陡幫開(kāi)采有利于平衡剝采比，推遲剝離高峰期，增加備采儲(chǔ)量，提高礦山生產(chǎn)能力。一般采用組合臺(tái)階，臺(tái)階尾隨開(kāi)采等方法實(shí)現(xiàn)陡幫開(kāi)采，生產(chǎn)組織比較復(fù)雜，易造成設(shè)備作業(yè)的相互干擾。我國(guó)大多數(shù)骨干金屬礦山仍然是幫坡角為12°~14°的緩幫開(kāi)采，超前剝離量大，開(kāi)采強(qiáng)度低。進(jìn)入深凹露天開(kāi)采后，隨著采場(chǎng)的不斷延深，采場(chǎng)作業(yè)空間逐漸縮小，平臺(tái)寬度變窄，運(yùn)輸距離增大，作業(yè)成本增加，剝離高峰大，新水平準(zhǔn)備困難。在許多情況下，導(dǎo)致剝離欠帳，最終邊坡暴露過(guò)早，增加了邊坡穩(wěn)定性控制和管理的難度。
臺(tái)階高度是露天采場(chǎng)的主要參數(shù)，增加臺(tái)階高度有利于提高穿爆效率，簡(jiǎn)化和縮短運(yùn)輸線路，增加階段礦量和階段服務(wù)年限，提高作業(yè)的連續(xù)性。
我國(guó)大型露天金屬礦山臺(tái)階高度多為12 m。蘭平礦臺(tái)階高度為15m，南芬礦在“八五”期間試驗(yàn)18 m高臺(tái)階采礦技術(shù)。前蘇聯(lián)學(xué)者認(rèn)為，大型深凹露天礦采用30—45m的臺(tái)階高度更為合理。實(shí)際上，通過(guò)大幅度增加臺(tái)階高度，是實(shí)現(xiàn)陡幫開(kāi)采的最為有效的技術(shù)途徑。
大幅度增加臺(tái)階高度，比如增加至25 m或更高，達(dá)到45—50 m，可以將工作幫坡角增加至300或更多。對(duì)于深凹露天礦，在形成一定封閉圈的條件下，可以形成大得多的采場(chǎng)空間，對(duì)分多期開(kāi)采的礦山，可以將下期剝離推后數(shù)年，對(duì)提高開(kāi)采強(qiáng)度和長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。
除了現(xiàn)有設(shè)備作業(yè)的工藝技術(shù)參數(shù)之外，限制高臺(tái)階開(kāi)采的更直接的原因是隨著采場(chǎng)參數(shù)大幅度增加，將對(duì)臺(tái)階平面分層采礦工藝的穿孔爆破提出了一系列新課題，比如將臺(tái)階高度從目前12 m增加至25 m，底盤抵抗線也將相應(yīng)增加一倍，相應(yīng)孔徑增加至500~600 mm，但世界上現(xiàn)有的最大露天礦鉆孔機(jī)——美國(guó)BE公司的49HR型牙輪鉆直徑只有406 mm。如果臺(tái)階高度增加至50 m，鉆孔直徑相應(yīng)增加至1 m左右。南芬露天礦為試驗(yàn)應(yīng)用研究18 m的高臺(tái)階采礦，先用普通鉆機(jī)打250 mm的階段深孔，然后采用熱力鑿巖的方法將炮孔直徑擴(kuò)大至500 mm，進(jìn)行高臺(tái)階爆破。前蘇聯(lián)中央采選公司1#露天礦曾試驗(yàn)將原15 m臺(tái)階并段為30 m高臺(tái)階采礦。總的來(lái)看，鉆孔設(shè)備目前的發(fā)展水平仍然是實(shí)現(xiàn)露天礦高臺(tái)階采礦的主要障礙之一。從爆破工藝看，更大的爆破參數(shù)將導(dǎo)致爆破礦巖破碎的不均勻程度以及可能難以避免的根底等。采用高臺(tái)階露天開(kāi)采，對(duì)所形成的臺(tái)階坡面完整性和穩(wěn)定性有更高的要求。大參數(shù)的鑿巖爆破，對(duì)如何降低爆破后沖，在設(shè)計(jì)和工程實(shí)施方面也增加了一定的難度。
