第六節(jié)幫坡形式與幫坡角

1、第六節(jié) 幫坡形式與幫坡角在采場的擴延過程中，會形成各式各樣的幫坡。本節(jié)對幫坡角及 其經(jīng)濟內(nèi)涵、增加工作幫坡角的途徑、各種幫坡角的計算進行較詳細 的論述。一 工作幫坡角工作幫是由工作臺階組成的邊幫，并隨臺階的推進而向最終邊幫 （非工作幫）靠近。工作幫坡角一般定義為最上一個工作臺階的坡頂 線與最下一個工作臺階的坡底線聯(lián)成的假想斜面與水平面的夾角（圖15-33）。若工作幫由n個相鄰的工作臺階組成，且工作平盤寬度相等， 工作幫坡角（）可由 下式計算：q (15-11)式中，H為臺階高度，W為工作平盤寬度，a為臺階坡面角。實際 生產(chǎn)中各工作平盤的寬度一般不相等。式(15-11)變?yōu)椋簈 (15-12)式

2、中，Wi為從最下部工作臺階算起第i個工作平盤的寬度，最上部 工作平盤寬度不參與運算。6HWaWWq非工作幫工作幫圖 15-33 工作幫與工作幫坡角設(shè)圖15-33中三個工作平盤的寬度均為40m，臺階高度為12m，臺階坡 面角為70。，則由式(15-11)求得工作幫坡角為 q 21.14。工作幫坡角對露天礦開采壽命期內(nèi)的剝巖量變化有很大的影響。 圖15-34所示是礦體規(guī)整、在上盤礦巖接觸帶掘溝、向兩側(cè)推進時的采 剝關(guān)系示意 圖。圖中將臺階式的工作幫簡化為一條直線?？梢钥闯?， 當采到第三條帶時，要想采出礦量，必須剝離巖石量。在開采過程中，由于礦體規(guī)整，每一條帶的礦量基本保持不變，但所需的剝巖量先是隨

3、著采場的延深而增加，采到第五條帶（H1深度）時達到最大值，而后逐年下降。如果采用如圖中虛線所示的陡工作幫，則前期的剝巖量大大降低，峰值的到來將大大推遲（推遲到H2深度）。若工作幫坡角等于最終幫坡角，剝巖量將隨采場的延深單調(diào)增加，剝巖高峰推遲到最后。因此，工作幫越緩，前期剝巖量越大，基建投資越高 ，基建周期越長。由于資金的時間價值，前期剝巖量的增加會降低整 個礦山的經(jīng)濟效益。所以從動態(tài)經(jīng)濟觀點出發(fā)，工作幫坡角應(yīng)盡量陡一些。32154VH1H2T最終境界陡工作幫緩工作幫圖 15-34 剝巖量-工作幫坡角關(guān)系示意圖增加臺階高度或減小工作平盤寬度可以使工作幫坡角變陡。然而 ，臺階高度受到設(shè)備規(guī)格和開采

4、選別性的制約，沒有多大的變化余地 ；工作平盤的寬度又必須滿足采運設(shè)備所需的作業(yè)空間的要求，并保 持較高的設(shè)備作業(yè)效率，可減小的幅度也非常有限。（即使采用前面 所述的最小工作平盤寬度，工作幫坡角仍較緩）。采用組合臺階開采 是提高工作幫坡角的有效方法。二 組合臺階組合臺階是將若干個（一般4個左右）臺階組成一組，劃歸一臺采掘設(shè) 備開采。這組臺階稱為一個組合單元。 圖15-35所示是四個臺階 組成的一個單元。在組合單元中，任一時間只有一個臺階處于工作狀 態(tài)，保持正常的工作平盤寬度，其它臺階處于待采狀態(tài)，只保持安全 平臺的寬度。組合臺階開采只有當采場下降到一定的深度后才能實現(xiàn)。如果采 場空間允許，可以在

