給定準采范圍的露天礦山開采境界設計的經驗作法淺介

□文 / 湖南第一工業設計研究院 王業建

1 前言

開采境界設計是露天礦山安全生產、獲得良好經濟效益的基礎，該類設計通常有兩種情況：一是準采范圍不受限制，按礦體賦存情況和經濟剝采比要求，從底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡面和平臺，得到開采終了平面圖；二是準采范圍是給定的，要求開采終了平面圖不超出準采范圍。第一種情況的開采境界設計相關介紹較多；第二種情況的開采境界設計相關介紹較少，因其具有給定準采范圍等約束條件，故設計方法有其特殊性。筆者將結合某露天礦山的開采設計，談談自己在這一方面設計的經驗作法。

2 某露天礦山概述

某露天礦山為新設采礦權，給定準采范圍由5個拐點圈定（見圖1），面積0.0682km2，開采深度+275m～+150m，開采礦種為板巖，設計生產能力30萬t/a。

圖1 某露天礦山采礦許可證給定的準采范圍及地質地形平面圖

該礦地勢總體趨勢為東低西高，準采范圍內最高海拔270.4m，最低海拔148.0m，相對高差122.4m，地形坡度5～40°；該礦及周邊出露的地層有：第四系（Q）、白堊系下統神皇山組上段（K1s2）、泥盆系中統跳馬澗組（D2t）、元古界冷家溪群第三巖組第一段（Ptln31）；該礦地層呈單斜構造，礦界內地層走向北西，傾向北東，傾角45～74°；該礦開采鋪路碎石用粉砂質板巖，賦存在元古界冷家溪群第三巖組第一段中部；礦體呈層狀產出，產狀與地層一致，礦界內礦體出露長度約370m，傾向寬度約200m，最大鉛直厚度180m，礦層厚度大，準采范圍內未出現頂、底板圍巖，即表土、風化層以下全部為礦體；該礦覆蓋層為第四系殘坡積粘土層，一般厚5m，需全部剝離，此外，板巖風化層中，由于風化作用不均勻，局部地點可能變成巖塊與粘土混雜，礦山實際開采也會將之與第四系殘坡積粘土一并剝離。

3 開采境界設計的經驗作法

3.1 繪制底部周界

3.1.1 繪制原理

地表境界點與底部周界（或某平臺坡底線）在各個方向上的距離不能小于最終邊幫水平距離，否則，最終邊幫不能按設計組成。

3.1.2 定點并確定其最終邊幫

沿準采范圍邊界找出地形最高、最低點，對近似單斜的山坡或最高、最低點間距較遠時，在地形變化處（尤其設計平臺標高）設輔助點，如圖3，并按設計臺階參數，確定這類特殊地表境界點的最終邊幫，如圖2。

圖2 最終邊幫組成

3.1.3 繪圓

如圖3，以上述點為圓心，以最終邊幫的水平距離為半徑繪圓；但應注意：對地表境界的地形高點，當最上一個平臺的最終邊幫水平距離小于采掘、運輸設備要求的曲率半徑時，以其最終邊幫水平距離加上采掘、運輸設備要求的曲率半徑與最上一個平臺的最終邊幫水平距離的差值為半徑繪圓。

3.1.4 繪制外公切線

繪制上述相鄰兩圓的準采范圍以內的外公切線，為節省工作，以下圓（如圖3中的虛線圓）不用考慮：

1）包括在大圓里面的最低點對應的小圓不用考慮；

2）相鄰兩地形較高點對應圓間距小于采掘、運輸設備要求的曲率半徑時，只考慮地形高點對應圓。

3.1.5 得出理論底部周界

如圖3，若某一圓與相鄰兩個圓的兩條外公切線是直接相交的，以采掘、運輸設備要求的曲率半徑圓角修剪連接；若某一圓與相鄰兩個圓的兩條外公切線是不直接相交（是延長線相交）的，以該圓半徑圓角修剪連接；得出理論上的底部周界。

3.1.6 修整底部周界

修整底部周界的原則：

1）底部周界要盡量平直，彎曲部分要滿足采掘、運輸設備對曲率半徑的要求；

2）露天礦底的長度應滿足運輸線路的要求，特別是采用鐵路運輸的礦山，其長度要保證列車正常出入工作面；

3）寬度滿足最小底寬要求；

4）為減少剝離量，在剖面位置可以向礦體上盤或下盤調整底部周界。

3.2 驗算并保證剝采比技術經濟合理

按圈定的開采境界，計算其平均剝采比（即露天開采境界內全部廢石量與全部礦石量之比），保證平均剝采比不超過經濟剝采比。

3.3 繪制露天礦開采終了平面圖

1）將修整后的底部周界按臺階坡面平距、平臺寬度等邊坡組成要素往準采范圍方向平移，從底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡底線。

很明顯，露天礦深部各臺階的坡底線在平面圖上是閉合的。而處在地表以上的則不能閉合，但要使其末端與相同標高的地形等高線密接；坡底線或坡頂線、地形等高線、坡面與地形曲面的相貫線三者相交于一點。

對從下而上半徑逐步增大的坡底線曲線段可以以采掘、運輸設備要求的曲率半徑圓角修剪連接，以擴大平臺范圍、多采出礦石。

2）在圖上布置開拓運輸線路。

3）在底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡面和平臺。

4）檢查和修改上述露天開采境界。

4 開采境界圈定結果

據上述設計方法，該露天礦山的開采境界設計符合要求，開采終了境界在采礦許可證規定的準采范圍以內，為山坡型露天礦山，開采境界圈定結果如下：

1）最高開采標高：+270.4m；

2）最低開采標高：+150m；

3）臺階高度：10m；

4）臺階坡面角：68°（表土45°、礦體傾向順邊坡方向63°）；

5）安全平臺寬度：3m；設+180m、+210m、+240m清掃平臺，寬度6m；

6）底部周界30.5 m，不小于設計最小底盤寬度30m；

7）最終邊坡角：48°；

8）剝采比0.21m3/m3不超過經濟剝采比（參考DZT 0207規定，取不大于0.5 m3/m3）。

圖4 某露天礦山開采終了境界平面圖

5 結束語

先按給定準采范圍等約束條件確定底部周界，再從底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡面和平臺，得到開采終了平面圖，是筆者進行給定準采范圍露天礦山開采境界設計的成功經驗作法，有一定的借鑒價值。