目前，大型露天金屬礦開(kāi)采的鏟裝作業(yè)多采用機(jī)械電鏟，一般最大挖掘高度不大于20 m，顯然，對(duì)于臺(tái)階高度大于20 m的露天開(kāi)采，現(xiàn)有的采裝工藝和設(shè)備難以適應(yīng)。嚴(yán)格地說(shuō)，傳統(tǒng)的露天金屬礦的臺(tái)階式開(kāi)采是以階段高度為分層高度的分層順序開(kāi)采。除了設(shè)備及其配套的因素外，其生產(chǎn)能力取決于由臺(tái)階高度、平臺(tái)寬度、幫坡角以及邊坡角等參數(shù)所構(gòu)成的露天礦采場(chǎng)空間的大小。如何通過(guò)改變采礦工藝和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在一定的剝離境界或封閉圈的條件下，造成可以大幅度擴(kuò)大采場(chǎng)空間的技術(shù)條件，建立露天開(kāi)采均衡剝采的新概念，從而提高露天礦開(kāi)采強(qiáng)度和生產(chǎn)規(guī)模，是采礦工作者面臨的重要課題。
1、露天礦高臺(tái)階穿孔作業(yè)的新方法
如前述，當(dāng)露天礦臺(tái)階高度大于20 m時(shí)，現(xiàn)有的穿孔設(shè)備所能提供的孔徑范圍已經(jīng)無(wú)法滿足為克服相應(yīng)的底盤抵抗線的要求。
1.1 應(yīng)用束狀孔密集深孔實(shí)現(xiàn)露天礦高臺(tái)階開(kāi)采
束狀密集深孔是將炮孔布置成集束狀，每束孔由數(shù)個(gè)至拾數(shù)個(gè)平行的深孔組成。束內(nèi)孔間距視礦巖性質(zhì)為3～5倍的孔徑。具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，將同時(shí)起爆的一束孔視為更大直徑的炮孔，或等效直徑，從而可以克服更大的爆破阻抗。提供了工程應(yīng)用的更大的靈活性、適應(yīng)性。
研究表明，束狀孔與其更大直徑的等效直徑的單孔比較，由于束孔具有加強(qiáng)中遠(yuǎn)區(qū)的爆破作用，有利于提高爆破破碎質(zhì)量。
以一般礦巖條件下的30 m高臺(tái)階為例，通常的坡面角為65°~ 70°，其底盤抵抗線為20—25 m。按通常的布孔方式，大致需要800—1000 mm的孔徑。如采用由250 mm的炮孔組成束孔，每束孔需9~11個(gè)孔。目前，國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用的45R潛孔鉆機(jī)，孔徑為250 mm，最大穿孔深度為50 m。顯然，以現(xiàn)有設(shè)備條件采用束狀深孔進(jìn)行高為30 m左右的高臺(tái)階露天穿爆作業(yè)是可行的。
1.2 地下鑿巖爆破地表裝運(yùn)的露天采礦新技術(shù)
如果將地下深孔采礦中把礦體劃分為階段和礦塊的概念引入露天臺(tái)階式開(kāi)采，將傳統(tǒng)的露天臺(tái)階式的分層順序開(kāi)采改為塊段式后退式開(kāi)采，借以改變露天礦采裝工藝和采場(chǎng)參數(shù)的制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)露天礦的高臺(tái)階陡幫連續(xù)開(kāi)采（見(jiàn)圖1）。
地下深孔采礦技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)自地下巷道進(jìn)行鑿巖爆破作業(yè)的露天開(kāi)采新方案提供了必要的物資技術(shù)基礎(chǔ)。其中如Atlas Copco公司的Sim-ba2610系列和Promec188型等鉆機(jī)，性能優(yōu)良，可以鉆鑿任意方向的100 m深孔，效率可達(dá)400 m/d。瑞典基魯納鐵礦是一個(gè)開(kāi)采深度達(dá)2000 m的超級(jí)地下礦山，基本以上向扇形崩礦的無(wú)底柱分段崩落采礦法為主。采用Promec188型鉆機(jī)，孔徑115mm，每米孔崩礦量25 t，采礦效率為10000 t／臺(tái)d。
這一露天開(kāi)采的新方案除了可以實(shí)現(xiàn)高臺(tái)階陡幫開(kāi)采，將工作幫的幫坡角從目前的12°~ 14°提高至35°—40°外，還有以下值得注意的技術(shù)特點(diǎn)。
