露天开采境界设计的原则和方法

摘要：露天开采是用一定的采掘运输设备在敞露的空间从事矿石开采作业。露天矿最终边坡角、开采境界底部宽度及底部位置、开采境界深度对露天矿的生产安全与经济效果都有很大影响。本文在总结露天开采特点的基础上，对露天开采境界的原则和方法进行了详细研究论述，分析了影响露天开采境界的几个要素及其确定方法。最后对确定露天开采境界的步骤进行了研究。文章为露天开采境界的确定和优化提供了理论依据。

关键词：露天开采;开采境界;开采方法;境界优化

1 露天开采的特点

露天开采是用一定的采掘运输设备在敞露的空间从事矿石开采作业。露天开采的特点是：采出矿石需将矿体周围的岩石及覆盖岩层剥掉，通过露天运输通道或地下井巷把矿石或岩石运至地表。这种开采方法广泛用于开采金属矿、冶金辅助原料、建筑材料、化工原料及煤等矿床。

基于露天开采是在敞露的空间从事矿床开采作业，与地下开采比较，它有如下特点：

(1)相对讲，开采空间受限较小，有利于采用大型机械化设备。机械化、自动化水平较高，可提高矿山开采强度和矿石产量。

(2)劳动生产率高。

(3)开采成本低，使大规模开采低品位矿石成为可能

(4)矿石损失贫化小，有利于地下矿产资源的回收。

(5)基建时间短，年产吨矿石的基建投资比地下开采低。

(6)对于高温易燃矿体的开采，露天开采也较地下开采较为安全。

(7)劳动条件较好，工作也较安全。

(8)露天开采过程中可产生较大粉尘，自卸汽车运行中可排放废气，爆破后的岩石因含有害成分对与之接触的大气、水和土壤有一定程度的污染。

(9)把大量剥离岩、土排弃到排土场，排土场占地面较大占用山地和农田且局部恶化生态环境。

(10)遇冰雪、暴雨等天气，对露天开采有一定影响。

开采境界的圈定是露天矿山开采设计的基础，也是矿床经济、安全、高效开发的前提。长期以来，各国矿业领域专家学者对开采境界优化问题做了持续的研究和探索，获得了众多研究成果。然而，由于露采矿山面对的是复杂多变的地质岩体、无序的品位分布以及多变的经济参数等一系列非线性动态问题，最优境界的确定显得尤其困难。本文针对露天矿山境界优化所面对的关键问题，在总结前人所做工作的基础上，分析研究露天矿山开采境界的动态特征，在分析影响矿山稳定最终边坡角的主要指标基础上，对矿山最终合理边坡角的预测;研究矿山系列境界的快速形成方法，研究形成矿山最终开采境界的确定方法。本文针对工程实际，立足于发展前沿，运用多学科的理论和方法，对露天矿最终境界的确定进行了系统和深入的研究，研究成果具有较高的理论和工程应用价值。

2 露天开采的设计准则

露天开采境界的大小决定了露天矿采矿量和剥离量的多少。随着露天开采境界的延深和扩展，在采矿量增加的同时剥离量也大幅度增加，从而导致剥采比不断增大。因此，露天开采境界的确定，实质上是对剥采比的大小加以控制，使之不超过经济合理剥采比。

与露天矿开采境界大小相关的剥采比有多种，因此，在控制哪一种剥采比这个问题上，存在许多不同观点。在此，以三种形成较早又具有代表性的学术观点及其设计准则：

(1)境界剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则

境界剥采比的设计准则即境界剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则。该原则的实质是，露天开采境界向下延深时，控制露采的边际经济效益不劣于地采经济效益。对于覆盖层不大的连续矿体，运用该原则可使整个矿床的开采盈利达到最大。

