孫浩

摘要：為提高露天礦山開采中邊坡坡面穩(wěn)定性，通過確定露天礦山合理采掘帶寬度、選擇自移式破碎機履帶布置方式、剝離內(nèi)排與控制爆破、覆土復綠，開展綠色礦山建設背景下的露天礦山開采工藝設計。結(jié)合具體的工程實例，通過合理選擇巖石力學參數(shù)、計算方法和Slide軟件進行穩(wěn)定性分析，證明新的開采工藝可有效提高下邊坡坡面穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：綠色礦山；剝離內(nèi)排；控制爆破；覆土復綠；采掘帶寬度

0? ?引言

傳統(tǒng)的露天礦開發(fā)工藝，會對礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)造成了一系列的環(huán)境問題，這一問題不僅造成了礦山開采企業(yè)與土地資源兩者之間的不協(xié)調(diào)，還對部分山區(qū)居住群體的生活環(huán)境造成了負面影響[1]。在當下大環(huán)境下，針對目前露天礦開采所面臨的各種問題，很多礦山開采企業(yè)提出了“綠色露天礦”的工作理念。

在礦山露天開采時，傳統(tǒng)的采礦方法為一次推進到最終完成的采掘方式，所以在開采時，必須一次性完成對土地征用和對周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)，此種開采方式往往會導致礦山裸露的面積過大，在開采結(jié)束時也無法使植被恢復。

根據(jù)“綠色礦山”的建設要求，礦山在開采中，不允許大面積、長時間的出現(xiàn)裸露區(qū)域，對大面積、大規(guī)模的采空區(qū)，要及時采取技術(shù)手段或措施治理[2]。開采中只有做好覆蓋性地質(zhì)災害的防治工作，并保障土地的復墾，才能確保地表最小裸露區(qū)域，從而降低礦山開采對生態(tài)環(huán)境的破壞。在礦山開采過程中，應將礦山環(huán)境保護與資源開發(fā)相結(jié)合，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的最大化[3]。

1? ?露天礦山合理采掘帶寬度確定

1.1? ?電鏟1h生產(chǎn)能力

針對露天礦山開采，首先結(jié)合電鏟每小時生產(chǎn)能力，確定合理的采掘帶寬度。電鏟每小時生產(chǎn)能力，是指在確定礦井條件下，連續(xù)作業(yè)的電鏟1h的生產(chǎn)能力[4]。電鏟每小時的能力計算如下：

（1）

式中：Qj代表電鏟每小時的能力。Tj代表挖掘機在完成以此采裝時所需時間；Km代表滿斗系數(shù)。Ks代表松散系數(shù)。Km和Ks與露天礦巖石的破碎程度、鏟斗的形狀等都有著直接關(guān)聯(lián)。決定電鏟能力的參數(shù)主要包括滿斗系數(shù)和電鏟的循環(huán)時間。

1.2? ?每行走一次挖掘?qū)嵎搅?/p>

在電鏟作業(yè)時，為確保作業(yè)安全，將安全距離設置為2m，則電鏟中心距離內(nèi)側(cè)坡底線不得小于12m，且不得超過15m。電鏟中心與外側(cè)坡腳之間的距離不宜過大，否則太大會把材料推出，太小又會影響電鏟的性能。通過與自移式破碎機配合分析，可得到電鏟中心距外側(cè)坡底線應大于8m且小于13m。

按照下述公式可以計算出每行走一次挖掘的實方量：

V=HBL? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：V代表每行走一次挖掘的實方量。H代表臺階高度。B代表挖掘帶的寬度。L代表行走一次的挖掘進度。根據(jù)上述計算，明確電鏟在作業(yè)時應當緊靠工作面內(nèi)側(cè)坡底線，可將回轉(zhuǎn)角度控制到最小[5]。

考慮到電鏟尾部回轉(zhuǎn)半徑，要求電鏟中心線距離工作面內(nèi)側(cè)坡底線的最小距離為12m。電鏟中心線距離臺階外側(cè)底線距離，通常設置為13m較為合理。