5、不同區(qū)段布置多臺采掘設(shè)備同時進行組合臺階開 采，也可視工作幫的高度在同一區(qū)段垂直方向上布置多個組合單元。 組合臺階開采常用于分期開采的擴幫工作。（分期開采將在后面介紹 ）。qg4HWsWcWWsWs圖 15-35 組合臺階開采中的一個組合單元組合單元內(nèi)的工作幫坡角一般定義為單元內(nèi)最上一個臺階的坡頂 線與最下一個臺階的坡底線連成的斜面與水平面之間的夾角，計算公式為：qg (15-13)式中，n為組合單元中臺階的數(shù)目；Ws為安全平臺的寬度；W為工 作平盤寬度。假設(shè)n=4，H=12m，Ws=10m，W=40m，=70。，則求得 qg =31.78。三 各種幫坡形式圖15-36所示是在開采過程中形成的

6、由6個臺階組成的一段幫坡， 每一臺階均保持安全平臺寬度（Ws）。從最上一個臺階的坡頂線到最 下一個臺階的坡底線的斜面與水平面的夾角（）稱為該段邊幫的總幫坡角，其計算式與 式（15-11）相同，只需將式中 的W換成Ws即可。 設(shè)Ws=10m，H=12m， =70。則得 q = 43.37。 如果圖15-36中的剖面通過一寬度為WR的斜坡道，斜坡道位于第三 臺階的中腰，該段邊幫變?yōu)閳D15-37。建議讀者畫出這段邊幫的水平投 影草圖。圖15-37中的q 仍為總幫坡角。道路將整段邊幫分為AC和DB兩段 ，圖中q1 和q2 稱為路間幫坡角。若WR=30m，其它數(shù)據(jù)不變，則 q =34.13。 ，q1 =

7、44.14。， q2 =42.84?？梢?，在邊幫上加入運輸?shù)缆?會使總幫坡角變緩許多（本例中變緩了約9。）。若該段幫坡是最終邊 幫，幫坡角的變緩意味著多剝離大量的巖石。這一簡單的例子說明在 設(shè)計最終境界時，最終幫坡角的選取應(yīng)考慮到運輸?shù)缆返牟贾们闆r 。1a23456A道路WRDC6HBWsWsq1q2qWsWsWs圖 15-37 具有道路的一段邊幫1a236H456qWsWsWsWsWs圖 15-36 一段邊幫WsA1a23456工作平盤WcDC6HBWsWsq1q2qWsWs圖 15-38 具有一個工作臺階的一段邊幫若圖15-36所示的邊幫上有一個臺階是工作臺階，邊幫將變?yōu)槿鐖D 15-38所

8、示。工作臺階對幫坡角的影響與道路相似。若這6 個臺階是組 合開采中的一個組合單元，那么，該段邊幫的總幫坡角（q）即為前面提到的組合單元工作幫坡角(qg）。工作平盤上下兩段的幫坡角(q1和q2 ）有時也稱為路間幫坡角。若其它的數(shù)據(jù)不變，工作平盤寬度W=40m ，則q =34.13。，q1 =52.02。，q2 =45.32。更復雜的邊幫是既有工作臺階又有道路，如圖15-39所示。讀者可 利用前面的有關(guān)數(shù)據(jù)計算總幫坡角和路間幫坡角。若將圖15-36中的6個臺階沿垂直方向平分為兩個組合單元進行組合 臺階開采， 邊幫變?yōu)閳D15-40。單個組合單元的工作幫坡角可用式（15-13)計 算。利用前面的數(shù)據(jù)，

9、計算結(jié)果為： q 27.86。，qg 29.70。圖15-41是實行三臺階并段的最終邊幫。若坡面角70。，臺階 高度H = 12m， 安全平臺寬度Ws = 17m，則該段邊幫的總幫坡角為 q =59。若一露天礦最終境界深為42個臺階高度（即504m），采用這 樣的安全平臺寬度和并段方式，不考慮運輸?shù)缆窌r，最終幫坡角可達51.25。如果不實行并段，每一臺階都留7m寬的安全平臺，同一露天礦的最終幫坡角為46.97。1a23456工作平盤道路Wc6HWsWsq1q2q3qWs圖 15-39 具有工作臺階和道路的一段邊幫WRWsWsa123456工作平盤工作平盤WcWsWsWsqgq圖 15-40 組

