采矿方法基本知识

采矿方法基本知识
采矿方法可大致分为露天开采、地下开采和液体开采3种基本采矿方法。

①露天开采。

即在露天条件下，将埋藏较浅的矿石，从矿坑露天矿、山坡露天矿或剥离露天矿进行开采。

包括挖掘一系列顺序的沟槽。

采砂船采矿也属剥离露天矿的一种，它从平底船上进行挖掘。

②地下开采。

是将埋藏较深的矿石，在地下采用自然支护、人工支护及崩落采矿方法将矿石开采出来。

③液体开采。

又称特殊采矿法。

是从天然卤水里、湖里、海洋里或地下水中提取有用的物质；将有用矿物加以溶解（或热水融化），再将溶液抽至地面后进行提取；用热水驱、气驱或燃烧，把矿物质从一个井孔驱至另一井孔中采出。

大多数液体采矿是用钻井法进行的。

对于一个具体矿床，根据地质条件和岩石力学资料，选择合理的采矿方法。

比较理想的是要使被选用的采矿方法，在符合生产安全和适当采出有用矿物的要求下，能取得最大的经济效益。

如采矿方法选择不当，将长期影响矿山生产技术指标和经济效益。

第一篇露天开采
露天开采的基本概念
露天矿是在基建和生产过程中逐渐形成的。

基建时期的任务是建立供电供水系统及建立运输干线，修建选矿厂、排土场及机修厂等主要构筑物和设施，以及完成投产时所
一
必需的采准和剥离工程量。

在生产过程中，为了完成国家计划中规定的年矿石生产任务，必须按时完成一定的开拓，采准、剥离的工程量。

露天矿在开采过程中，必须将境界内的矿、岩划分成一定厚度的水平分层，以便由上向下逐层进行开采，这些阶梯抉的工作面叫做台阶，如图8—1。

每个台阶大多使用独立的穿孔和采掘设备。

上部平盘1—台阶的上部水平面；
下部平盘2—台阶的下部水平面；
台阶坡面3—朝向采空区的台阶斜面；
坡面角a—台阶坡面与下部水平面的夹角；
坡顶线4—台阶坡面与上部水平面的交线；
坡底线5—台阶坡面与下部平盘的交线；
台阶高度h—上部平盘与下部平盘的垂直距离。

金属露天矿的台阶高度一般为10-14米。

露天矿生产是按一定的生产工艺过程进行的，这些工作总称为矿山工程。

矿山工程
二
又可分为剥离和采矿工程。

剥离工程是将露天矿境界内影响采矿的岩石剥掉，并运出露天矿境界以外进行排弃，以保证采矿工作的正常进行。

一般新建的露天矿剥离和采矿工程是依次进行的。

正常生产时则是同时进行。

这就是党为采矿工业规定的：‚采剥并举，剥离先行‛的方针。

若不认真贯彻这一方针，就不能保证矿山正常，持续的完成矿石生产任务。

依照矿山工程的作用还可分为开拓，采准和扩帮工程。

开拓工程是按设计中规定的开拓系统掘进倾斜的出入沟（如图8-2中的ABCD部分），以建立地面与采矿场各生产水平间的运输联系；然后掘进水平的段沟（CDEF部分），以建立台阶开采的起始工作线。

并在所开段沟一侧（或两侧）进行扩帮工程。

以后各水平的开采程序和第一水平一样，即首先开掘出入沟，再开次水平的段沟，然后进行扩帮工程。

总之，露天矿多是由单一水平向多水平发展，逐步形成全矿的开拓运输系统。

图8-3是凹陷露天矿全貌。

凹陷露天矿是从地表开始向下逐层开采的，使用铁路运输时，运输干线也由浅而深，随矿山工程的发展逐步铺设，当露天矿开采终了时，运输干线才最终形成。

图8-2 露天矿发展顺序
1-出入沟；2-开段沟
在开采过程中和终了时形成的露天矿场是由以下要素组成图（8-4）：
三
工作帮AD—是由正在进行采掘工作的台阶组成；
工作帮坡线KG—工作帮最上一个台阶和最下台阶坡底线连接的直线；
工作帮坡角ф—工作帮坡线与水平线的夹角；
工作平盘—工作帮上各台阶的水平部分，即工作台阶的平盘，在平盘上布臵穿孔，采装和运输等主要设备。

