露天煤矿开采

第七章露天煤矿开采

本章对露天煤矿开采的基本过程作了整体概述，包括露天煤矿开采的基本概念、开采步骤、开拓方式及回采工艺方式。其中露天煤矿开拓方式及回采工艺为本章的重点内容。露天煤矿开拓主要研究整个煤层开发的程序，综合解决露天矿场的主要参数、工作线推进方式、矿山工程延深和剥采的合理顺序等，建立合理的煤层开采运输系统。

第一节露天开采概述

一、露天煤矿开采概述

为开采煤炭资源，从地表建立起来的各种揭露煤层和坑道的矿山工程总体通称为露天煤矿开采。它是先将覆盖在煤层之上的土壤和岩石全部清除、露出煤层，再进行采掘工作的一种开采方法。露天开采与地下开采相比具有以下优越性：一是矿山基建时间短，生产规模大，劳动生产率高，开采成本低与基建投资低；二是开采条件好，作业较安全，生产系统可靠。但是，露天采场和排土场破坏自然景观和植被，排弃物中有害成分流入水系和农田，污染水源和土壤，影响生态平衡和农业生产。露天开采易受气候条件如严寒、酷暑、冰雪和暴风雨的影响和干扰较大。

综上所述，露天煤矿开采具有技术和经济上的优势，但又面临环保和复垦等方面的问题。因此，露天煤矿开采应处理好煤炭资源开发与生态环境保护的关系，谋求可持续发展的途径。

二、露天煤矿开采基本概念

1、台阶

露天煤矿开采时，通常把采场内的煤层划分为若干具有一定高度的水平分层，自上而下逐层开采，并保持一定的超前关系。开采的分层在空间上呈阶梯状，称为台阶。台阶构成要素如图7—1所示。

图7—1 台阶构成要素图

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；α—台阶面角度；h—台阶高度台阶通常划分为具有一定宽度的若干条带，这些条带称为爆破带。挖掘机一次挖掘的宽度称为采掘带，如图7—2所示。每个爆破带可作为一个采区，或划分为具有一定长度的若干采区。已经做好采掘准备工作的采区称为工作线。

12m

±0m ⅠⅡⅢ

图7—2 采掘带、采区示意图

为建立地面与采场之间以及相邻工作水平之间的运输联系而开掘的倾斜沟道称为出入沟。为开辟新工作水平而掘进的水平沟道称为开段沟。

2、工作帮

正在和将要进行开采的台阶所组成的边帮称为工作帮(图7—3中的DF)。工作帮的位置随开采工作的推进不断移动。由已结束开采工作的台阶和沟道组成的边帮称为非工作帮或最终边帮(图7—3中的AC和BF)。

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称为工作帮坡面(图7—3中的DE)。工作帮坡面与水平面的夹角称为工作帮坡角(图7—3中的 角)。工作帮上设置采掘设备和设施的平台称为工作平盘(图7—3中的1)。

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称为非工作帮坡面或最终帮坡面(图7—3中的AG和BH)。最终帮坡面与水平面的夹角称为最终帮坡角或最终边坡角(图7—3中的β和γ)。

A

3

2B

4

F

E 1

C

D G

H

β

γ

Φ

图7—3 台阶构成要素图

1—工作平盘；2—安全平台；3—运输平台；4—清扫平台

非工作帮上的平台按其用途可分为安全平台、清扫平台和运输平台。安全平台用来缓冲和阻截边坡上滑落的岩石，以保证下部平盘的工作安全，并具有减缓最终边坡角，维持边坡稳定的作用。安全平台的宽度一般约为台阶高度的1/3左右。

最终帮坡面与地表相交的闭合曲线称为露天采场的上部境界线(图7—3剖面中的A 和B 点)。最终帮坡面与开采终了的露天采场底平面的交线称为下部境界线或底部周界(图7—3剖面中的G 和H 点)。上、下部境界线之间的垂直距离称为露天采场的开采深度。