(1)炮孔直徑的選擇不受臺(tái)階高度的影響，較常規(guī)露天開(kāi)采，可以采用直徑小得多的炮孔，因而可以根據(jù)采裝作業(yè)的設(shè)備工藝配套對(duì)礦巖塊度的要求，進(jìn)行預(yù)期礦巖破碎質(zhì)量的爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化。
(2)爆破線推進(jìn)和破碎礦巖的位移方向同所形成的臺(tái)階坡面平行，基本消除了因爆破作用在臺(tái)階坡面方向的后沖；在臨近最終邊坡或礦巖局部穩(wěn)定性較差的地段，可以在巷道中沿將要形成的坡面的界面進(jìn)行預(yù)裂爆破，這要比露天條件下進(jìn)行這一作業(yè)更為簡(jiǎn)單、有效。
(3)將露天的采裝作業(yè)分置于地表和地下，避免了穿爆作業(yè)和裝運(yùn)作業(yè)的相互干擾，并為建立新的裝運(yùn)技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
這一新的露天開(kāi)采方案可能采用的階段高度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于露天臺(tái)階式采場(chǎng)條件可能的段高。對(duì)于高寒邊遠(yuǎn)地區(qū)大型礦床的露天開(kāi)采，這一方案在改善作業(yè)條件方面有實(shí)際意義。
通常，露天礦的新階段的建設(shè)工作相當(dāng)復(fù)雜。該方案將使用地下工程的方法進(jìn)行開(kāi)段溝的開(kāi)挖，地下工程的掘進(jìn)鑿巖爆破與露天采場(chǎng)生產(chǎn)平行作業(yè)。
1.3 索斗鏟的下挖鏟裝作業(yè)
索斗鏟的工作機(jī)構(gòu)為柔性連接，多用于軟巖大型露天礦的無(wú)運(yùn)輸剝離。為滿足巨大生產(chǎn)能力的需要，通常采用較大斗容的索斗鏟。世界上目前使用的最大的索斗鏟的斗容己達(dá)220m3，臂長(zhǎng)300~ 400m，斗容大于10m3的索斗鏟可以鏟挖爆破破碎質(zhì)量良好的硬巖礦物。前蘇聯(lián)曾對(duì)米哈依洛夫礦山公司及列別金等露天礦山進(jìn)行了索斗鏟高階段下挖鏟裝作業(yè)的研究。結(jié)果表明，用索斗鏟代替機(jī)械鏟可以大幅度提高臺(tái)階高度，減少運(yùn)輸水平，工作幫坡角可從10°~ 14°提高到20°~ 25°。
索斗鏟的生產(chǎn)能力比相同鏟斗容積的機(jī)械鏟低20%~30%，但購(gòu)置費(fèi)與運(yùn)營(yíng)費(fèi)要低得多。采用相對(duì)較大斗容的索斗鏟進(jìn)行高臺(tái)階開(kāi)采的下挖鏟裝作業(yè)是可行的。
2、高臺(tái)階陡幫連續(xù)運(yùn)輸?shù)穆短扉_(kāi)采新工藝
2.1 露天礦連續(xù)運(yùn)輸工藝
電鏟一汽車一破碎機(jī)一帶式輸送機(jī)的露天開(kāi)采半連續(xù)運(yùn)輸工藝，由于可以縮短汽運(yùn)距離，大幅度減少汽車數(shù)量以及發(fā)揮帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力大成本低的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外大型露天礦占主導(dǎo)地位的設(shè)計(jì)模式，但是，仍然沒(méi)有擺脫采場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)輸線路復(fù)雜及可移動(dòng)式破碎站的建設(shè)和設(shè)備移設(shè)工程復(fù)雜的基本情況。礦石流的中間環(huán)節(jié)仍然較多。礦巖勢(shì)能及運(yùn)輸功浪費(fèi)明顯等問(wèn)題。