露天矿场非工作帮CD及AB—即露天矿场内由已结束工作的非工作台阶组成的边帮或其一部分。

在采矿场内，位于矿体下盘岩石的边坡叫做底帮，位于矿体上盘岩石的边坡叫顶帮，位于采矿场两端的边坡叫端帮；
四
最终边坡线BE和CF—最上一个非工作台阶坡顶线与最下一个非工作台阶坡底线的连线；为了保证露天矿具有正常生产的工作条件，各开采水平的工作平盘的宽度应保证不小于最小平盘宽度。

其大小是根据爆堆宽度，运输设备规格和通行条件确定。

图8-5是最小工作平盘宽度组成要素。

B最小=B+C+T+Z米
B最小—最小工作平盘宽度，米
C—爆堆坡底线至运输设备边缘间距离，米；
T—车辆运行所需宽度，米；
z一为防止岩体滑动的安全距离，米。

一般爆堆宽度随台阶高度h和岩石硬度变化，若用冲击式穿孔机进行穿孔，单排
五
六
孔爆破时的台阶宽度变化范围见表
8-1:
表8-`1爆 堆 宽 度
最小工作平盘宽度可根据下表所列数据选取。

用铁路运输时最小平盘宽度可取上限，汽车运输时可取下限，如用双轨（线）运输时应加线路中心线间距离。

表8—2 最小工作平盘宽度
以上叙述了有关露天开采的基本概念，我国是个地大物博，矿产资源十分丰富的国家，地下埋藏各种类型的矿体，应该具备什么条件才能用露天开采呢？
由于露天开采在采出矿石的同时，必须剥离一定数量的岩石。

而且，剥离岩石量的多少直接影响采出矿石的成本和单位投资额，并且随着矿山开采深度变化往往剥离岩石的数量也是变化的。

因此，确定合理的露天开采范围的实质即是确定合理的露天开采深度问题，其次，是确定露天采矿场在地表的开采范围。

为了确定合理的露天开采的深度，首先要了解剥采比的概念。

因为露天矿剥离岩石量
七
直接影响矿石成本和单位投资，必须计算开采单位矿石所需剥离的岩石量，这一比值称为剥采比。

其单位可用吨/吨或米3/米3表示。

剥采比有多种表示形式，确定露天矿境界常用的有以下几种：平均剥采比n 平：如图8一6所示，即露夭矿境界范围内总的岩石量与矿石量的比值
境界剥采比：如旧8-7所示，即露天矿增加某一深度时（一般为一个台阶高度），所必须采出的岩石量与矿石量的比值。

式中b 1，b 2—露天矿增加某一深度所必须采出的岩石量，米3（吨）；a —增加某一深度所采出的矿石量，米3（吨）。

(3)经济合理剥采比n经：即采用露天开采时经济上允许的最大剥采比。

其确定方法有二：
1）根据露天和地下开采成本比较结果确定，
式中c—用地下采矿法开采一吨矿石成本，元∕吨；
用露天开采一吨矿石成本，元∕吨3；
露天开采一吨岩石成本，元∕吨。

以上数据可按类似条件的矿山选取。

2）根据矿石批发价格确定，矿石批发价格是由国家或省经济部门规定的。

-a)/b
n经=(C
—该种矿石批发价格，元/吨。

a，b与上式相同。

式中c
一般情况下，经济合理剥采比应不超过表8-3所规定的数值。

经济合理剥采比（米3/米3）表8-3
矿床类型大型中型小型
铁、锰、菱铁、铜、铅、锌8~10 ≤6~8 ≤5~6
石灰石、白云石、硅石 1.5 ≤1.5 ≤1.0
铝土矿、粘土矿13~16 13~16 13~16
八
确定露天矿最终境界时，可根据不同深度h列出方案，如图8-8所示，并按各个深度的境界剥采比不大于经济合理剥采比的原则，用比较法求出合理的最终开采深度H，如8-9所示。

图8-8 露天矿不同深度的境界剥采比
有些矿山，资源较少或是矿体埋藏比较复杂，可以应用平均剥采比不大于经济合理剥采比的原则来确定。

当露天矿合理的开采深度确定后，再确定矿体深部和地面开采范围，才能正确确定矿体的开拓系统和开拓沟道位臵，以及合理的选择选矿场，排土场及工业广场位臵，并计算露天采矿场内可采出的矿石储量及剥离总量。