由于境界剥采比的设计准则具有使整个矿床开采的总经济效果最优这一背景，加之计算及操作简单易行，目前国内外手工设计普遍运用 ≤ 准则来圈定露天开采境界。虽然国内外手工设计普遍运用 ≤ 准则来圈定露天开采境界，但是对于某些覆盖层较厚或不连续的矿体，这一准则不适用。因此该准则只是最优开采境界的必要条件，而不是充分条件、更不是充分必要条件。

(2)平均剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则;

这一设计准则的实质是，露天开采境界向下延深时，控制露天开采的总体经济效益不劣于地下开采。平均剥采比不大于经济合理剥采比设计准则的技术经济目标是：在满足露采总体经济效果不劣于地采的条件下，使划归露天开采境界内的矿石储量最大。由于这一原则是采用算术平均的方法，因此难免会使露天开采在某些局部的经济效果劣于地下开采。≤ 准则可以与 ≤ 准则合用。对于某些覆盖层很厚或不连续的矿体，按 ≤ 准则圈出开采境界之后，还要核算该境界内的平均剥采比，看它是否满足 ≤ 准则。

对于某些贵重或稀有矿物等高价值矿床或小型矿山，为了尽可能采用露天开采以减少矿石的贫化损失，可以运用这个原则来确定开采境界，借以扩大露天开采范围。此外，建材石灰石矿山惯用平均剥采比设计准则。

(3)生产剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则 。

生产剥采比可以反映露天矿生产中实际发生的剥采比。因此按 ≤ 准则确定开采境界，可以使露天矿任何生产时期的经济效果都不劣于地下开采。该原则中的生产剥采比，可以是均衡生产剥采比，也可以是未均衡的生产剥采比即时间剥采比。

按生产剥采比不大于经济合理剥采比的设计准则圈定的露天开采境界比按 ≤ 准则圈定的小，而较按 ≤ 准则圈定的大。因此，随之而来的初始剥离量和基建投资也较大。另外，由于生产剥采比的概念不易明确界定，加之它与采深的关系较为复杂而不易把握，因而该准则相应的设计方法的可操作性较差。鉴于上述各种原因，这个原则很少采用。

3 露天矿开采境界要素

3.1 开采境界最终边坡角及边坡结构

露天矿最终边坡角对露天矿的生产安全与经济效果都有很大影响。从经济效果来考虑，希望边坡角尽可能大些，过小的边坡角，将增加剥岩量，使剥采比增大。然而，过大的边坡角，将导致边坡失稳，严重影响矿山安全生产。因此，露天矿的最终边坡角，要同时满足安全稳定条件和开采技术条件的双重要求。

安全稳定条件是指根据边坡岩体的性质，通过稳定性分析计算，确定能保证边坡稳定的最终边坡倾角。在境界设计阶段，一般是参照类似矿山实践资料选取稳定的边坡角，并用已有资料对其稳定性进行初步分析和简要计算。

3.2 开采境界底部宽度及底部位置

(1) 底部宽度要求及数值

露天矿的最小底宽，应满足采装运输设备在底部正常运行与安全作业的要求，一般不应小于开段沟的底宽，其最小宽度根据采装、运输设备规格及线路布置的有关计算结果来确定。

(2) 底部位置与相似形开采境界(特征和性质)

确定境界底部位置的基本准则是使境界内平均剥采比最小。有时须根据矿岩的物理力学性质调整露天矿底的位置，使最终边坡避开破碎带或构造带，以利边坡稳固、穿爆方便。

视矿体水平厚度不同，露天采场底的位置可能有三种：当矿体水平厚度小于最小底宽时，露天矿底平面按最小宽度绘制;当矿体水平厚度等于或略大于最小底宽时，露天采场底宽取矿体水平厚度;若矿体水平厚度远大于露天矿最小底宽时，则按最小底宽绘制底平面。其位置应能满足可采矿石量最多、剥离矿石量最少、采出矿石质量最好等于经济效益最大的原则。

由于实际境界的底宽不为零，相似形境界不能完全适用，设计中可按下列情形确定境界底部位置：①对于平坦地表，无论是厚矿体还是薄矿体均为相似形境界;②对于倾斜地表，水平厚度大于底宽的矿体仍为相似形境界，水平厚度小于底宽的薄矿体则须满足条件。

