露天矿山分台阶开采与分层开采技术研究

张明增

【摘 要】世界煤炭资源的开采以露天开采方式为主，露天开采分为台阶式开采和分层开采两种方式，本文详细讨论了两种方法的相同点和不同点，并分析了每种方法的适用条件。

【关键词】露天矿山；技术研究

世界煤炭生产是以露天开采方式为主的，而我国目前露天煤矿的产量占全国煤炭生产总量的比例仅5%左右[1]。这主要由于煤炭资源赋存的地质条件异常复杂，符合露天开采的煤炭资源数量较少。根据不完全统计，我国适合露天开采的煤炭资源比例约占总资源的7-10%之间，远低于美国、俄罗斯、澳大利亚、印度60%～75%的水平，而其中70%为褐煤，主要分布在内蒙、新疆和云南。20世纪70年代改革开放以后，5大露天煤矿，即安太堡、黑岱沟、霍林河、伊敏河、元宝山露天矿的建设标志着我国露大煤矿建设进入一个新的阶段。进入新世纪后，我国规划的13座大型煤炭基地中，神东、晋北、蒙东（东北）、云贵、黄陇（华亭）、陕西等基地都将建设大型露天煤矿。其中，仅蒙东要建7个5000万吨级大型煤炭基地，包括胜利一、二、二号、白音华、伊敏河、宝日希勒一号和二号等。另外还有神府、哈尔鸟素和原有五大露天煤矿的改建及二、三期扩建也在进行中。根据当前发展趋势的初步预计，我国露天煤矿产量占全国煤炭生产总量的比例将由2000年的4%增加到2010年的10%左右，2020年将达到15%，可以说露天煤矿在我国的发展正处于迅猛增长期和前所未有的发展机遇期，前景可观。

1.露天矿山分台阶开采技术

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或称为阶段，这种开采方式叫做台阶式开采。台阶是露天采矿场的基本构成要素之一，是进行独立剥离和采矿作业的单元体[2-3]。台阶构成要素如图1所示。

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；a—台阶坡面角；h-台阶高度

图1 台阶构成要素示意图

台阶朝向采空区一侧的倾斜面叫台阶坡面。它与水平面的夹角叫台阶坡面角（见图1中的3和a）。

台阶上部平台与坡面的交线叫坡顶线（见图1中的4）。

台阶下部平台与坡面的交线叫坡底线（见图1中的5）。

台阶上部平台与下部平台间的垂线高度叫台阶高度（见图1中的h）。开采时，将工作台阶划分成若干个条带逐条顺序开采，每一个条带叫做采掘带。各台阶上部平盘和下部平盘是相对的，一个台阶的上部平盘同时又是其中一个台阶的下部平盘。台阶的命名，通常是用开采该台阶的下部平盘（即装运设备站平盘）的标高表示，故常把台阶叫某水平。

特点：

（1）自上而下分台阶顺序开采，必须有上山公路的修筑，公路要开拓到运输平台，采装设备在运输台阶上进行铲装，适合上规模的露天矿山开采、采掘设备要求比较高，分多个工作面开采时，相互之间必须错开一定的距离。

（2）实施中深孔爆破时，高度最多不得超过挖掘机举高的1.5倍（根据岩层硬度系数定）。台阶高度与岩体稳定性和采掘设备能力密切相关。

（3）运输平台宽度，根据设备定，终了平台一般为3m，清扫平台一般为6m。

2.分层开采技术

分层式矿床开采是指将开采设计的每一个台阶都作为一个独立分层，每个分层中都包含许多平面尺寸相同但高度可以不同的网块，不同分层中网块高度可根据工程、工艺需要变化，但网块平面尺寸相同[4-5]。