总之，埋藏很深的矿床必须用地下方法开采。

凡是能够用露天开采的矿床，应首先考虑用露天方法进行开采，因为露天开采具有一定的优越性：
（1）露天采矿机械化程度高，可以采用高效率的大型机械设备，如牙轮钻，挖掘机等，能使矿山达到很高的矿石生产能力。

(2）建设速度快，建一个年产500万吨到1000万吨矿石的露天矿，可在2-一3年内建成，而建设相同规模的地下矿山需4-6年。

九
（3)劳动生产率高，露天开采的全员劳动生产率约为地下开采的3-5倍或更高，从历史最高水平看，我国大型露天矿全员劳动生产率为7371吨／人〃年（大孤山铁矿为9328吨/人〃年），小露天矿为872吨／人〃年。

而大型地下矿山为400-664吨／人〃年，中小型地下矿山为200-300吨／人〃年。

(4）生产成本低，露天开采一吨矿石的成本约为地下开采成本的一半或更少，近几年，黑色和有色金属露天开采的矿石成本为3-5元／吨，地下开采为8～9元／吨。

（5）工人劳动条件好，工作比较安全。

（6)矿石贫化，损失小，可以充分回收地下资源。

露天开采主要缺点是：
（1)剥离时需要排弃大量岩石，即使尽量利用山沟和荒地建立排土场，但往往仍需占用较多的农田。

(2)在雨季、酷热和严寒的天气时，对设备效率的发挥和生产工人的劳动生产率都有一定的影响。

以上缺点，只要采取积极措施，正确处理，这些问题是可以得到克服和改善的。

第二节：露天矿生产工艺
在金属露天矿生产过程中，矿山生产工艺由穿孔爆破、采装、运输和排土工作组成。

一、穿孔爆破工作
金属矿山的矿石和岩石一般比较坚硬，必须在矿石，岩石上进行穿孔，以便用炸药进行爆破，达到疏松和破碎岩石的目的，为采装、运输工作创造良好条件。

十
1．穿孔工作
以前国内矿山主要使用冲击式穿孔机（俗称磕头钻）进行穿孔。

由于设备落后，穿孔效率不高，使穿孔工作成为露天开采过程中的薄弱环节，从而严重的影响其他生产工作的进行。

近年来，各矿山采用了牙轮钻、潜孔钻等先进的穿孔机械设备，使矿山的穿孔工作改变了被动局面。

国外大、中型金属矿山多用牙轮钻，穿孔效率最高。

中、小型矿山多用潜孔钻。

火钻适用于极坚硬岩石，但穿孔成本很高。

（1）牙轮钻机
牙轮钻机是一种回转式钻机。

穿孔时利用回转机构带动钻机回转，钻机的推压机构，向钻具施加很大的轴压力，孔底岩石在这种动压和静压的作用下破碎。

在回转破碎岩石过程中，用压缩空气（或将压缩空气和水混合）把钻孔中岩渣吹出，从而形成钻孔。

目前国内生产和使用比较普遍的是顶部回转连续加压的牙轮钻机，如图8一10是HYZ一250型牙轮钻机。

其特点是回转机构布臵在加压小车上，小车可沿立架上下滑动，连续加压，故称滑架式，其加压方式多为封闭链—齿条式。

此种钻机的机械化程度高，操作方便，辅助时间少，作业率高，钻孔效率高，与冲击式钻机比较，可以减轻劳动强度，并使穿孔效率提高4～5倍。

牙轮钻机使用三牙轮合金柱钻头。

国外在硬岩和极硬矿岩中使用的牙轮钻机轴压多为30～40吨，最大为60吨，在软岩和中硬矿岩中为20～30吨。

钻头直径为310-380毫米，最大达444毫米。

国外矿山使用60-R Ⅲ塑牙轮钻机每台年穿爆量可达600-1000万吨，每月可穿孔7000-10000米。

为了适应露天矿大型装运设备的发展，并能在极硬岩石中穿孔取得较好的技术经济指标，国外牙轮钻机的发展趋势是：加大轴压和孔径；增加回转功率和扭矩，采用了高钻架，
钻孔过程中不需要接钻杆。