最终帮坡面与过上部境界线最低点的水平面相交的闭合曲线称为露天采场封闭圈。露天采场位于封闭圈以上和以下的部分分别称为山坡露天矿和凹陷露天矿。根据露天采场的端帮矿岩量与总矿岩量的比值，可将露天矿分为长露天矿和短露天矿。当此比值小于0.15～0.20时为长露天矿，反之为短露天矿。

第二节 露天煤矿开拓

露天煤矿开拓就是建立地面到露天采场各工作水平及各工作水平之间的煤岩运输通道，建立采矿场、采矿点、废石场、工业场地之间的运输联系，形成合理的运输系统。其主要研究内容是开拓运输方式、开拓坑线的位置及其布置形式。

露天煤矿开拓系统是露天矿开采中极其重要的问题，它不仅影响到最终境界的位置、生产工艺系统的选择、矿山工程发展程序等，还直接关系到基建工程量、基建投资、投产和达产时间、生产能力、生产的可靠性及生产成本等技术经济指标。

按运输方式不同，露天煤矿开拓可以分为：公路运输开拓、铁路运输开拓、平硐溜井开拓、胶带运输开拓、斜坡提升开拓和联合开拓等。

一、公路运输开拓

公路运输开拓采用的主要设备是汽车。其坑线布置形式有直进式、回返式、螺旋式以及多种形式相结合的联合方式。

1、直进式坑线开拓

当山坡露天煤矿高差不大、地形较缓、开采水平较少时，可采用直进式坑线开拓，如图7—4所示。运输干线一般布置在开采境界外山坡的一侧，工作面单侧进车。

当凹陷露天煤矿开采深度较小、采场长度较大时，也可采用直进式坑线开拓。公路干线一般布置在采场内矿体的上盘或下盘的非工作帮上。条件允许时，也可在境界外用组合坑线进入各开采水平。但由于露天矿采场长度有限，往往只能局部采用直进式坑线开拓。

图7—4 山坡露天矿直进式公路开拓系统图

2、回返式坑线开拓

当露天煤矿开采相对高差较大、地形较陡，采用直进式坑线有困难时，一般采用回返式坑线开拓，或采用直进与回返联合坑线开拓，如图7—5所示。开拓线路一般沿自然地形在山坡上开掘单壁路堑。随着开采水平不断延深，上部坑线逐渐废弃或消失。在单侧山坡地形条件下，坑线应尽量就近布置在采场端帮开采境界以外，以保证干线位置固定且煤岩运输距离较短。

凹陷露天矿的回返坑线一般布置在采场底盘的非工作帮上，可使开拓坑线离矿体较近，基建剥岩量较小。

回返坑线开拓适应性较强，应用较广。但由于回返坑线的曲线段必须满足汽车运输要求(如线路内侧加宽等)，使最终边帮角变缓，从而使境界的附加剥岩量增加。因此，应尽可能减少回头曲线数量，并将回头曲线布置在平台较宽或边坡较缓的部位。

12

+152

+128

+140

+80

+

1

6

4

+

1

1

6

+

4

4

+

9

2

+

5

6

-20

+32

+68

3

4

4

+8

+104

+176

图7—5 直进—回返联合坑线开拓系统图

1—出入沟；2—连接平台；3—露天采矿场上部境界；4—露天采矿场底部境界

3、螺旋坑线开拓

螺旋坑线开拓一般用于深凹露天矿。坑线从地表出入沟口开始，沿着采场四周最终边帮以螺旋线向深部延伸。由于没有回返曲线段，扩帮工程量较小，而且螺旋线的曲率半径大，汽车运行条件好，线路通过能力大。但回采工作必须采用扇形工作线，其长度和推进方向要经常变化，且各开采水平相互影响，使生产组织工作复杂。

由于露天采场空间一般是变化的，坑线往往不能采用单一的布置形式，而多采用两种或两种以上的布置形式，即联合坑线。图7—6为上部回返，下部螺旋的回返—螺旋联合坑线开拓方式。

