组合台阶开采工作帮坡角及其结构参数的确定

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1、组合台阶开采工作帮坡角 及其结构参数的确定马鞍山矿山研完院王运敏从技术上论述了铁路运输 露天矿采用组合台阶开采时,确定工作帮坡角及其结构参数应考虑的主要因素,并从理论上探讨了彼此之间的相互关系和确定这些参数的依据、原则和方法。同时根据生产剥采比的变化规律,研究了不同服务年限的矿山在不 同开采深度的工作帮坡角的变化。组合台阶开采是露天矿实现陡帮开 采 工艺、提高矿山经济效益的有效途径之一。近儿年来,这种开采工艺已引起了我国采矿界的重视,组织力量进行研究与探讨,并开展了一些初步实践,取得了可喜的进展。然而,采用组合台阶开采时,工作帮坡角到底多大合适?其结构参数如何确定?仍处于工业性试验研 究阶段。

2、本文仅就铁路 运输露天矿山的井采技术条件方面作些分析与探讨。子人; 图1不同工作帮坡角剥禽 洪峰时的开采深度示意、工作帮坡角与生产剥采比的关系妇 丝 琳,影响生产剥采比的因素很多。研究 表明,工作帮坡角是影响生产剥采比的主要因素,而控制生产剥采比最有效的方法是调整工作帮坡角。以某矿山开采的标准断面 图 为例(图力,描述了这类倾斜或急倾斜矿体在不 同开采深度工作帮坡角与生产剥采比的变化曲线 (图幻。从图2中可见,每一条曲线即表示露天矿按某一 固定工作帮坡角进行生产时的剥采比变化规律。除分层剥采比和境界剥采比外,生产剥采比的变化规律都是由小 向大发展,当发展到剥离洪峰后又由大变小。工作帮坡角较缓时

3、,剥离洪峰出现较早,洪峰之前的时间较短,洪峰之后的时间较长;而较陡的工作帮坡角,其情况率率率兹兹亥亥鬓鬓鬓黔黔拼拼尸z 该该: 瞬瞬开采深魔民2不同工作帮坡角的生产剥采比变化示意恰恰与前者相反。随着工作帮坡 角的 逐 渐 变缓,其生产剥采比将逐渐接近分层剥采比;当生产剥采比为分层剥采比时,在矿山基建或生产初期就出现了剥离洪峰。相反,随着工作帮坡角逐渐加大,其生产剥采比则越来越接近境界剥采比;当工作帮坡角达到最大边坡角时,其生产剥采比的曲线 同境界剥采比的 曲线 完全 重合,这时的生产剥采比随着开采深度的增加逐渐增大,临近矿山生产结束之前,生产剥采比达山笋月已到七曰七五1 5.践.兴伙)A到最大

4、值。由于工作帮坡角不同,除达到剥离洪峰时的开采深度大不一样外,洪峰值的大小亦不相同。对于某一产状规则的矿体,如果其它条件一 定,其洪峰最小值的工作帮坡角则决定于矿体倾角,即诃一90“一0(1 )式中材一剥离洪峰最小值的工作帮坡角,度e矿体倾角,度上述分析表明,工作帮坡角的大小决定了生产剥采比的变化规律,即工作帮坡角越大,所推迟剥离的岩石量 越多,这是一般倾斜或急倾斜矿体露天开采的普遍规律。平均剥采比的水平,即要求在矿山生产前期的生产剥采比大于(略大于)平均剥采比,后期小于(或略小于)平均剥采比。其特点是工作帮坡角在最大可能数值以下作较大范围的波动,亦即工作帮坡角的调整范围较大,时间间隔较短。如

5、果工作帮坡角最大可能数值为30 0(图2、3 ),采用长期均衡的方法,前期的工作帮坡角应为10250,后期应为25300。这种长期均衡的方法仅适用于生产年限不长的中小型矿山。二、不同开采深度时工作帮坡角的确定虽然工作帮坡角越大,所推迟的剥岩量越多,但是不论矿山采用多大的工作帮坡角,只要在整个生产过程中该角度不发生变化,生产剥采比就会处于经常变化的状态,陡峭的剥离洪峰都将不可 避免。这些都将给矿山生产管理带来极大的困难,甚至会严重影响矿山的经济效益。因此,在实际生产过程中,就要对生产剥采比加以调整和均衡,使生产剥采比在一定时期内相对稳定。为了达到这一 目的,就要对工作帮坡角加以调整。对于 工作帮

