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1、第二十一章 露天开采第一节 概述 露天开采就是采掘空间直接敞露于地表，为了采煤需剥离煤层上覆及其四周的土岩。因此，采场内建立的露天沟道线路系统除担负着煤炭运输外，还需将比煤量多几倍的土岩运往指定的排土场。所以，露天开采是采煤和剥离两部分作业的总称。 一、生产工艺环节 露天开采工艺环节分主要生产环节和辅助生产环节两类。 (一)主要生产环节 (1)煤岩预先松碎 采掘设备的切割力是有限度的，除软岩可以直接采掘外，对中硬以上的煤岩必须进行预先松碎后方能采掘。(2)采装 利用采掘设备将工作面煤岩铲挖出来，并装人运输设备(汽车、铁道、车辆、输送机)的过程。(3)运输 采掘设备将煤岩装入运输设备后，煤被运至
2、卸煤站或选煤厂，土岩运往指定的排土场； (4)排土和卸煤 土岩按一定程序有计划地排弃在规定的排土场内，煤被卸至选煤厂或卸煤站。 (二)辆助环节 辅助环节包括；动力供应；疏于及防排水；设备维修：线路修筑、移设和维修；滑坡清理及防治等。二、露天开采的采场要素及开采工艺分类1.台阶在开采过程中，露天矿天往往被划分为若干具有一定高度的水平分层，这种分层被称为“台阶”，见图21-1所示。台阶要素包括：台阶上部水平面，即上盘、下盘；朝向采空区的倾斜面，即坡面和台阶高度h，台阶坡面角等。台阶的位置往往用它的下盘标高来表示，如+100m水平，+115水平。图21-1 台阶要素图 2.露天矿场要素(1) 露天开
3、采境界露天开采终了时的空间状态。它包括开采终了时的地面境界AB、边帮AC、BD和底部境界线CD (图212)。图21-2 露天采场构成要素(2)边帮 由采场四周坡面及平台组合成的表面总体。其中包括：工作帮（图21-2中的GE）：由工作面台阶所组成，正在进行开采的边帮或一部分。非工作帮（图21-2中的AG、BF）：由非工作面台阶所组成的边帮。 (3)边帮角工作边帮角（图21-2中的）：工作帮最上台阶和最下台阶坡底线形成的假想平面与水平面的夹角。最终边帮角（图21-2中的、）：露天矿场终了时，最上台阶坡顶线和最下台阶坡底线组合成的假想平面与水平面的夹角。 3.开拓与开采要素出入沟：建立采场与地表运
4、输通道的露天沟道。开段沟：开掘某标高采掘工作面的沟道。开采程序：采场内土岩的剥离和采煤工程，在空间和时间上合理配合的发展顺序。三、露天开采的优缺点 露天开采与地下开采相比较，有以下优缺点： (1)矿山生产规模大 山西平朔安太堡露天矿年产原煤15.00Mt。黑岱沟、霍林河、元宝山和伊敏河露天煤矿计划规模为5.0012.00Mt/a。国外已有规模达50.00Mt/a的露天煤矿，年剥离量可达1亿到3亿m3。 (2)劳动效率高 1996年霍林河南露天煤矿原煤全员效率达19t/工；平朔安太堡露天煤矿全员效率36.6t/工。 (3)生产成本低 露天开采成本的高低与所选择的工艺、煤岩运距、开采单位煤量所需剥
5、离的土岩数量等有关。但与地采相比是低的。世界露天采煤成本约为地下开采采煤成本的二分之一。 (4)资源采出率高 一般可达90以上，还可对伴生矿产综合开发。 (5)作业空间不受限制 露天矿由于开采后形成的是敞露空间，可以选用大型或特大型的设备，因而开采强度较大。 (6)木材、电力消耗少。 (7)建设速度快，产量有保证，生产安全，劳动条件较好。 (8)占用土地多，污染环境 露大开采后的复田作业需花费相当数量的时间与资金。 (9)受气候影响大 严寒、风雪、酷暑、暴雨等会影响生产。(10)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，因此覆盖层太厚或埋藏较深的煤层尚不能用露天开采法。第二节 露天
