绿色矿山建设背景下的露天矿山开采工艺研究

孙浩

摘要：为提高露天矿山开采中边坡坡面稳定性，通过确定露天矿山合理采掘带宽度、选择自移式破碎机履带布置方式、剥离内排与控制爆破、覆土复绿，开展绿色矿山建设背景下的露天矿山开采工艺设计。结合具体的工程实例，通过合理选择岩石力学参数、计算方法和Slide软件进行稳定性分析，证明新的开采工艺可有效提高下边坡坡面稳定性。

关键词：绿色矿山；剥离内排；控制爆破；覆土复绿；采掘带宽度

0   引言

传统的露天矿开发工艺，会对矿产资源的生产造成了一系列的环境问题，这一问题不仅造成了矿山开采企业与土地资源两者之间的不协调，还对部分山区居住群体的生活环境造成了负面影响[1]。在当下大环境下，针对目前露天矿开采所面临的各种问题，很多矿山开采企业提出了“绿色露天矿”的工作理念。

在矿山露天开采时，传统的采礦方法为一次推进到最终完成的采掘方式，所以在开采时，必须一次性完成对土地征用和对周边环境的协调，此种开采方式往往会导致矿山裸露的面积过大，在开采结束时也无法使植被恢复。

根据“绿色矿山”的建设要求，矿山在开采中，不允许大面积、长时间的出现裸露区域，对大面积、大规模的采空区，要及时采取技术手段或措施治理[2]。开采中只有做好覆盖性地质灾害的防治工作，并保障土地的复垦，才能确保地表最小裸露区域，从而降低矿山开采对生态环境的破坏。在矿山开采过程中，应将矿山环境保护与资源开发相结合，实现经济效益与生态效益的最大化[3]。

1   露天矿山合理采掘带宽度确定

1.1   电铲1h生产能力

针对露天矿山开采，首先结合电铲每小时生产能力，确定合理的采掘带宽度。电铲每小时生产能力，是指在确定矿井条件下，连续作业的电铲1h的生产能力[4]。电铲每小时的能力计算如下：

（1）

式中：Qj代表电铲每小时的能力。Tj代表挖掘机在完成以此采装时所需时间；Km代表满斗系数。Ks代表松散系数。Km和Ks与露天矿岩石的破碎程度、铲斗的形状等都有着直接关联。决定电铲能力的参数主要包括满斗系数和电铲的循环时间。

1.2   每行走一次挖掘实方量

在电铲作业时，为确保作业安全，将安全距离设置为2m，则电铲中心距离内侧坡底线不得小于12m，且不得超过15m。电铲中心与外侧坡脚之间的距离不宜过大，否则太大会把材料推出，太小又会影响电铲的性能。通过与自移式破碎机配合分析，可得到电铲中心距外侧坡底线应大于8m且小于13m。

按照下述公式可以计算出每行走一次挖掘的实方量：

V=HBL                  （2）

式中：V代表每行走一次挖掘的实方量。H代表台阶高度。B代表挖掘带的宽度。L代表行走一次的挖掘进度。根据上述计算，明确电铲在作业时应当紧靠工作面内侧坡底线，可将回转角度控制到最小[5]。

考虑到电铲尾部回转半径，要求电铲中心线距离工作面内侧坡底线的最小距离为12m。电铲中心线距离台阶外侧底线距离，通常设置为13m较为合理。

综合上述分析，采掘带宽度应控制在25m左右。当电铲直接开采未爆炸的岩石时，取满斗率为0.75，挖掘时间为20s，则电铲的小时产量大约为爆炸时的65%。为了提升半连续采煤技术的体系性能，在可直接采煤条件下，为了增加采煤效率和缩短采煤时间，必须采用爆破方式。

2   自移式破碎机履带布置方式选择

在确定露天矿山合理采掘带宽度后，需要对自移式破碎机履带布置方式进行合理选择。图1为破碎机覆带纵向布置图。按照单一台阶开采工艺，在单一台阶上作业的全移动破碎站半连续工艺，如图2所示。

采掘完一个条幅，工作面胶带输送机便进行移设，以此达到“一采一设”的效果。采用单级采煤方法，它的生产组织比较简单，且所有设备都在一个平面上工作，不需要在上、下两个平台之间进行转移，为此它的工作效率比较高[6]。在对转载设备选择时，宜选用连接桥方式，这种方式造价更低，且适用于单阶作业。

3   剥离内排与控制爆破

对存在多采区的矿井，在替代采区进行回采时，可以将被剥落的废石排放到闭合坑采区。对于大面积的采场，可以采取分区采矿的方式，将已被开采的矿渣排到已经完成区，在采矿的同时，逐渐地进行排土和复垦。在矿山开采过程中，由于不需另设外排场地，因此在开采过程中，应尽量减少外排场地影响，以大幅度减少对矿区用地的占用，减轻矿区用地的负荷。

按照绿色矿山建设的要求，在矿山开采过程中，对已形成终了边坡台阶应进行及时地覆盖，并设置一个临时表土堆场。它占据空间很小，在开采过程中，表土会逐渐被利用起来，在开采终了边坡时会恢复原来的地貌[7]。