将所有分层按对应的平面坐标系及高程次序顺序地迭加在一起 ，就构成了该区域的矿床开采地质模型。这是一种一维可变、两维固定的块段矿床模型。分层式矿床开采地质模型建立的过程是：根据开采程序制定的台阶划分原则形成各台阶的初始台阶界面；按选采和工艺要求调整台阶界面；根据各地质界面与各台阶上、下盘界面的空间位置关系确定各台阶、各网块中分类矿岩含量；将各台阶模型按空间次序组合成矿床开采地质模型。

2.1台阶界面确定

台阶划分主要取决于开采工艺、设备规格及矿床赋存条件。台阶的划分应有利于发挥设备效率、提高矿石质量（满足选采要求）及保证作业安全。一般地，露天开采的台阶有三种划分方式：按水平分层划分台阶；按倾斜分层划分台阶；按混合分层划分台阶（部分倾斜分层，部分水平分层）。

因每个台阶界面均由其下盘界面及上一台阶的下盘面（ 或地表面） 围成，故确定台阶界面的关键是确定台阶下盘界面。

最后确定台阶下盘界面；按选采及工艺要求对初定的台阶界面进行调整。

2.2台阶中分类矿岩量的确定

根据各地质层面与各台阶界面的空间位置关系确定各台阶各网块的分类矿岩含量。台阶界面与地质分层面有如下六种基本关系：台阶位于地质分层中；地质分层位于台阶中；台阶夹地质分层顶板；台阶夹地质分层底板；台阶在地质分层之下；台阶在地质分层之上。在该台阶范围内逐网块进行计算。对于每一地质分层，均考察其与本台阶界面的位置关系，若地质分层与本台阶有相交或包含（被包含）关 系，则进一步确定相交或包含高度。

据此确定出本台阶各网块内的分类矿岩厚度、量。若独立可采矿层顶、底板位于台阶中，还需扣除采掘贫化损失厚度。台阶中的每一网块，都记录其分类矿岩量。

特点：

（1）自上而下分层顺序开采，是在不分台阶开采的情况下，目前能够保证开采安全的唯一可行的开采方式。由于该开采方式不分台阶，可以省去上山公路的修筑，节省大量的投资，适合小型露天采石场规模小、采掘设备简单、赢利能力弱的特点。同时由于该开采方式设有分层凿岩平台，与在坡面上凿岩相比，可保证凿岩作业安全。

（2）实施中深孔爆破时，分层高度不得超过20米。分层高度与岩体稳定性和采掘设备能力密切相关，限制分层高度是基于开采安全和效率两方面考虑。

（3）分层凿岩平台宽度不得小于4米。分层平台宽度过窄，凿岩作业场地面积不足，作业过程中易发生坠落事故。当然，分层平台也不宜过宽，否则爆碴不能全部直接抛掷到装岩平台，需要在分层平台转运，这样会增加生产成本，降低作业效率，也就失去了分层开采的意义。

3.结语

（1）露天矿台阶式开采自上而下分台阶顺序进行，必须有上山公路的修筑，公路要开拓到运输平台，采装设备在运输台阶上进行铲装，适合规模比较大的露天矿山开采、采掘设备要求比较高，分多个工作面开采时，相互之间必须错开一定的距离。

（2）露天矿分层开采自上而下分层顺序开采，是在不分台阶开采的情况下，目前能够保证开采安全的唯一可行的开采方式。由于该开采方式不分台阶，可以省去上山公路的修筑，节省大量的投资，适合小型露天采石场规模小、采掘设备简单、赢利能力弱的特点。同时由于该开采方式设有分层凿岩平台，与在坡面上凿岩相比，可保证凿岩作业安全。

【参考文献】

[1]国家能源局发展规划司.科学发展的2030年国家能源战略研究报告（征求意见稿）[M].2009.

[2]才庆祥，洪宇.露天煤矿高效开采新技术[M].中国矿业大学出版社，2008.

[3]骆中洲.露天采矿学（上册）[M].中国矿业学院出版社，1986.

[4]牛成俊.现代露天开采理论与实践[M].北京：科学出版社，1990.

[5]杨荣新.露天采矿学（下册）[M].北京：煤炭工业出版社，1986.