(3) 相似形开采境界的设计方法

相似形境界是理论上满足平均剥采比最小准则的最优底部位置，确切地说是境界底宽为零时的最优底部位置。

3.3 开采境界深度

露天开采境界的设计准则实质上是确定露天矿开采深度的理论依据。采场外观，可因矿体赋存条件特别是沿走向长度的不同分为长采场和短采场。采场的长宽比大于4：1的称长采场，其端帮矿岩量占总矿岩量的比例相对比较小，设计中手工计算时一般可以不单独考虑端帮矿岩量;采场的长宽比小于4：1的称短采场，其端帮矿岩量占总矿岩量的15～20%以上，设计时必须考虑这部分矿岩量。

(1) 地质横断面图上初步拟定开采深度

在地质横断面图上确定开采深度的方法由三种：(1)分析法。(2)图解法。(3)方案-分析法。在上述三种方法中，方案-分析法应用最广，其具体操作步骤如下：1、拟定若干个开采境界深度方案。2、计算各采深方案的境界剥采比。3、绘制分析曲线，初拟采深。

(2) 地质横断面图上调整开采境界底部标高，调整后的底部标高就是开采境界的设计深度。

(3) 圈定露天矿开采境界。露天开采境界的圈定方法(人工方法)分为三大步骤：(1)绘制露天矿底部周界。露天矿底部周界应按开采境界的设计深度确定，具体步骤为：

1、在各横断面、纵断面、辅助断面图上，按开采境界的设计深度，绘制露天开采境界;

2、按开采境界的设计深度，即底部标高绘制该水平的地质分层平面图;

3、将各断面图上的露天矿底部位置(底部两侧的端点即下部境界点)分别投影到分层平面图上，依次连接各点，得出开采境界的理论底部周界(下图中的虚折线)。

4、用圆滑的曲线拟合理论周界的折线，得到开采境界的设计底部周界。

5、为了便于采掘运输作业需按下列要求对设计底部周界进行校核：底部长度应符合布设运输线路的技术标准，底部宽度应保证采掘工作的正常进行;底部周界要尽量平直，弯曲部位的曲率半径要适应运输设备的技术性能。

(2)绘制露天矿开采境界。将露天矿的设计底部周界绘在地质地形平面图上，按照设定边坡组成要素，从底部周界开始由里向外依次绘出各个台阶的坡底线和坡底线，即平台和坡面。显然，露天矿凹陷部分，即封闭圈以下的各台阶坡底线在平面图上是闭合的;而山坡部分，即封闭圈以上的台阶坡底线不能闭合，其末端应与同标高的地形等高线交接。

(3)绘制露天矿开采终了平面图。在绘制的露天矿开采境界平面图上布置开拓运输线路，即所谓的定线;在定线的开采境界平面图上绘制开采终了平面图，从底部周界开始，由里向外依次绘出各个台阶的坡面和平台;与此同时，在布置运输干线的边帮上，按照具体的渡线位置，绘出台阶间相互沟通的倾斜运输平台;检查和修正绘制的露天开采境界。由于原定的露天开采境界，特别是布置开拓坑线的边帮，常受开拓运输路线的影响，致使边坡角变缓，剥采量增大。

(4)绘制露天矿开采境界断面图

根据露天矿采掘终了平面图，按照图中的实际长度，绘制三个剖面的横断面图。在露天矿开采境界平面图中的底宽的重点，连接这两点并延伸，该线即为纵剖面线。然后确定水平底宽，然后根据各台阶的宽度依次往上推，最终完成横断面图。