另外，在提高钻头使用寿命和钻机自动化方面，做了许多研究和改进。

但是，我国使用牙轮钻机的时间较短，在穿孔机台班效率、作业率，部件的可靠性及备品、备件、钻头寿命等方面有待进一步改进。

（2）潜孔钻机
潜孔钻机是一种冲击回转式钻机，凿岩时把产生冲击作用的气动装臵—冲击器和钻头潜入孔底，随着孔深的增加，冲击器和钻头随之向孔底进行冲击并推进，同时钻杆在上部回转机构的带动下进行回转，使钻头对孔底产生剪切作用形成钻孔。

这种钻机既可钻垂直孔，又能钻倾斜孔。

图8-11是开山KY100潜孔钻。

由于潜孔钻机具有结构简单，穿孔速度较快，机械化程度高，可以打倾斜孔，制造费用低等优点，在金属露天矿得到广泛的应用，特别是中、小型矿山和需要分采的矿山使用潜孔钻较多。

此种钻机穿孔速度虽快，但因受孔径限制，使每米炮孔长度爆破量减少，因此，其台年效率不如牙轮钻和火钻。

图8-12为各种型式潜孔钻头。

国内露天矿应用的潜孔钻，按其自重和钻孔直径可分为重型，中型，小型潜孔钻，重型潜孔钻可钻直径200—250毫米炮孔，适用于大，中型露天矿硬岩和极硬岩石，其余可用于中，小型矿山。

图8-11 开山KY100潜孔钻
潜孔钻今后需要提高工作风压，改进冲击器和钻头的结构及加工工艺，延长使用寿命，向低转速、低轴压、高扭矩、高钻架发展，以提高穿孔效率，降低穿孔L成本。

（3）火钻
在国外个别矿山使火力钻机作为坚硬矿岩的穿孔设备。

火力钻机按其使用的氧化剂不同可分为氧气火钻和压气火钻。

火钻穿孔原理是以喷气技术为基础，用类似火箭发动机推力室的火焰燃烧器，在纯氧中燃烧炭化氢（如2号柴油或煤油），以高温（2480º～3200℃）和高速（超音速：1800米／秒）的火流喷向岩石表面，使岩石在热应力作用下，骤热、膨胀、．碎裂、剥落而成孔，并不是将岩石熔化。

火钻适宜干含矽较多的极硬而又致密的矿岩（如铁遴岩、磁铁石英岩、辉长岩、花岗岩和石英岩等）中穿孔，但对裂隙发达的岩石以及粘土含量超过2～4％的岩石，不宜采用火钻。

火钻在极硬岩石中穿
孔效率很高，但要消耗大量氧气和柴油，因之成本太高。

为了降低火钻的穿孔费用，一
些国家使用压缩空气代替氧气，可降低成本50％。

图8-12 各种型式潜孔钻头
（4）冲击式穿孔机
冲击式穿孔机是靠钻具自由下落冲击孔底而破碎岩石。

此种钻机只能打垂直孔。

生产中常用的穿孔机有CZ-1型，穿孔直径为230-300毫米，CZ-20一2型可穿190^-230毫米。

此种设备因其效率低，已属淘汰设备；但目前我国有些露天矿尚在使用或部分使用。

2．爆破工作
露天矿爆破工作的好坏，对采装工作影响很大，要求爆破后的爆堆集中，爆破的矿岩块度应满足采装设备的要求，尽量减少根底和大块，保证工作平盘平整，还必须努力降低爆破材料消耗和穿爆费用。