1

2

-40

-40

-88

-28

-52

-100

-72

-64- 16

-16

+15

+25

-3-5

-1+1

+ 5

+

1

5

-64

+25

+34

-88

图7—6 回返－螺旋联合坑线开拓系统图

1—出入沟；2—连接平台

二、铁路运输开拓 1、坑线位置

因铁路运输牵引机车爬坡能力小，每个水平的出入沟和折返站所需线路较长，转弯曲线半径很大，故不适用于采场面积小，高差较大的露天煤矿开拓。铁路运输开拓采用较多的坑线形式为直进式、折返式和直进—折返式三种类型。

山坡露天煤矿的坑线位置主要取决于地形条件和工作线的推进方向。当地形为孤立山峰时，通常将坑线布设在工作帮的背面山坡上；当地形为延展式山坡时，通常将坑线布设在采场的—侧或两侧。图7—7为露天矿上部开拓系统示意图。

往排

场

图7—7 露天矿上部折返铁路开拓系统图

凹陷露天煤矿的坑线布置形式主要取决于采场的大小与形状、工作线的推进方向和生产规模。一般将坑线布置在底帮或顶帮上，但有时为了减少折返次数，也可将上部折返坑线改造成螺旋坑线。图7—8为凹陷露天矿顶帮固定直进—折返坑线开拓系统。

图7—8 凹陷露天矿顶部帮固定直进—折返坑线开拓系统图

2、线路数目及折返站

根据露天矿的年运输量开拓沟道可设计单线或双线。露天煤矿年运输量700万t 以上时，多采用双干线开拓。其中一条为重车线，另一条为空车线。年运量小于上述值时，则一般采用单干线开拓。

折返站设在出入沟与开采水平的连接处，供列车换向和会车之用。图7—9为单干线开拓，工作水平为尽头式运输和环行运输的折返站。环形运输折返站的附加剥岩量较大，但当台阶上有两台或两台以上挖掘机同时作业时，相互干扰较小。采用双干线开拓时，折返站的布置形式分为燕尾式和套袖式，如图7—10所示。

干线

面线

面线

图7—9 双干线开拓的折返站图 （a ）燕尾式；（b ）套袖式

通工作

通工作

面线

图7—10 双干线开拓的折返站图

（a）燕尾式；（b）套袖式

三、其它开拓

1、平硐溜井开拓

平硐溜井开拓是借助于开凿的平硐和溜井(溜槽)，建立露天煤矿工作台阶与地表的运输联系。确定溜井位置时，应使溜井与采掘工作面间的平均运输距离短，溜井和平硐的掘进工程量小。

2、胶带运输开拓

露天煤矿采用胶带运输机开拓具有生产能力大、升坡能力强、运输距离短、运输成本低等优点。按露天煤矿各生产工艺环节是否连续，胶带运输机开拓分为连续开采工艺开拓和半连续开采工艺开拓。连续开采工艺主要采用轮斗(链斗)挖掘机挖掘松散煤体，并将煤岩转载到胶带运输机上运出，其中煤炭直接运至煤仓，矸石运至废石场后经排土机排土。半连续开采工艺又称间断—连续工艺，它指生产工艺环节中，一部分为连续工艺，另一部分为间断工艺。

3、斜坡提升开拓

斜坡提升开拓是通过斜坡提升机道建立工作面与地面卸煤点和矸石场的运输联系。但斜坡提升机不能直接到达工作面，需与汽车或铁路等配合使用才能构成完整的开拓运输系统。

常用的斜坡提升开拓方法有斜坡箕斗开拓和斜坡矿车开拓。斜坡箕斗开拓是以箕斗为主体的开拓运输系统。在采场内用汽车或其他运输设备将矿岩运至转载站装入箕斗，提升至地面煤仓卸载，再装入地面运输设备。图7—11为抚顺西露天煤矿斜坡箕斗开拓示意图。

图7—11抚顺西露天矿箕斗及铁路干线布置图

在凹陷露天矿中，箕斗道设在最终边帮上。山坡露天矿的箕斗道设在采场境界外的端部。斜坡矿车开拓用小于4m3的窄轨矿车运输，矿车在工作面装载后，由机车牵引至斜坡道的车场，矿车被单个或成串挂至提升机钢丝绳上，最后用提升机提升或下放至地面站。