4露天开采境界的确定和优化

综上所述，以露天开采境界设计广泛采用的 原则进行为例，确定其方法和步骤为：

(1)确定露天开采深度。向长度大的露天矿，应先在各地质横剖面图上初步确定开采深度，然后再用纵剖面图调整露天矿底部标高。走向很短、深度和宽度相对较大的露天矿，必须考虑端帮扩帮的影响。在剖面图上不能把开采深度直接确定下来，需用平面图法计算出境界剥采比再确定露天开采深度。具体步骤是，把预计几个可能深度的境界剥采比分别算出后，选取境界剥采比等于经济合理剥采比的阶段做为露天采场的底，则其深度即为露天矿开采深度。

(2)确定露天矿底平面周界。露天矿底宽可能大于或小于矿体的水平厚度，但必须满足最小宽度的要求。确定原则是，保证在全部露天开采范围内，矿石的回来率最高，而剥离的岩石量最少。露大矿底平面最小宽度应保证生产安全和采掘运输设备的正常工作。从矿山采剥工程要求来看，它相当于开段沟的掘进宽度，取决于掘进方法及设备类型和规格，按工作安全条件要求，一般不小于20～30m。

露天矿底平面标高及端部位置确定后，即可绘制出底平面的理论周界，绘制的方法是，以地质纵断面图上已调整的露天矿底部标高为准，在各地质横断面图上绘出露天采场的境界，将各地质横断面图上露天矿底平面的两端边界投影到该标高的分层平面图上，连接各点，即可得出底平面的理论周界。为了便于采掘运输，露天采矿场底平面应尽可能保持平直。因此，对弯曲处应按运输条件的要求进行修正，使之保持一定的曲率半径。

(3)确定边坡结构和边坡角。露天矿场边坡的稳定是保证露天矿生产正常进行的必要条件。边坡稳定性的破坏，必将造成滑坡或岩石塌落严重事故。正确选择露天采场的边坡角，是保证边坡稳定的首要措施。其数值大小对安全生产有着重大意义，而且对露天开采境界也有重大影响，故在技术条件及稳定安全条件允许情况下，应取最大的最终边坡角，其目的是减少剥离工程量。

确定露天矿边坡角时，应全面考虑各种因素对边帮稳定的影响，如岩石物理力学性质、地质构造、水文地质条件、开采技术条件、开采年限及气候条件等。在有条件的地方，可作岩体力学性质研究试验，进行边坡稳定计算。但由于现有计算方法仍不很完善，目前在实践中，大多数仍按类似矿山经验数据选取最终边坡角。

(4)绘制终了平面图。露天矿开采终了平面图，可以按下述方法进行绘制：

1)将确定的露天矿底部周界绘在透明纸上，井将其覆于地形地质图上，然后按照边坡组成要素，从底部周界内开始依次向外绘出各个台阶的坡底线。

2)在图上布置开拓运输线路;

3)对上述初步圈定的露天采场终了平面图进行检查和修改。

根据最终修定的露天采场开采终了平面图，再投影到各横剖面上，使各横剖面上的境界也与平面图上的境界基本一致。边坡角、底部宽度及深度等因素对露天矿山最终境界的影响交大，我们可以建立动态评价的指标体系对露天开采进行建模优化，也可以运用改进的BP神经网络算法，构建露天矿山稳定边坡角的预测模型，实现矿山稳定最终边坡角的预测。还可以运用计算机三维仿真模拟技术，实现露天矿山生产进度计划的高效可视化编制。通过计算机仿真方法，我们可以对露天开采的境界进行进一步的优化分析。

5总结

露天开采是用一定的采掘运输设备在敞露的空间从事矿石开采作业。露天矿最终边坡角、开采境界底部宽度及底部位置、开采境界深度对露天矿的生产安全与经济效果都有很大影响。总之，露天开采境界的确定，是一个复杂的任务。在设计工作中既要遵循基本原则，又要灵活地适应具体条件，使境界确定得更加合理。本文针对露天矿山境界优化所面对的关键问题，在总结前人所做工作的基础上，分析研究露天矿山开采境界的特征，在分析影响矿山稳定最终边坡角的主要指标基础上，对矿山最终合理边坡角预测;最后研究了矿山开采境界的优化方法。