綜合上述分析，采掘帶寬度應控制在25m左右。當電鏟直接開采未爆炸的巖石時，取滿斗率為0.75，挖掘時間為20s，則電鏟的小時產(chǎn)量大約為爆炸時的65%。為了提升半連續(xù)采煤技術(shù)的體系性能，在可直接采煤條件下，為了增加采煤效率和縮短采煤時間，必須采用爆破方式。

2? ?自移式破碎機履帶布置方式選擇

在確定露天礦山合理采掘帶寬度后，需要對自移式破碎機履帶布置方式進行合理選擇。圖1為破碎機覆帶縱向布置圖。按照單一臺階開采工藝，在單一臺階上作業(yè)的全移動破碎站半連續(xù)工藝，如圖2所示。

采掘完一個條幅，工作面膠帶輸送機便進行移設，以此達到“一采一設”的效果。采用單級采煤方法，它的生產(chǎn)組織比較簡單，且所有設備都在一個平面上工作，不需要在上、下兩個平臺之間進行轉(zhuǎn)移，為此它的工作效率比較高[6]。在對轉(zhuǎn)載設備選擇時，宜選用連接橋方式，這種方式造價更低，且適用于單階作業(yè)。

3? ?剝離內(nèi)排與控制爆破

對存在多采區(qū)的礦井，在替代采區(qū)進行回采時，可以將被剝落的廢石排放到閉合坑采區(qū)。對于大面積的采場，可以采取分區(qū)采礦的方式，將已被開采的礦渣排到已經(jīng)完成區(qū)，在采礦的同時，逐漸地進行排土和復墾。在礦山開采過程中，由于不需另設外排場地，因此在開采過程中，應盡量減少外排場地影響，以大幅度減少對礦區(qū)用地的占用，減輕礦區(qū)用地的負荷。

按照綠色礦山建設的要求，在礦山開采過程中，對已形成終了邊坡臺階應進行及時地覆蓋，并設置一個臨時表土堆場。它占據(jù)空間很小，在開采過程中，表土會逐漸被利用起來，在開采終了邊坡時會恢復原來的地貌[7]。

在開采鄰近邊坡時，可利用光面預裂法來減小對邊坡的干擾，保證邊坡穩(wěn)定。預裂爆破的孔徑為90～105mm，孔距為1.2m。在施工過程中，預裂孔眼必須位于同一平面上，孔底位于同一直線上，孔深不能大于第一次爆破時所產(chǎn)生的孔洞[8]。對于礦體賦存條件復雜的礦山，合理選擇推進方式有利于保證礦山生產(chǎn)穩(wěn)定，并降低礦石貧化率。

4? ?覆土復綠

在推進到終了臺階時，應當立即進行覆土、植樹和覆綠等操作，并設置相應的養(yǎng)護設施。針對已經(jīng)完成開采的區(qū)域，或在短時間內(nèi)不會再進行開采的區(qū)域，應當完成臨時覆土和覆綠操作。對平臺下部而言，可選用覆渣墊層，其厚度控制在50cm左右。墊渣主要來自開采過程中產(chǎn)生的松散剝離物。

通過機械平土的方式使場地覆土的厚度保持均勻，并控制地面平整度和地面排水情況。要求旱地地面坡度應當控制在5°以內(nèi)。可在采場平臺上栽植刺槐、馬尾松等植物，在陡邊坡頂平臺邊緣上修筑臺階擋墻，并配合覆渣墊層進行整平處理。

5? ?工程應用

5.1? ?礦山工程概況

本次研究的綠色礦山整體采用露天開采方式，根據(jù)工程方的設計標準，明確此礦山的生產(chǎn)規(guī)模為300萬t/a。該礦山工程的露天采礦作業(yè)整體采用間斷式工作制，預設每年工作300d，每天由兩班輪換作業(yè)，每個班的作用時長為8h。