露天礦自工作面裝巖開(kāi)始的完全連續(xù)運(yùn)輸工藝，即電鏟一自行式破碎機(jī)一帶式輸送機(jī)的工藝系統(tǒng)，取消了汽車運(yùn)輸環(huán)節(jié)，減少了設(shè)備投資，降低運(yùn)輸費(fèi)，提高生產(chǎn)能力和效率。但由于電鏟（或前裝機(jī)）的卸載高度限制，自行式破碎機(jī)目前限于采用水平軸反擊式破碎機(jī)，只適用破碎石灰?guī)r等中硬以下的礦巖。這可能是目前堅(jiān)硬礦物露天開(kāi)采尚未見(jiàn)應(yīng)用全連續(xù)運(yùn)輸工藝的主要原因。
2.2 可行的高臺(tái)階陡幫連續(xù)運(yùn)輸露天開(kāi)采方案
如圖2所示，按采場(chǎng)參數(shù)和采掘帶的劃分，在采掘帶的內(nèi)側(cè)先行掘進(jìn)一巷道，采用地下專用設(shè)備完成鑿巖爆破作業(yè)，形成大規(guī)模連續(xù)爆堆，布置于臺(tái)階上平臺(tái)的大型索斗鏟采用工挖的作業(yè)方式將礦石裝入自行式破碎機(jī)，破碎后的礦石經(jīng)輸運(yùn)橋進(jìn)入帶式輸送機(jī)。
如采用束狀孔直接進(jìn)行高臺(tái)階穿爆作業(yè)，也可以采用索斗鏟下挖的作業(yè)方式在上平臺(tái)完成破碎和連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)。
所推薦方案可為建立高臺(tái)階陡幫開(kāi)采和連續(xù)運(yùn)輸工藝的露天開(kāi)采工藝系統(tǒng)創(chuàng)造必要的技術(shù)條件。
(1)大尺寸的臺(tái)階高度和采掘帶寬度以及采用有利于提高爆破效果的爆破技術(shù)和方法，可以連續(xù)大量提供相對(duì)集中的破碎質(zhì)量良好的爆堆。
(2)相對(duì)于露天高臺(tái)階可能采用的高度而言，索斗鏟的下挖深度及本平臺(tái)的卸載高度都有較大的選擇范圍，從而為硬巖露天開(kāi)采選用自行式旋回式破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)索斗鏟一破碎機(jī)一帶式輸送機(jī)的工藝系統(tǒng)成為可能。
(3)地下與地表的平行作業(yè)避免了穿爆作業(yè)與裝運(yùn)系統(tǒng)的相互干擾，同時(shí)由于階段礦量和階段服務(wù)年限的成倍增加，將大幅度降低自行式破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)的移動(dòng)頻率。
3、可能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果
在巷道中采用地下深孔的方法，借以實(shí)現(xiàn)露天高臺(tái)階陡幫開(kāi)采的穿爆作業(yè)。但噸礦石的穿爆作業(yè)成本與常規(guī)的露天穿爆作業(yè)方法相比，將有所增加。增加的部分將由于以下原因而得到加倍的補(bǔ)償，礦石開(kāi)采的總成本明顯降低。
(1)相對(duì)于常規(guī)的露天臺(tái)階穿爆方法，該方案采用小得多的孔徑和參數(shù)，將顯著提高礦巖的破碎質(zhì)量，提高鏟裝作業(yè)的效率、破碎機(jī)的處理能力和降低能耗。
(2)通過(guò)大幅度提高臺(tái)階高度實(shí)現(xiàn)露天礦的陡幫開(kāi)采，可以將工作幫的幫坡角從13 0左右提高到30。左右，將特別有利于推遲剝離高峰和平衡生產(chǎn)剝采比，增加備采儲(chǔ)量，擴(kuò)大生產(chǎn)能力。
(3)自工作面開(kāi)始的連續(xù)運(yùn)輸工藝，較半連續(xù)運(yùn)輸工藝消除了汽車運(yùn)輸，節(jié)省半移動(dòng)式破碎站的建設(shè)，降低礦石運(yùn)輸費(fèi)用。一般情況下，露天穿爆作業(yè)費(fèi)用僅占采礦作業(yè)成本的15%左右，運(yùn)輸費(fèi)占60%左右。深凹露天礦時(shí)，隨著開(kāi)采深度的增加，運(yùn)輸費(fèi)的增加更為迅速。
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