对矿床的开采方法有较大的影响。1.5金属矿床的埋藏要素1.5.1埋藏深度和延伸深度矿体的埋藏深度是从地表至矿体上部边界的垂直距离，而延伸深度是指矿体上下边界之间的垂直距离（图1-1）。1—地表；2—矿体；H1—埋藏深度；H2—延伸深度图1-1矿体的埋藏深度和延伸深度1.5.2矿体形状由于成矿环境和成矿作用的不同，矿体形状千差万别，主要有层状、脉状、块状、透镜状、网状、巢状等（图1-2）。（a）层状矿床（a）脉状矿床（c）块状矿床（d）透镜状矿床（e）网状矿床（f）巢状矿床图1-2矿体形状12H1H21.5.3矿体倾角根据矿体倾角，矿体可分为以下几类：①水平和微倾斜矿体：矿体倾角在5°以下；②缓倾斜矿体：矿体倾角为5°~30°；③倾斜矿体：矿体倾角为30°~55°；④急倾斜矿体：矿体倾角大于55°。1.5.4矿体厚度矿体厚度是指矿体上下盘之间的垂直距离或水平距离，前者称为垂直厚度或真厚度，后者称为水平厚度。除急倾斜矿体常用水平厚度来表示外，其它矿体多用垂直厚度。由于矿体形状不规则，因此厚度又有最大厚度、最小厚度和平均厚度之分。垂直厚度与水平厚度和矿体倾角有如下关系（图1-3）：sinHHlv（1-2）式中：Hv—矿体垂直厚度；Hl—矿体水平厚度；—矿体倾角。矿体按厚度可分为5类：①极薄矿体：矿体平均厚度小于0.8m；②薄矿体：矿体厚度为0.8~2.0m；③中厚矿体：矿体厚度为2.0~5.0m；④厚矿体：矿体厚度为5.0~20.0m；⑤极厚矿体：矿体厚度大于20.0m。图1-3矿体厚度1.6金属矿床开发的基本要求与其他行业相比，采矿作业环境和劳动条件相对较差。故矿床开采过程中应注意以下要求：（1）要确保开采工作的安全，并具有良好的劳动条件。（2）要符合环境保护法的要求，减少对环境的破坏。HvHlα矿体上盘矿体下盘（3）要高效可持续发展。1.6.1矿山生产能力、矿山服务年限生产能力是指矿山企业在正常生产情况下，在一定时间内所能开采或处理矿石的能力，一般用万t·a-1或t·a-1来表示。矿山生产能力是矿床开发的重要技术经济指标之一，决定着矿山企业的基建工程、基建投资、主要设备类型和数量、技术建筑物和其它建筑物的规模与类型、辅助车间和选冶车间的规模、人员数量和配置等。矿山服务年限是矿山维持正常生产状态的时间，在矿山生产能力、矿床储量、采矿损失率和回收率等因素确定后，也即相应确定。矿山生产能力和服务年限是密切相关的，为在保证矿山合理的经济效益的同时，保持可持续发展，矿山企业必须具有一定的服务年限，因此矿山生产能力既不能过小，也不能无限扩大，应与矿山合适的服务年限相适应。1.6.2矿石损失率、贫化率矿床开采过程中由于各种因素（如地质构造、开采技术条件、采矿方法及生产管理等）的综合影响难免会造成部分工业矿石的丢失。采矿过程中损失的矿石量与计算范围内工业矿石量的百分比称为矿石损失率，而实际采出并进入选矿流程的矿石量与计算范围内工业矿石量的百分比则称为矿石回收率。由于采矿、运输过程中，围岩和夹石的混入或富矿的丢失，使采出矿石品位低于计算范围内工业矿石品位的现象称为矿石贫化，工业矿石品位降低的百分数成为矿石贫化率。2露天开采2.1露天开采的定义所谓露天开采就是从地面开掘露天坑道，将有益物采出。开采方法包括：人工开采、机械开采、水力开采和特殊开采（如采金船等）。2.2露天开采的优缺点世界上有2/3的矿山采用露天开采。与地下开采相比，露天开采具有以下优点：（1）建成投产的速度快，基建投资低。一个大型露天矿，一般需2-3年时间，最快几个月，而建成同样规模的地下矿山，则至少增加一倍时间。（2）适合使用大型、高效率机械设备，劳动生产率高，一般为地下的3-5倍。（3）生产成本低，一般为地下开采成本的1/2。（4）矿石的损失、贫化小，能更充分地回收地下资源。露天开采损失率为3-5%，废石混入率5-10%；地下开采损失率15-25%,废石混入率3-15%。（5）对高温易燃（高硫矿床、高磷矿床等），比地下开采安全可靠。（6）作业条件好，生产安全可靠。缺点：（1）在开采过程中，穿爆，采装，汽车运输，卸载，排土时粉尘大，汽车废气污染，排弃的矿岩中的有害成分污染农田河流等，这些比地下开采危害大些。（2）露采剥岩量很大，设专门的排土场，占用大片土地。（3）气候条件对开采的影响较大。尽管露天开采优越性很多，由于矿床的赋存条件非常复杂，因此有些矿体，用露天开采在技术经济上就不合算，而用地下开采却很合算，所以一个矿床用那种方式开采要用技术经济评价对比后方能确定。2.3名词术语2.3.1境界露天矿开采终了时或某一时期形成的露天矿场。2.3.2台阶、采掘带露天开采时，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。台阶是露天矿场的基本构成要素之一，是进行独立剥离岩石和采矿作业的单元体。台阶构成要素如图2-1所示。