10、合臺階開采工作幫WsWcWsqg6Ha6HWs圖 15-41 實行并段的最終邊幫第七節(jié) 生產(chǎn)剝采比生產(chǎn)剝采比是露天生產(chǎn)過程中某一時段（或某一開采區(qū)域）內(nèi)的 巖石量與礦石量之比。常用的生產(chǎn)剝采比的單位有m3(巖石)/m3(礦石)、 t(巖石)/t(礦石)、m3(巖石)/t(礦石)。如圖15-42所示，生產(chǎn)剝采比一般 是按工作幫坡計算的、采場下降一個臺階采出的巖石量與礦石量之比 ，即VH/TH。為了與下面將要提到的其它生產(chǎn)剝采比相區(qū)別，這里將圖15-42所示的生產(chǎn)剝采比稱 為幾何 生產(chǎn)剝采比，記為SRH。從圖15-42中可以看出，一般情況下，幾何生產(chǎn)剝采比先隨采場的 降深而增加，在某一深度達到最大

11、值，然后隨深度的增加而減小。在 礦體形態(tài)較復雜的礦山，幾何生產(chǎn)剝采比隨采場深度變化的曲線可能 出現(xiàn)幾個峰值。圖 15-42 幾何生產(chǎn)剝采比HDVHTH最終邊幫工作幫累積生產(chǎn)剝采比是指從開采開始到某一深度（或時間）累積采出 的巖石量與礦石量之比，記為SRc。如圖15-43所示，采場下降到深度 D時的累積生 產(chǎn)剝采比為 SRc =VD/TD。圖 15-43 累積生產(chǎn)剝采比DVDTD最終邊幫工作幫在編制采掘計劃時，往往需考慮剝采比的逐年變化情況，并采取 措施（如改變臺階的推進方向、調(diào)整工作面的布置方式等），盡量避 免剝采比的大幅度波動。因此，年生產(chǎn)剝采比是編制采掘進度計劃時 最常用的生產(chǎn)剝采比。顧名

12、思義，年生產(chǎn)剝采比（SRy）是某一年內(nèi)采出的巖石量(Vy)與礦石量（Ty )之比,即： SRy = Vy / Ty 。從設(shè)備管理（包括備品備件）和生產(chǎn)組織的角度，生產(chǎn)剝采比在 生產(chǎn)過程中的波動越小越好。這樣可以保持較穩(wěn)定的設(shè)備數(shù)量、備品 備件的庫存量、機修設(shè)施的能力以及設(shè)備操作和維護人員隊伍。因此 在生產(chǎn)計劃中常進行所謂的剝采比均衡，以得到較穩(wěn)定的生產(chǎn)剝采比 。然而，對于一定的礦體形態(tài)、最終境界和開采方式，剝采比均衡的 結(jié)果往往是將剝離高峰處的巖石提前剝離。圖15-44中曲線A是不進行 剝采比均衡的生產(chǎn)剝采比隨時間變化的曲線。在“極限均衡狀態(tài)”， 即均衡后的生產(chǎn)剝采比是一常數(shù)時（圖中的直線B）

13、，需要將高峰期的剝巖量Vp提前到Vp'剝離。由于資金的時間價值，提前剝離量大會降低 總體經(jīng)濟效益。因此，在提前剝離所帶來的經(jīng)濟效益損失與剝采比均 衡所能帶來的好處之間應(yīng)進行成本_效益分析，以確定每年最佳的生 產(chǎn)剝采比。這是一個生產(chǎn)剝采比的優(yōu)化問題，采礦優(yōu)化界已研究出基 于動態(tài)規(guī)劃的剝采比動態(tài)優(yōu)化算法。應(yīng)用這些算法可求出在滿足每年 礦石目標產(chǎn)量的條件下，使礦山生產(chǎn)的總體經(jīng)濟效益達到最大的最佳 年生產(chǎn)剝采比。優(yōu)化后的生產(chǎn)剝采比曲線一般位于A與B之間（圖15-44中曲線C）。VpVp'圖 15-44 剝采比均衡示意圖時間 t (年)剝采比A - 未均衡剝采比曲線C - 優(yōu)化剝采比曲線