在开采邻近边坡时，可利用光面预裂法来减小对边坡的干扰，保证边坡稳定。预裂爆破的孔径为90～105mm，孔距为1.2m。在施工过程中，预裂孔眼必须位于同一平面上，孔底位于同一直线上，孔深不能大于第一次爆破时所产生的孔洞[8]。对于矿体赋存条件复杂的矿山，合理选择推进方式有利于保证矿山生产稳定，并降低矿石贫化率。

4   覆土复绿

在推进到终了台阶时，应当立即进行覆土、植树和覆绿等操作，并设置相应的养护设施。针对已经完成开采的区域，或在短时间内不会再进行开采的区域，应当完成临时覆土和覆绿操作。对平台下部而言，可选用覆渣垫层，其厚度控制在50cm左右。垫渣主要来自开采过程中产生的松散剥离物。

通过机械平土的方式使场地覆土的厚度保持均匀，并控制地面平整度和地面排水情况。要求旱地地面坡度应当控制在5°以内。可在采场平台上栽植刺槐、马尾松等植物，在陡边坡顶平台边缘上修筑台阶挡墙，并配合覆渣垫层进行整平处理。

5   工程应用

5.1   矿山工程概况

本次研究的绿色矿山整体采用露天开采方式，根据工程方的设计标准，明确此矿山的生产规模为300万t/a。该矿山工程的露天采矿作业整体采用间断式工作制，预设每年工作300d，每天由两班轮换作业，每个班的作用时长为8h。

根据工程项目的现场勘查，明确矿山开采时台阶高度为15m，作业中台阶的安全宽度为4m。在此基础上，对露天矿所在地的基本情况进行分析。发现此矿区海拔高度为1650m，属于雨林气候，几乎每日下雨，上面是采区，下面是排土场。矿山工程地质情况如图3所示。

该地区的地层非常完整，除了太古宇地层，还出露了古元古代的松山群和新元古代的五佛山群。礦床地层呈单斜分层，呈近东西向展布，产状相对平缓。该区构造较为简单，没有明显的褶皱和断层。

该矿体产于中生代张夏组岩层，由下至上分别为水泥灰岩矿、黑色冶金白云灰岩矿和建筑石材矿。其中，水泥灰岩矿从北到南，暴露在外的宽度约为72～462m，其中，粉煤灰岩暴露在外的宽度约为327～675m。在纵向分布上，水泥灰岩的矿层的厚度通常在44～63m之间，平均厚度为57m。矿体顶部以第四系土为主，只在矿区中、北部局部出露，厚度约为0～12m，矿区边界清楚，分布平稳，具有良好的稳定性。

5.2  岩石力学参数选择与计算方法设计

根据矿区相关资料，结合现场勘查记录，进行矿山岩石力学参数的选择。岩石力学参数选择如表1所示。

完成上述研究后，使用由加拿大Roc Science公司提供的Slide软件，对矿山开采过程中的边坡稳定性进行计算与分析。此款软件集成了多种边坡安全系数计算方法，可以对各类土质和岩质边坡、挡土墙结构安全性、整体稳定性等进行分析，实现对矿山开挖中边坡稳定性的高精度计算。

5.3  Slide软件计算步骤与稳定性分析

使用Slide软件，对露天矿开挖过程中的稳定性进行分析，此项工作主要步骤如下：

先选择露天矿中一个较为典型的坡面结构，操作计算机，在CAD软件中，建立对应的露天矿边坡模型，露天矿边坡剖面模型如图4所示。

在此基础上，从对应的模型中录入岩石力学参数、Material材料，根据工程单位与计算方法，定义模型的相关参数。使用计算机中的Slide软件，对开挖过程中的剖面进行稳定性分析。

经过分析后发现，通过对工程的模拟开挖，使得边坡剖面稳定性系数大于设计的边坡稳定性系数，说明在开挖过程中，边坡剖面未发生失稳现象。

将本文设计的方法投入使用，经过阶段性的应用后，矿山开挖边坡并未发生过滑坡、坍塌事故，证明本次设计的开采工艺实际应用效果良好。

6   结束语

传统的露天矿开采方式不仅存在着较大的安全隐患，而且存在着开采工作效率低下、整体经济效益较低等问题，同时会对周围的生态环境造成较大破坏。为落实此项工作，国家和地方政府也发布了大量的政策文件，大力支持绿色矿山的建设。鉴于矿业政策的日趋严格，很多企业都面临着周围环境和土地占用等问题.

本文以绿色矿山建设的要求为依据，将国家关于矿山的有关政策和矿山生产的实际情况相结合，提出了绿色矿山建设的露天采矿理念，并对采矿工艺展开了优化。为深化此项工作，本文结合现有研究成果，对此方面工作的规范化实施展开了进一步的研究，明确了优化矿山开采工作的重要意义。

参考文献

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[3] 王冠华，孙焱焱，王明明，等.矿山露天开采中采场边坡稳

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[8] 赵星平，纪华，常玲玲.高海拔地区矿山开采形成的露天边

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