图10-2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—台阶坡顶线；5—台阶坡底线；h—台阶高度；—台阶坡面角台阶的命名，通常是以该台阶的下部平盘的标高（如+248m）表示，故常把台阶称作某某水平（如+248水平），如图2-3所示。开采时，将工作台阶划分成若干个条带逐条顺次开采，每一条带叫做采掘带。图10-3台阶的开采和命名2.3.3非工作帮、工作帮、最终边帮等由结束开采工作的台阶平台、坡面和出入沟底组成的露天矿场的四周表面称为露天矿场的非工作帮或最终边帮（图2-4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。正在进行开采和将要进行开采的台阶所组成的边帮叫做露天矿场的工作帮（图2-4中的DF）。工作帮的位置是不固定的，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2-4中的AG、BH）。最终帮坡面与水平面的夹角叫做最终帮坡角或最终边坡角（图2-4中的、）。最终帮坡面与地表交线，为露天矿场的上部最终境界线（图2-4中的A、B）。最终帮坡面与露天矿场底平面的交线，为露天矿场的下部最终境界线（图2-4中的G、H）。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距离，为露天矿场的最终深度。图10-4露天矿场构成要素通过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，叫做工作帮坡面（图2-4中的DE）。工作帮坡面与水平面的夹角叫做工作帮坡角（图10-4中的）。工作帮的水平部分叫做工作平盘（图10-4中的1），即工作台阶要素中的上部平盘和下部平盘，穿爆、采装和运输工作即在工作平盘上进行。非工作帮上的平台，按其用途可分为安全平台、运输平台和清扫平台。安全平台（图10-4中的2）是缓冲和阻截滑落岩石，减缓边坡角以保证最终边坡稳定和下部水平工作安全的非工作平台。运输平台（图10-4中的3）是作为工作台阶与出入沟之间运输联系的通路，其宽度依所采用的运输方式和线路数目来确定。清扫平台（图10-4中的4）是用于阻截滑落岩石并用清扫设备进行清理的非工作平台，它同时也起到安全平台的作用。2.3.4剥采比在露天矿，为了采出矿石，一般需要剥离一定数量的岩石，剥离岩石量与采出矿石量之比，即每采出单位矿石所需剥离的岩石量，称作剥采比，单位可采用m3/m3、m3/t或t/t）。2.3.5堑沟2.4露天开采的一般程序露天矿开采一般需要经过地面准备、矿床疏干和防排水、矿山基建、矿山生产和地表恢复等步骤。2.4.1地面准备地面准备，是指排除开采范围内和建立地面设施地点的各种障碍物，如征地拆迁、砍伐树木、河流改造、湖泊疏干、七通一平（通上水、通下水、通电、通讯、通气、通热、通路，平整地面）等。2.4.2矿床疏干和防排水在开采地下水很大的矿床时，为保证露天矿正常生产，必须预先排除一定开采范围内的地下水，即进行疏干工作，并采取截流等办法隔绝地表水的流入。矿床的疏干排水不是一次完成的，而是贯穿于露天矿整个生产周期。2.4.3矿山基建矿山基建工作是露天矿投产前为保证生产所必需的建设工程，包括掘进出入沟和开段沟、剥离岩石、铺设运输线路、建设排土场、购置必要的生产和生活设施以及修建工业厂房和水电等福利设施。其中的出入沟是为建立地表与工作水平之间、以及各工作水平之间的联系，而在台阶边帮上挖掘的倾斜运输通路；开段沟是在每个水平为开辟开采工作线而掘进的水平沟道。现状矿山生产是投入人力、物力和财力进行矿石回采工作的过程，包括掘沟、剥离和采矿三个露天矿生产中最重要的工程，其主要工艺过程基本相同，一般都包括穿孔、爆破、采装、运输、排土等工序。2.4.5地表恢复随着矿山开采的终了，占地面积也达到最大，为了保护环境，促进生态平衡，必须进行必要的生态恢复工作，如复土造田，绿化祼露的场地，处理排水场渗水，露天采场的安全等。2.5露天矿生产工艺过程露天矿主要生产工艺过程包括穿孔、爆破、采装、运输、排土等工序。防排水、通风（深部露天矿）等辅助工序也是在各个主要生产工艺过程中需要考虑的问题。2.5.1穿孔工作穿孔工作是金属矿床露天开采的第一道工序，它的工作好坏，对爆破、采装等项工作有很大影响。露天矿穿孔设备包括牙轮钻机、潜孔钻机、火钻、凿岩台车、钢绳冲击钻机等，当前大中型露天矿山最常用的穿孔设备是牙轮钻机和潜孔钻机。1)牙轮钻机牙轮钻机（图12-1）是20世纪50年代中期兴起的一种新型穿孔设备，随着牙轮钻机和钻头的日益完善，它已成为露天矿，尤其是大中型露天矿应用最广泛的穿孔设备，加拿大、美国等采矿技术发达国家的大型露天矿，几乎全部采用这种高效率穿孔设备。图12-1I-R公司的351牙轮钻机露天矿用牙轮钻机是采用电力或内燃驱动，履带行走、顶部回转、连续加压、压缩空气排渣、装备干式或湿式除尘系统，以牙轮钻头为凿岩工具的自行式钻机。优点：钻孔效率高，生产能力大，作业成本低，机械化、自动化程度高，是当今世界露天矿广泛使用的最先进的钻孔设备。缺点：设备价格贵、重量大，初期投资大，要求有较高管理水