第三节露天矿回采工艺

一、露天开采境界及采剥比

1、露天开采境界

露天开采境界主要包括底部宽度、最终边坡和开采深度。露天开采境界的大小决定了露天矿的可采储量和剥离岩量。开采境界的位置和演化过程与露天矿开拓、采剥程序、生产能力以及基建工程量密切相关，并直接影响煤层开采的总体经济效果。影响露天煤矿开采境界的因素很多，主要包括开采条件、经济效果和技术组织因素等。

随着科学技术的发展和露天开采经济效果的改善，原来设计的开采境界一般要扩大。当所确定的露天开采境界很大、服务年限过长(如超过30a)，为提高前期的开采经济效益，必须采用分期开采，则要确定相应的分期开采境界。

2、剥采比

露天煤矿为了采出煤炭，必须剥离煤层上部的岩石。在露天开采境界的某一特定区域内，剥离岩石量与采出煤量的比值称为剥采比。在露天开采设计中，常用不同含义的剥采比反映不同的开采空间或开采时间的剥采关系及其限度。

（1）平均剥采比

平均剥采比是指露天开采境界内总的岩石量与总的煤炭量之比(图7—12a)。平均剥采比标志着露天矿的总体经济效果。

b

c

d (c )

A s

v p

a

b

c

d

(a )

A p v F

a

b

c

d

(b )

A F

v s

a

图7—12 采剥比示意图

（a ）—平均采剥比；（b ）—分层采剥比；（c ）—生产采剥比；（d ）—境界采剥比

（2）生产剥采比

生产剥采比是指露天矿投产后某一生产时期的剥离岩石量与采出煤炭量之比(图7—

12c)。生产剥采比可用来分析和反映露天煤矿生产中各种可能的剥采关系。在矿山生产统计中，生产剥采比按年、季、月来计算。

（3）经济合理剥采比

经济合理剥采比是指经济上允许的最大剥采比。经济合理剥采比是露天开采境界设计的主要依据。

二、露天回采工艺

露天煤矿回采工艺主要根据采掘、运输、排土三个主要生产环节来确定，具体工艺方式根据采用的设备可以划分为间断作业、连续作业和半连续作业三种类型。间断作业的特点是各生产环节开采设备作业具有周期性的间断，如单斗电铲采掘—铁道运输—单斗电铲或排土犁排土及单斗电铲采掘—汽车运输—推土机排土；连续作业工艺系统的特点是各个生产环节开采设备作业具有连续性，如多斗电铲采掘—皮带运输—皮带排土机排土；半连续工艺系统的特点是部分生产环节连续、分环节是间断作业，如单斗电铲采掘—坑内破碎—皮带运输。 从整体软岩或从已爆破成碎块的坚硬岩石爆堆中，把岩石装入运输工具或直接排卸到排土场的工作称为采装工作。露天矿生产中采装工作占有主导地位，其它生产过程如爆破、运输、排土等都是围绕采装而进行的。 1、机械铲的设备类型

机械铲设备分正挖机械铲(也称挖韧机、电铲、电镐)、反挖机械铲和上装长臂式电铲(长臂铲)。正挖机械铲不受气候条件、岩石性质和岩层赋存条件的限制，使用类型多为斗容1～8m 3

的挖掘铲。挖掘机工作时站在台阶下盘(图7—13)，勺斗从工作面底部靠勺杆及钢绳为提升及推压运动，使勺斗沿工作面上升，并切削工作面岩石而装满勺斗。斗装满后，勺杆稍往所退，使勺斗退出工作面。利用电铲的转台旋转至卸载位置，勺斗开启斗底，把岩石卸出。然后再转旋回工作面，开始下一次挖掘。

长臂铲的工作方式与正挖机械铲基本相同。所不同的是工作时站在台阶下盘，向位于上盘的车辆装载，即上装车，见图7—14。

1

23

6

1314

12

11

7

5

4

15

8

10

9

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

图7—13 机械铲工作图

1—悬架主导轮；2—悬架；3—勺杆；4—推压轴和推压传动；5—启开斗底用钢丝绳；6—悬架钢绳； 7—悬架底脚；8—滑轮；9—下部底架；10—旋转平台；11—旋转机构传动装置；12—提升勺斗用滚筒；