6、开采的主要工艺过程露天开采工艺方法，根据采掘、运输、排土三个主要生产环节所采用的开采机械设备的工作特点，可以划分为三种类型：间断式开采工艺、连续式开采工艺、半连续式开采工艺。三种开采工艺各有其使用条件和优点，主要是：间断式开采工艺适用于各种硬度的煤岩和赋存条件，故在我国及世界上得到了广泛应用。而连续式开采工艺生产能力高，是开采工艺的发展方向，但对岩性有严格要求，一般适用于开采松软土岩。半连续式开采工艺是介于间断式开采工艺和连续式开采工艺之间的一种方式，具有两种工艺的优点，在采深大及矿岩运距远的露天矿山中有很大的发展前途。下面重点介绍我国露天煤矿采用较多的间断作业工艺方式。一、煤岩预先破碎 露天
7、开采所用的采装设备切割力是有限制的。采掘设备可以直接铲挖软岩，但更多的中等硬度以上的煤层和岩层难以直接挖掘。因此，必须对这些煤岩进行预先松碎。煤岩预先松碎效果的好坏将影响到采装、运输、排土设备的效率及采煤成本。如有大块煤必须进行二次破碎，就会提高成本；影响装车效率；若松碎过细，则又会影响煤的质量和价格。 露天矿广泛采用的预先松碎方法是穿孔爆破。即选用合适的穿孔设备，按一定规格打出孔眼。再进行装药爆破，爆破后使煤岩松散成一定规格的块度，便于采装。 (一)穿孔 穿孔用穿孔机完成，穿孔机有冲击式和回转式两类。1钢绳冲击式钻机 钢绳冲击式钻机是我国露天煤矿中的主要穿孔设备，它的工作原理如图213所示，
8、靠钻具1自由下落冲击孔底而凿碎岩石。经一定时间向孔内注入定量的水，使孔底岩粉与水混合形成悬浮岩浆，再定时用取渣筒取出泥浆。这种穿孔机结构简单，适应性强，易于维修，备件充足。但作业是间断式的，故穿孔效率低，劳动强度大。在岩性适宜的矿山(f6以下)，月效率可高达5000 m。 2潜孔钻机它是一种风动冲击式钻机。工作时将冲击器和钻头一起潜入钻孔，压缩空气经钻杆送入冲击器冲击钻头，孔底岩粉由压气排出孔外。 潜孔钻机结构简单，钻机机架和水平面的夹角可以改变(6090)，故可以穿凿倾斜孔、满足控制爆破要求。穿孔成本较低，穿孔效率般比钢绳冲击钻机高23倍。由于此钻机钻孔直径较小。故爆破后产生的煤岩块块度较小
9、。 潜孔钻适用于中等硬度的岩石。目前露天用潜孔钻机有CLQ-80、YQ-150A、KQ-150、KQ-200、KQ-250等型号，图21-4是KQ-200型潜孔钻机示意图。图21-4 KQ-200型潜孔钻机3.牙轮钻机它是一种回转钻机。工作时借助推压提升机构向钻头施加高钻压和扭矩，将煤者在静压、少量冲击和剪切作用下破碎，岩渣通过压缩空气吹出孔外。牙轮钻机效率高，适应性强，在各种硬度岩石中作业效果比其它钻机都好。在相同的穿孔条件下，牙轮钻机的穿孔效率比钢绳冲击式钻机高45倍，比潜孔钻机高12倍，且成本亦低。国产牙轮钻机有KY-310、YZ-55、KY-250、YZ-35、KY-150、ZX-15
10、0A等型号，图21-5是KY-310钻机示意图。图21-5 KY-310钻机示意图(二)爆破爆破工作是将煤岩从整体中分离下来，并按一定块度和工程要求堆积成一定的几何形体。爆破用炸药主要应用以硝酸铵为主加适量可燃剂组成的干爆炸剂和以硝酸铵水溶液为主加敏化剂等组成的含水炸药。如铵梯炸药、铵油炸药和铵沥蜡炸药。起爆方法可分为电起爆和非电起爆两类。电起爆有电雷管和起爆器两种，非电起爆有火力起爆和导爆索起爆。露天矿用的爆破方法多是沿台阶布置单排或多排垂直炮孔，进行深孔齐发或微差爆破。其主要参数是：钻孔直径D、底盘抵抗线Wd、孔距a、行距b、超钻长度、炮泥填赛长度等，如图21-6所示。各参数间相互关系是：