根據(jù)工程項目的現(xiàn)場勘查，明確礦山開采時臺階高度為15m，作業(yè)中臺階的安全寬度為4m。在此基礎(chǔ)上，對露天礦所在地的基本情況進行分析。發(fā)現(xiàn)此礦區(qū)海拔高度為1650m，屬于雨林氣候，幾乎每日下雨，上面是采區(qū)，下面是排土場。礦山工程地質(zhì)情況如圖3所示。

該地區(qū)的地層非常完整，除了太古宇地層，還出露了古元古代的松山群和新元古代的五佛山群。礦床地層呈單斜分層，呈近東西向展布，產(chǎn)狀相對平緩。該區(qū)構(gòu)造較為簡單，沒有明顯的褶皺和斷層。

該礦體產(chǎn)于中生代張夏組巖層，由下至上分別為水泥灰?guī)r礦、黑色冶金白云灰?guī)r礦和建筑石材礦。其中，水泥灰?guī)r礦從北到南，暴露在外的寬度約為72～462m，其中，粉煤灰?guī)r暴露在外的寬度約為327～675m。在縱向分布上，水泥灰?guī)r的礦層的厚度通常在44～63m之間，平均厚度為57m。礦體頂部以第四系土為主，只在礦區(qū)中、北部局部出露，厚度約為0～12m，礦區(qū)邊界清楚，分布平穩(wěn)，具有良好的穩(wěn)定性。

5.2? 巖石力學參數(shù)選擇與計算方法設計

根據(jù)礦區(qū)相關(guān)資料，結(jié)合現(xiàn)場勘查記錄，進行礦山巖石力學參數(shù)的選擇。巖石力學參數(shù)選擇如表1所示。

完成上述研究后，使用由加拿大Roc Science公司提供的Slide軟件，對礦山開采過程中的邊坡穩(wěn)定性進行計算與分析。此款軟件集成了多種邊坡安全系數(shù)計算方法，可以對各類土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡、擋土墻結(jié)構(gòu)安全性、整體穩(wěn)定性等進行分析，實現(xiàn)對礦山開挖中邊坡穩(wěn)定性的高精度計算。

5.3? Slide軟件計算步驟與穩(wěn)定性分析

使用Slide軟件，對露天礦開挖過程中的穩(wěn)定性進行分析，此項工作主要步驟如下：

先選擇露天礦中一個較為典型的坡面結(jié)構(gòu)，操作計算機，在CAD軟件中，建立對應的露天礦邊坡模型，露天礦邊坡剖面模型如圖4所示。

在此基礎(chǔ)上，從對應的模型中錄入巖石力學參數(shù)、Material材料，根據(jù)工程單位與計算方法，定義模型的相關(guān)參數(shù)。使用計算機中的Slide軟件，對開挖過程中的剖面進行穩(wěn)定性分析。

經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)，通過對工程的模擬開挖，使得邊坡剖面穩(wěn)定性系數(shù)大于設計的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，說明在開挖過程中，邊坡剖面未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

將本文設計的方法投入使用，經(jīng)過階段性的應用后，礦山開挖邊坡并未發(fā)生過滑坡、坍塌事故，證明本次設計的開采工藝實際應用效果良好。

6? ?結(jié)束語

傳統(tǒng)的露天礦開采方式不僅存在著較大的安全隱患，而且存在著開采工作效率低下、整體經(jīng)濟效益較低等問題，同時會對周圍的生態(tài)環(huán)境造成較大破壞。為落實此項工作，國家和地方政府也發(fā)布了大量的政策文件，大力支持綠色礦山的建設。鑒于礦業(yè)政策的日趨嚴格，很多企業(yè)都面臨著周圍環(huán)境和土地占用等問題.

本文以綠色礦山建設的要求為依據(jù)，將國家關(guān)于礦山的有關(guān)政策和礦山生產(chǎn)的實際情況相結(jié)合，提出了綠色礦山建設的露天采礦理念，并對采礦工藝展開了優(yōu)化。為深化此項工作，本文結(jié)合現(xiàn)有研究成果，對此方面工作的規(guī)范化實施展開了進一步的研究，明確了優(yōu)化礦山開采工作的重要意義。

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