6、坡角的调整范围与时间间 隔,既要与矿 山 目前开采技术条件、装备水平和管理手 段相适应,又要使矿山在整个开采期间获得较好的经济效益。这两者有时互相矛盾,前者往往对后者起到制约的作用。所以,在确定露天矿不同开采深度 的工作帮坡角时,都要根据前者的具体条件,求出技术上最大的可能数值,然后在这个最大可能数值以下,再根据均衡期的长短进行筛选,确定出经济效益较好的波动值范围。如果采取长期均衡的方法,应经常地适当改变工作帮坡角,使调整的生产剥采比保持在图3不 同工作帮坡角的Vj(p)曲线示意二: -二一长期均衡折 线月刀口刀刀尸一短期均衡对于服务年限很长的大型特大型矿山要实现长期均衡是比较困难的,而且也是

7、很不经济的。因为长期均衡就必然要将剥离洪峰时的大量岩石提前剥离,把几年后甚至几十年后的工程提前投资,这显然是不合理的。所以对于大型特大型矿山应采用短期均衡的方法,即以适当短的时 间间隔对生产剥采比进行均衡,使矿山整个开采期间的工作帮坡角处于技术上最大值以下,仅作小范围的波动。其特点是工作帮坡角的调整范围较小,时间间隔较短,一般为67年为宜。小于此值,除我 国设备折旧率水平还很低外,调整过于频繁,生产管理上也较难实现;大于此值,经济效益将会变差。当然,具体的时间 间隔还应根据各个矿山的具 体 条 件,通过经济分析比较后决定。当时间间隔确 定、二16后,就可在Vf(p)曲线图上按此时间间隔定出各时

8、期的生产剥采比了。如 图3中的折 线ABCD 刀F各线段的斜率,即为此规划出的 各时期的生产剥采比,此时的工作帮坡角仅在技术上的最大值以下作很小的波动。由于铁路运输的矿 山服务年限一般都比较长,都应采用这种短期均衡的方法。作帮坡角的关系,其变化趋势如图5所示。沪堵一1Nh b,+N(b。十hctga)担)三、工作帮坡角结构参数的确定对于所采用或调整后的工作帮坡角,在技术上是否能够实现,要通过对其结构参数具体分析计算后才能确定。组合台阶开采的工作帮坡角结构参数如图一 4所示。图4组合台阶结构参数示意图4中包括台阶高度、台阶坡面角、临时非工作平台宽度、一次循环推进宽度、一组内的台阶个数和工作平台宽

9、度。式2表示各参数 与工八侧)心N(个)h (米)b一(米)bZ吸米)图5结构参数与工作帮坡角变化关系式中卯- 工作帮坡角,度N一组内的台阶个数h台阶高度,m瓦一次循环推进宽度,m如一一临时非工作平台宽度,ma台阶坡面角,度各参数的选取主要取决于矿体赋存 条件、矿山规模、装备水平和开采技术条件等,各参数之间存在着相互联系 和相互制约的关系。对它们选取的适宜与否,决定了工作帮坡角的大小和矿山经济效益的好坏。因此,正确确定工作帮坡角的结构参数是一个十分重要工作。下面仅就铁路运输露天矿山采用组合台阶开采时,讨论如何确定工作帮坡角结构参数间题。(一)台阶高度h增加台阶高度可以有效地提高工作帮坡角。当台

10、阶高度由矿 山现在通常选用 的拐1 5m提高到203Om,工作帮坡角可由1 9、22.6“提高到8 1.2肠.5“,即台阶高度每增加lm,工作帮坡角可平均提高1 o。这说明增加台阶高度对提高工作帮坡角在一定范围内的效果 是比较显著的。提高 台阶高度不仅可以有效地提高工作帮坡角,大量推迟剥岩量,还可以推延最终边坡到界时间,减少边坡维护费用,同时也能简化开拓运输系统,减少铁路和管线的敷设、维修和移设工作量以及采装设备、穿孔设备的调动次数,缩短运输距离。但是,台阶高度由于受矿岩性质、穿孔爆破技术、矿床埋藏条件、开采强度、设备规格及其作业参数等因素的影响 而受到了限制。对于岩石稳定好、爆破技术水平高、

11、矿体倾角陡、设备能力大的矿山条件,可以采用较高的台阶,否则不能任意提高台阶高度;对于矿体赋存条件复杂、夹石多、矿石 品位变化大的矿 山条件,台阶高度也不宜过大,因为在开采矿岩接触带和夹石处的矿石时,矿石的损失贫化将随着台阶高度的增加而增加。因此,合理的台阶高度一方面要能有效地提高工作帮坡角,另一方面要确保人员、设备的作业安全和生产的顺利进行。我国目前露天矿 的台阶高度一般 为拐、15m,如在现有设备装备水平和技术条件下,提高到1824m是有可能的。比如鞍钢 大孤山铁矿曾在东部花岗岩区段所做的小型试验,台阶高度已达1 83 0m。苏联通过试验研究,认为按穿爆和采掘方法以及开采深度,最佳的台阶高度