14、B - 極限均衡剝采比曲線第 八 節(jié) 分期開采在前面圖15-29所描述的開采過程中，工作幫沿水平方向一直推進 到最終開采境界，這種開采方法稱為全境界開采法。由于工作幫坡角一般比最終境界幫坡角緩得多，所以全境界開采的初期生產(chǎn)剝采比高，大型深凹露天礦尤為如此。全境界開采法的缺點是基建時間長、初期投資多，故僅適用于埋藏較淺、初期剝采比低、開采規(guī)模較小的礦山。與全境界開采方法相對應(yīng)的是分期開采，所謂分期開采就是將最終開采境界劃分成幾個小的中間境界（稱為分期境界），臺階在每一分期內(nèi)只推進到相應(yīng)的分期境界。當某一分期境界內(nèi)的礦巖將近采完時，開始下一分期境界上部臺階的采剝，即開始分期擴幫或擴幫過渡，逐步過渡

15、到下一分期境界內(nèi)的正常開采。如此逐期開采、逐期過渡，直至推進到最后一個分期，即最終開采境界。圖15-45是分期開采概念示意圖。從圖中可以看出，由于第一分期 境界比最終境界小得多，所以初期剝采比大大降低，從而減小了初期投資，提高了開采的整體經(jīng)濟效益。一期開采境界二期開采境界最終開采境界圖 15-45 分期開采示意圖分期開采的另一個重要優(yōu)點是可以降低由最終境界的不確定性所帶來的投資風險。一個大型露天礦一般具有幾十年的開采壽命，在進行可行性研究（或初步設(shè)計）時確定的最終境界在幾十年以后才能形成。在科學技術(shù)飛速發(fā)展、經(jīng)濟環(huán)境不斷變化的今天，幾十年后的開采技術(shù)（包括設(shè)備）和經(jīng)濟環(huán)境與開采初期相比將有很大

16、的差別，這意味著在優(yōu)化開采境界時采用的技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)在一個時期后將不再適用，最初設(shè)計的最終開采境界也不再是最優(yōu)境界，甚至是一個很糟糕的境界。因此，最終開采境界的設(shè)計應(yīng)當是一個動態(tài)的過程，而不應(yīng)是一成不變的。一開始就將臺階推進到最終境界是高風險的、不明智的。若采用分期開采，最初設(shè)計的各分期境界（除第一分期境界之外）都是參考性質(zhì)的。在一個分期將要開采完畢，向下一分期過渡時，可充分利用在開采過程中已獲得的礦床地質(zhì)資料和當時的技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)，對礦床未開采部分建立新的礦床模型，對未來的分期境界（尤其是下一分期境界）做更適合當時的技術(shù)和經(jīng)濟條件的優(yōu)化設(shè)計。依此類推，直至開采結(jié)束。實踐證明，許多大型露天礦最

17、終形成的開采境界與可行性研究（或初步設(shè)計）階段設(shè)計的境界有較大的差別。采用分期開采，對境界實行動態(tài)優(yōu)化大大降低了最終境界隨時間的不確定性可能帶來的經(jīng)濟損失。分期開采對生產(chǎn)技術(shù)手段和管理水平要求較高，這主要體現(xiàn)在從一個分期向下一個分期的過渡上。分期間的過渡時間尤為重要，若過渡得太早，則會增加前期剝巖量，與分期開采的目的相悖；若過渡得太晚，因下一分期境界上部臺階沒有礦石或礦石量很少，而其下部臺階還未被揭露，當前分期的開采卻已經(jīng)結(jié)束，從而造成一段時間內(nèi)減產(chǎn)、甚至是停產(chǎn)剝離的被動局面，這是重大的生產(chǎn)技術(shù)事故。所以，在進行采剝計劃編制時，必須對各分期間的過渡時間以及過渡期內(nèi)的生產(chǎn)進行全面、周密的計劃，并