11、Wd=(0.60.9)h式中：Wd底盘抵抗线，m； h台阶高度，m； 式中：a孔距，m； m钻孔间距系数，0.71.3；式中：b行距，m；h0=(0.150.35) Wdh0超钻长度，m；式中：L0炮泥填赛长度。图21-6 钻孔布置与爆破参数(a)垂直钻机； (b)倾斜钻机。二、采装工作采装工作就是将软岩或预先松碎了的煤岩，通过机械设备采挖并装入运输设备中，或倒卸在指定地点。 广泛得到应用的间断式采装设备有：单斗挖掘机、前装机和铲运机等几种形式。(一)单斗挖掘机单斗挖掘机按其工作装置可分如下几种：正铲、反铲、刨土铲、拉铲和抓斗铲。（图21-7）1.正铲1)正铲的组成正铲由底座(行走装置和转向架
12、)、机体、臂架和工作机构(铲牛和推压杆)组成。2)工作规格(图21-8)图21-8 正铲工作面规格挖掘半径RW：挖掘时由挖掘机回转中心至铲斗斗尖的水平距离。推压杆最大水平伸出时的挖掘半径为最大挖掘半径RWMAX；铲斗平放在站立水平面上时的挖掘半径称站立水平挖掘半径RWP。挖掘高度HW：铲斗齿尖距站立水平的垂直距离。当推压杆伸出最大，提到最高位置时的垂直距离称为最大挖掘高度HWMAX。卸载半径RX：卸载时由挖掘机回转中心至铲斗中心的水平距离。当推压杆最大水平伸出时的卸载半径为最大卸载半径RXMAX；卸载高度HX：卸载时被打开的斗门下缘距站立水平的垂直距离。当推压轴以最大伸出和提到最高位置时，斗门
13、下缘距站立水平的垂直距离称最大卸载高度HXMAX。下挖深度hw：铲斗下挖时由站立水平至铲斗齿尖的垂直距离。国产机械单斗铲主要技术规格如表21-1所示。表21-1 国产机械单斗铲挖掘机主要技术特征表3）工作面参数工作面参数主要是台阶高度h和采宽A，两者与单斗铲工作规格有关。 不需要爆破的松软煤岩： 式中:Ht单斗挖掘机推压轴高度，m； h台阶高度，m：需要爆破的硕岩：采掘带宽度A和挖掘半径、卸载半径有关，一般为：A(11.5)RWP 铁道运输时A值可以为：Af(RWP+RXMAX) C式中 f挖掘规格利用系数，0.80.9； C铁道中心线至台阶坡底的距离，25m。4)生产能力目前确定单台挖掘机的
14、生产能力的方法有类比法和分析计算法。(1)类比法 按国内外类似矿山挖掘机实际生产能力较先进值选取。(2)分析计算法 单斗挖掘机台班生产能力为：式中：QW单斗挖掘机班生产能力，m3/班V铲斗容积，m3；n每分钟挖掘次数t次挖掘循环时间；T班工作小时数；Km满斗系数；Ks松散系数；班工作时间利用系数。2.液压铲液压铲在内蒙霍林河、山西平朔安太堡煤矿以及小龙潭露天煤矿得到了应用，其优点是重量轻，挖掘过程灵活平稳，效率高，利于选采。缺点是设备制造要求工艺高，维修复杂，在严寒地区作业需要特备低温油等。液压铲在边远新建矿区以及基建时期因主要是油压动力而显得更合适。 (二) 前装机 该机将采装、短距离运输、排弃和辅助作业集于一个设备。它灵活机动，运行速度高，爬坡作业性能好，维护费用低。前装机多是轮胎式的，运输距离一般不超过150 m。国产的前装机斗容为5m3，国外有斗容达22m3的前装机。 前装机(因21-9)和斗容相同的机械铲相比重量轻、价格便宜、操作简单。但前装机生产能力低，仅是同斗容机械铲能力的二分之一。此设备寿命短，轮胎和燃料消耗亦很大。因此，该机多作为辅助设备配合单斗挖掘机工作。图21-9 前装机三、运输煤岩从工作面经采装设备挖掘装入运输设备后，煤被运往卸煤站或选煤厂，岩被运往排