12、为2445m,极限台阶高度为6Om。(二)台阶坡面角。台阶坡面角除决定于矿岩性质、节理、层理、裂隙发育程度和这些弱面与台阶坡面的夹角及风化程度等因素外,还与爆破参数和爆破效果有关。虽然工作帮坡角随台阶坡面角的增加而提高,但靠其提高的程度是有限 的(见图句。而且一个矿山的台阶坡面角的变化也不是很大的,要想通过提高台阶坡面角大幅度提高工作帮坡角是极其困难的。中硬以上矿岩的台阶坡面角一般为肠、7 0“ 。(三) I临时非工作平台宽度b,设置临时非工作平台是组合台阶开采的主要标志。由于临时非工作平台在某段时间内处于非工作状态,其上可以不必设置运输线路和预留平台推进宽度,其宽度可以大大小于工作平台宽度,

13、从而减少了采场内同时工作的平台数目,减少了采场内未到界平台的平均宽度,使工作帮坡角得到了提高。由式(2)和 图5可知,临时非工作平台宽度与工作帮坡角呈反正切函数关系,而随着临时非工作平台宽度的逐渐减小,士作帮坡角提高的速度越来越快。因此,尽可能地减少临时非工作平台宽度,可以大幅度提高工作帮坡角。然而,临时非工作平台宽度由于受爆破旁冲距离、运输设备种类与规格、设备与动力管线的配置方式、生产安全以及管理水平等因素的约束,虽然其值越小而工作帮坡角越大,但是,随之而来的扫道量越来越大,恢复工作越来越复杂,管理工作越来越困难。当临时非工作平台宽度小于某数值后,还会危及下部干作平台的作业安全。所以,在一定

14、的装备水平和线路、管线配置方式条件下,确定临时非工作平台宽度应以保证 生产安全为前提。而其中爆破的旁冲距离和扫道宽度是影响其值大小的关键因素。它们之间的关系为不扫道时,瓦己+。(3 )扫道时,巩V功一玩一生(N一幻吐五一1( 4 ) 或b:了ZVs i n(。一0 )/ (N一2)L如肠( 5 )式中爆破旁冲距离Jmc运输线路和. 辅助管线占用宽度,mV一爆破抛掷和电铲扫道扫至临 时非工作平台上的岩碴量,m“中与岩碴在临时非工作平台上 的 堆积形状有关参数0 岩碴 自然堆积角,度L台阶工作线长度,m其它符号 同前。如果由式( 3)确定临时非工作平台宽度,其 值一般为2 0、25m左右,这时的恢

15、复工作比较方便生产管理与现在采用缓帮开采工作没有什么区别,但工作帮坡角提高的幅度不太大。如果按式( 4)、( 5 )确定临时非工作平台宽度,则还应寻导出爆破抛落和扫道扫至临时非工作平台上的岩碴量与临时非工作平台宽度的 关系式,并将其值代入式( 4 )、(5 ),就可求得合适 的如值。由此确定的b:值,一般在巧、1 3m左右,但具体的值主要由爆破旁冲距离的大 小来决定。不同的爆破旁冲距离,其值也不相同。(四)一 次循环推进宽度瓦一次循环推进宽度是由工作线水平推进速度、年推进循环次数(或循环周期)、一次爆破进尺宽度、设备生产能力及生产管理方便等因素决定的。工作线水平推进速度由下式决定。%一呱( c

16、 tg尹+吨动( 6 )或。,_。,_日in(恤+动,一。1_二_。;_、vB一U括二三二 于获三二 丁 牙 万一丁一万 可Uuou-l甘v唱尹/匕ul户匕月三口十沪1少 (7)式中叽工作线水平推进速度,米/年%矿山工程延 深速度,米/年只卿分别为组合台阶、采矿台阶 的工作帮坡角,度月矿山工程延深角,度其它符号同前。式( 6 )为下盘固定坑线开拓,且矿石、岩石为 同一工作帮坡角。式( 7)为矿石、岩石处于不同的工作帮坡角的计算公式。一次循环推进宽度应满足下式:了b:。(8). 或乙,了一1,。(9) 式中K年推进循环次数,次了年一次循环推进宽度的最大值不应太大,否则就失去了组合台阶开采的意义;最小值也不 能小于单排孔一次爆破进尺。图6是工作线推进速度随年循环次数变化的情况。辅助作业成本增加,管理工作亦愈加复杂。r 值小于1,虽然可以克服上述弊端,但影响了工作帮坡角的提高。推进宽度的迅速 增大,将使矿山经济效益显著降低。由上 述分析可知,年循环次数最好为1,亦即b:。, 。由式( 6