露天矿使用的爆破方法有深孔爆破和硐室爆破，硐室爆破只在基建或特殊需要时使用。

而深孔爆破是大、中型露天矿主要爆破方法。

深孔爆破钻孔布臵有垂直孔和倾斜孔两种，如图8-13，根据需要还可采用单排或多排孔爆破方法。

为了获得较好的爆破效果，应合理地确定爆破参数，采用多排孔微差爆破。

（1）穿爆参数
露天矿的穿爆参数如图8一13所示，包括：孔径d、底盘抵抚线W底：、孔距a、排距b、超钻深度h超、填塞长度L填。

以及单位炸或消耗量q。

孔径d是根据矿岩性质，矿山生产能力所选用的穿孔设备而确定的。

底盘抵抗线W底是由钻孔中心线到台阶坡底线的水平距离。

根据实际经验，底盘抵抗线可按下式选择：
=（0.6~0.9）h，米
W
底
式中h一台阶高度，米。

一般为10一12米。

采用垂直孔时，底盘抵抗线大，爆破时底部岩体阻力较大，往往平盘上残留根底较多。

并且后冲力加大，增加台阶的龟裂程度，影响采装和穿孔工作。

图8一14所示为爆破后残留的根底。

采用倾斜孔爆破时，因钻孔的倾斜方向与台阶坡面一致，所以底盘抵抗线小并且均匀，故可节省炸药，爆破后岩石块度均匀，残留根底少，后冲力小，可减少台阶的龟裂程度。

但目前只有用孔径较小的潜孔钻机穿孔时，才能打倾斜钻孔。

图8-14 爆破后台阶上残留根底
近些年来，由于大孔径钻机和高威力炸药的的使用，使垂直深孔的爆破质量进一步提高。

孔距a是排内钻孔中心线之间的距离。

一般可用下式计算：
，米
a=m×W
底
式中m—钻孔密集系数，一般为0.7-1.3。

（8-1）
排距b是多排孔爆破时钻孔排间距离。

其值为：
b＝a〃sin 60º，米（8-2）
超钻深度h超是钻孔超出台阶底部的深度。

作用是降低装药中心，克服底盘岩石的阻力，以减少根底。

一般单位炸药消耗量q即爆破每米3或吨矿（岩）所消耗的炸药量。

该值一般按照和本矿岩石性质类似矿山选取，并结合本矿的矿岩性质加以调整。

h
超=（0.15~0.35）·W
底
，米（8-3）
每个钻孔的装药量Q可用下式计算：
Q=q·h·a·W
底
公斤
式中q—单位炸药消耗量，公斤／米3；h, a，W底表示意义同前。

（2）爆破方法
近年来，露天矿使用的爆破方法，由单排孔爆破向多排孔微差爆破发展，并在金属露天矿得到普遍应用。

微差爆破是将炮孔分组起爆，各组之间间隔延迟若干毫秒（千分之一秒），先爆部分为后爆部分岩石创造自由面，而且，先爆岩石对后爆部分产生挤压作用。

因此，多排孔微差爆破增加了每次爆破的矿岩量，爆破时，在相邻钻孔的爆破波相互挤压下，使岩石破碎均匀，产生的根底和大块少，地震作用减少，爆堆比较集中，从而有利于提高采装效率、减少爆破次数，并提高了挖掘机纯工作时间及效率。

金属露天矿一般同时爆破4～6排，有的多达8～10排，一次爆破约为30～40万吨矿岩，国外有的高达100～200万吨。

由于采用多排孔大区微差爆破和高威力炸药，使爆破效果大大提高，大块产出率大大降低，为采装工作创造有利的工作条件。

3．矿用炸药和装药车
露天矿爆破所用炸药的品种较多，但主要是铵油炸药和浆状炸药两种。

铵油炸药由于加工容易、成本较低，在金属露天矿得到广泛应用。

但抗水性能差、装药密度小、爆速低，因之在坚硬岩石中爆破质量较差。

浆状炸药的主要优点是爆速大、威力高、可以防水，并且装药密度大，只是浆获炸药的成本比铁油炸药高，但使用浆状炸药可以扩大爆破参数，因之可以减少穿孔费用，且每米钻孔的爆破量较高。