13—悬架提升装置；14—提升钢绳；15—勺斗；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ—勺斗的各种位置

图7—14 长臂电铲工作示意图

2、机械铲的主要工艺参数

（1）挖掘半径

挖掘半径R w(见图7—15)是指由挖掘机回转中心线到勺斗牙缘间水平距离。最大挖掘半径R wmax是勺斗水平伸出最大时的挖掘半径，其中站立水平挖掘半径R wp是指铲斗平放在站立水平的挖掘半径。

（2）挖掘高度

挖掘高度H w 是指勺斗牙缘距离挖掘机站立水平的垂直距离。最大挖掘高度H wmax是勺杆最大伸出，并将斗勺提到最大高度时的挖掘高度。

图7—15 机械铲工作原理图

挖掘机的作业特点和工作规格要求有合适的台阶高度和采掘带宽度。台阶高度对不需爆破的软岩，最大小于最大挖掘高度；对于坚硬岩石爆破，可为最大挖掘高度的1.5倍，但是最小高度应大于3m。

三、运输工作

露天煤矿运输的主要任务是将矸石及煤炭从工作面运至卸载地点。矸石的卸载地点是排土场，煤炭的卸载地点是选煤厂或煤仓。

1、铁道运输

铁道运输在我国露天煤矿中所占比重较大，它分为标准轨距运输和窄轨距运输两种。前

者适用于大型露天矿，轨距与国铁同为1435mm，后者适用于中、小露天矿，轨距常有762、750、610和600mm等几种。采用标准轨距时，坑内曲率半径大于100m、地面大于200m。随着工作面的不断推进，铁路线路要做横向移设工作，移设可用摇道机或吊车进行。

在大型露天煤矿中主要采用80、100和150t的电机车，爬坡能力小于40‰。一些露天煤矿利用解放JF l、前进QJ、建设JS等型号的蒸汽机车，其爬坡能力小于25‰。车辆主要采用大载重量的自翻车，如上升式50t自翻车、下开式ZF-60-5B型自翻车、下开式K5型自翻车(载重量100～110t)等，使车辆在卸车时可把车内的煤或岩石自行倒出。

2、汽车运输

汽车运输具有机动灵活、线路布置比较简单，运输坡度较大(重车可爬6～8％的坡度)，曲率半径小等特点。同时行车组织简单，机动性大，运距在2～4km以内比较经济。金属露天矿汽车运输用的多，载重量25、27.5、32t等，而目前已有100t和120t电动轮汽车投入使用。

3、高强度胶带输送机

强力胶带(分纤维织物芯、夹钢芯和钢丝绳牵引三种)的出现改变了露天煤矿生产面貌。在露天煤矿应用最多的为夹钢心皮带，其上运坡度可达25～30％，重载下运坡度可达15～20％。配合斗轮挖掘机使露天矿生产连续化，实现高产高效。目前强力胶带单机可长达15km。

四、露天煤矿发展趋向

1、大型机械化和自动化

随着机械制造业的发展，大型机械化是露天煤矿开采的一个重要发展方向。它可以实现生产集中化，高效低成本，并且可以加强矿山开发强度。随着采运机械性能和大功率的发展，也显示出大型设备调动工作的不灵敏性，繁重的辅助工作限制了大型设备效率的发挥。所以机械化和高效自控系统成为现阶段一个重要发展方向。

2、生产工艺连续化

在露天煤矿开采工艺中，连续工艺在经济指标比较优越。所以各国露天煤矿开采向生产工艺连续化方向发展。

计算机技术在露天矿山中也得到了广泛的应用。露天矿早在70年代就开始研究应用计算机解决地质模型的生成、优化等技术问题。80年代，个人计算机、传感器和数据通讯技术得到迅速发展。进入二十一世纪以后，露天煤矿大型设备计算机监控监测、调度指挥系统已取得较大的效果。