18、在實施中實行嚴格的生產(chǎn)組織管理。分期之間的過渡時間應(yīng)根據(jù)相鄰分期境界的大小及形態(tài)、礦體的賦存條件與形態(tài)、礦石的品位分布、礦山的采剝生產(chǎn)能力、開采強度等因素綜合確定?？偟脑瓌t是既要確保礦山生產(chǎn)的連續(xù)性、滿足選廠對礦石產(chǎn)量與質(zhì)量的要求，又要避免無為的提前過渡。這一準則可用圖15-46 加以說明。當?shù)谝环制诠ぷ鲙屯七M到B1C1D1 時，開始在第二分期境界 的上部（A1A2和E1E2）區(qū)段進行擴幫過渡。第一分期的正常開采與第二分期的擴幫過渡分別在不同水平獨立作業(yè)，二者間留有較陡的工作幫。如果過渡開始時間選擇得當、過渡時期的生產(chǎn)組織得力，第一期正常開采結(jié)束時（即工作幫推進到C2F時），在區(qū)段A2A1C2

19、B2和E1E2D2F的擴幫工作也恰好結(jié)束，從而順利地過渡到第二分期。這是最理想的過渡。一期開采境界圖 15-46 分期過渡示意圖FD2D1C2C1B2B1E2E1A2A1最終開采境界從理論上講，可以利用最終幫坡角、工作幫坡角、分期境界邊幫間的水平距離、開采下降速度、擴幫能力、采選生產(chǎn)能力等參數(shù)，通過幾何推導得出擴幫開始時間。但由于大部分礦山的礦體賦存條件較為復雜、境界形態(tài)不規(guī)則等原因，純幾何計算公式的應(yīng)用價值很小。只有通過建立礦床模型，應(yīng)用運籌學手段對開采順序進行全面優(yōu)化才能真正解決問題。分期過渡中的擴幫通常采用組合臺階開采。在不同的擴幫區(qū)段，可以根據(jù)擴幫強度、分期境界邊幫間的水平距離和采場形

20、態(tài)，靈活安排擴幫工作面，并保持較陡的工作幫坡角。圖15-47 是在擴幫區(qū)段分兩個組 合單元、以組合臺階形式進行擴幫的示意圖。一期境界組合臺階擴幫工作面二期境界圖 15-47 分期開采組合臺階擴幫示意圖在某些礦山，相鄰兩個分期境界邊幫間的水平距離小，不能象圖15-47所示的那樣在垂直方向上劃分多個組合單元，在一個擴幫區(qū)段只能 安排一個工作面自上而下進行擴幫。如果擴幫強度不夠，可以在一個擴幫區(qū)段采用“尾追式”布置兩個工作面（圖15-48）。這種在一個擴幫 區(qū)段不分組（也可以看作只分一組）的擴幫方式有時稱為自上而下擴幫法。當然，若對擴幫強度要求低，即使可以在兩分期境界邊幫之間布置一個以上的組合單元，

21、也可只用一臺電鏟在一個擴幫區(qū)段實施自上而下擴幫。這時，若在兩個分期境界的邊幫之間實行一次推進的工作面太寬，或一次推進下降的速度太慢，可以沿境界邊幫縱向分條帶進行。例如，在圖15-47所示的情況下實行自上而下擴幫時，可分兩個條帶進行， 即圖中點劃線左右側(cè)各為一個條帶。在另外一些礦山，由于礦體賦存條件和地形等因素，設(shè)計的分期數(shù)目多，每一分期開采時間短，擴幫是連續(xù)進行的，即在當前分期正常開采的一開始，向下一分期的擴幫工作就已經(jīng)開始。這樣，正常開采與擴圖 15-48 尾隨工作面至上而下擴幫示意圖幫始終同時進行。如圖15-49所示，正常開采I的同時在1處擴幫；正常 開采II 時，在2處擴幫，依此類推。這種開采方式稱為擴幫開采。11I22II3344IIIIVV圖 15-49 擴幫開采示意圖分期開采較全境界開采更符合露天礦建設(shè)與生產(chǎn)發(fā)展規(guī)律，在國外得到十分廣泛的應(yīng)用。我國一些露天礦也采用了分期開采。對分期開采的整體經(jīng)濟效益影響最大的四個參數(shù)是：(1)最佳分期數(shù)；(2)各分期境界的最佳位置、大小和形狀；(3)相鄰分期間的最佳過渡時間；(4