因浆状炸药抗水性能好及装药密度大，所以在水孔和坚硬岩石中应用较多。

由于露天矿每次爆破的装药量较多，在采用大区多排孔微差爆破时装药量更多。

用人工装药不仅劳动效率低，而且劳动强度大。

为了改善这种状况，提高装药效率，使用装药车进行装药。

常用的装药车有KYC-1型，BC-8型。

KYC-1型装药车的装药系统是用车箱内的螺旋输送器将炸药输送到车尾的星形阀，再用压气经半导电塑料管吹人孔内，可同时向两个钻孔进行装药。

BC-8型装药车的装药量为8吨，KYC-1型装药车为6．5吨。

装药效率每小时为6.5吨，比人工装药效率提高2倍以上，且大大减轻了劳动强度，并使装药密度增大，从而有利于提高爆破质量。

二、采装工作
采装工作就是用装载机械将矿岩装入运输容器或由挖掘机直接卸至一定地点的工作。

国内露天矿主要的采装设备为电动的单斗挖掘机，如图8一15。

国外在剥离软岩和表土时，有用多斗或轮式挖掘机的。

近些年来，前端式装载机也应用于露天矿。

1．单斗挖掘机
目前，我国露天矿应用的单斗挖掘机斗容为1～8米3的。

在大、中型露天矿多用斗容3～8米3，小型露天矿一般应用1～3米3的。

为了适应深部开采，掘沟往往应用长臂式挖掘机，如图8一16。

一般单斗挖掘机由推压机构、提升机构、旋转机构、行走机构组成。

按照推压机构的特点可将单斗挖掘机分为两大类：齿条推压机构和钢绳推压机构，即为双（铲）杆外插和单（铲）杆内插单（铲）杆内插的推压机构。

双杆外插单斗挖掘机（如图8一15）的特点是整体动臂，（大架子），双方形铲杆外插，单滑轮提升，绝大多数是齿条．推压。

这种铲杆抗扭力强，铲杆、动臂刚度大，齿条推压有力。

目前，各国挖掘机大部分都用此种结构。

单杆内插挖掘机推压机构的主要特点是整体中空动臂，单个圆形铲杆内插（图8一16），钢绳推压，双滑轮提升。

铲斗挖掘时侧倾力表现为两组提升钢绳上的不同张力，铲杆处于免扭状态，因而可以减轻动臂铲杆的重量。

2．单斗挖掘机工作规格
挖掘机在露天矿应用是否合理，效率能否充分发挥都与挖掘机工作规格、工作面参数、穿爆效果、操作水平及供车情况等有密切关系，所以，应根据具体矿山的条件和生产的需要进行选型。

挖掘机工作规格（图8-17）包括：挖掘半径R挖、挖掘高度H挖、卸载半径R卸、卸载高度H卸等。

图8-16 长臂挖掘机
挖掘半径R挖。

是在采掘时由挖掘机回转中心到铲斗牙尖的水平距离。

最大挖掘半径就是铲杆最大水平伸出时的挖掘半径。

站立水平挖掘半径R站是铲斗前侧平放在站立水平上的挖掘半径。

挖掘高度H挖是在采掘时，铲斗牙尖距站立水平的垂直距离。

最大挖掘高度就是铲杆最大伸出并提到最高位臵的垂直距离.
图8-17 挖掘机工作规格
卸载半径R卸，是在卸载时，由挖掘机回转中心至铲斗中心的水平距离。

最大卸载半径R卸大。

就是铲杆最大水平伸出时的卸载半径。

卸载高度H卸．是铲斗斗门打开后，斗门的下缘距站立水平的垂直距离。

最大卸载高度就是杆最大伸出并提到最高位臵时的垂直距离。

3．采掘工作面参数
露天矿生产过程中，为了保证挖掘机的工作安全和提高采掘效率，必须合理确定采掘工作面参数。

工作面参数包括工作面高度、采掘带宽度和采区长度。

（1）露天矿工作面高度，在不需爆破的软岩中即是台阶商度，需要爆破的岩石中是指爆堆高度。

工作面高度受矿岩性质及埋藏条件、穿爆方法、挖掘机规格等限制，但主要
决定于挖掘机规格，要求既能保证挖掘机的工作安全，又能提高其工作效率。

按挖掘机工作安全要求的工作面高度，在挖掘不需爆破的松软岩石时（图8一18a），一般不应大于挖掘机的最大挖掘高度H挖大。

若挖掘爆破后块度不大的矿岩时，爆堆高度应不超过最大挖掘高度的1．2～1．3倍（图8一18b）。

按照满斗要求的工作面高度，一般不应低于挖掘机推压轴高度的2/3。

图8-18 采装工作面示意图
a-松软矿岩采装工作面；b—坚硬矿岩采装工作面
（2）采掘带宽度是把台阶或爆堆划分为若干个具有一定宽度的条带以便进行采掘，如图8-18，为了提高挖掘机效率，挖掘机向里侧挖掘时回转角度不得大于90º，向外侧应不得大于30º，否则不易满斗。

因此采掘带宽度：
A=（1.0~1.5）R站，米（8-5）。