摘要長期以來，我國露天礦設計、生產通常采用緩幫開采。露天礦初期生產剝采比高、后期生產剝采比低，影響了礦山即時經濟效益和總體經濟效益。盡管在編制采剝進度計劃時進行一些調整和均衡，但由于工藝特點所決定，仍然出現較高的剝離高峰值。這就出現了礦山開采初期采剝總量大、設備和人員增多、基建投資大、生產成本高的局面。這種以緩幫工作幫坡角為特征的緩幫開采工藝基建工程量大、投資多、投產和達產年限長、最終邊坡暴露過早、初期生產剝采比大、技術指標差，不利于露天開采技術的發展和礦山綜合經濟效益的發展【1】。本課題正是致力于此舉措制定的陡幫開采工藝系統方案研究。陡幫開采亦稱陡幫擴幫采剝。它是泛指露天礦開采能創造陡剝巖幫的一切采剝方法。陡幫開采是在工作幫上部分臺階作業，部分臺階不作業，使工作幫坡角加陡，以推遲部分巖石的剝離。陡幫開采有利于優化開采工藝，陡幫開采工藝對于改善露天礦采剝關系、緩解由于剝離落后而造成的礦石生產能力下降的被動局面，特別是露天礦新建、擴建，分期開采等方面，有著十分重要的意義和廣闊的應用前景。關鍵詞：露天礦，緩幫開采，陡幫開采，生產剝采比，推遲剝巖，工作幫坡角，采剝關系目錄xx公司陡幫開采可行性研究長期以來，我國露天礦設計、生產通常采用緩幫開采。露天礦初期生產剝采比高、后期生產剝采比低，影響了礦山即時經濟效益和總體經濟效益。盡管在編制采剝進度計劃時進行一些調整和均衡，但由于工藝特點所決定，仍然出現較高的剝離高峰值。這就出現了礦山開采初期采剝總量大、設備和人員增多、基建投資大、生產成本高的局面。這種以緩幫工作幫坡角為特征的緩幫開采工藝基建工程量大、投資多、投產和達產年限長、最終邊坡暴露過早、初期生產剝采比大、技術指標差，不利于露天開采技術的發展和礦山綜合經濟效益的發展【1】。從六十年代起，西方一些國家從理論上進行了陡幫開采的研究。根據國外世界各大型露天礦資料查詢，他們采取的工作幫坡角一般在200～300左右，見表1.1美國皮馬銅礦為了及早采出深部富礦，在第二期開采中，富礦區的工作幫坡角取到270，從而加速了下降速度，及早見礦，滿足了出售礦石品位的要求。蘇聯從六十年代研究高臺階開采技術，以利于提高工作幫坡角。已使用和推廣的臺階高度為20米，工作幫坡角200～310。表1.1國外露天礦陡幫開采參數現狀【1】序號礦山名稱所在國家礦石類型臺階高度（m）工作平臺寬度（m）臨時非工作平臺寬度（m）工作幫坡角（度）1賓厄姆美國斑巖銅礦12~1533262西雅里塔美國斑巖銅礦15>606~825~283皮馬美國輝銅礦1260~75326.6~33.74巴格達得美國斑巖銅礦12>366~1030~405伯克利美國斑巖銅礦1236~1053~9約306莫倫西美國斑巖銅礦1546207卡西厄加拿大石棉礦9.1~13.750~9010~16308托魁帕拉秘魯斑巖銅礦15>3426.6~309塞羅帕斯科秘魯銅鉛鋅銀15>3515~203710丘基卡馬塔智利斑巖銅礦13~15>2424~2811馬伊旦佩克南斯拉夫斑巖銅礦15>5010~2020~3012博爾南斯拉夫斑巖銅礦15>507~820~3013帕拉博拉南非銅礦12>37121814雷爾山澳大利亞銅硫礦7.5~15.2154015惠爾巴克山奧法利亞赤鐵礦15>5017.316塞羅·維德秘魯銅礦15>3537總之，從表1可以分析出國外陡幫開采的基本參數取值范圍是：臺階高度12米～15米，工作平臺寬度是40米～60米，臨時非工作平臺寬度3米～10米，工作幫坡角200～300。美國一些礦山，根據多年經驗取值為：工作幫坡角190～270，推薦的標準工作平臺寬度50～60米，最小工作平臺寬度為30米。隨著我國對礦山固定資產投資方式的改變，礦山建設與改造更加追求投資貸還能力以及投資收益率，于l978年將陡幫開采方法引入到我國的部分大型露天礦設計中，同時也引入到北方少量大型生產礦山中。經過10多年的生產實踐，取得了一些經驗和成果。陡幫開采方法已逐漸得到重視，伴隨大型、高效采裝系列配套設備國產化在我國的研制成功和工藝技術上的新突破，也可在國內露天礦推廣運用，這將給我國傳統的緩幫開采工藝，提出嚴峻的挑戰，很快在露天礦生產建設中帶來技術、經濟的變革。大型露天礦陡幫開采工業試驗在南芬露天礦試驗成功,生產剝采比由原來的2.7t/t降為2.44t/t,4年共推遲剝巖量832萬t,獲經濟效益3477萬元；同時為其他露天礦提供了較全面的開采技術和管理經驗，故西礦也可采用此方法來提高經濟效益。本課題分為以下幾個方面解決相關問題（1）開采參數的研究目標是研究不同開采參數的工藝配合方式，不同開采參數同設備效率和作業成本的內在規律，為我國新建和改擴建的大型汽車運輸露天礦采用陡幫開采新工藝提供可靠的工藝方法和技術參數，為陡幫開采工藝的設計與實施提供一個科學、實用的參數。（2）工作幫坡角的研究旨在白云鄂博西礦，確定合理的工作幫坡角，以及生產剝采比的合理分配，為該礦實施陡幫開采的中短期生產計劃，提出理論依據。（3）均衡生產剝采比的研究的目標旨在為x露天礦實行陡幫開采時提供技術上可行、經濟上有利的生產剝采比宏觀控制的依據；論證陡幫開采參數對該礦生產剝采比均衡的特殊影響規律。白云西礦礦體分布范圍是：西起2線，向東至96線，全長約10km，南北寬1km左右。分南北兩個礦帶（向斜兩翼），相距200m～500m，西部兩礦帶相距較近，向東變寬。西礦礦體主要產于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特巖組三巖段（H8）中，由多層礦組成。鐵礦體劃分出11個主礦體，102個附屬礦體。主要礦體為I、Ⅲ、IV、V、VI，占總儲量95.6％。礦體分布集中地區為中區（16線～48線），礦體規模大，最大延深855m（40線）；西區（16線以西）延深小；東區（48線以東），不僅延深小，而且厚度薄，礦體規模不大。本區最大礦體為Ⅴ、Ⅲ號，占總儲量58.6%。鈮礦劃分了362個獨立礦體，分布集中地區為中區（16線～48線），基本為單工程控礦的透鏡體，最大礦體延長超過1km，占總儲量23.4%。稀土礦共劃分62個礦體，主要礦體為R4、R7、R36、R59，占總儲量94.75％。最大礦體為R4、R7，占總儲量60.24%。礦體由西向東呈現由小變大、由分支到復合、南部礦體逐漸尖滅消失的趨勢。本次開采對象為鐵礦體，鈮礦、稀土礦單獨堆存。全區（2線～96勘探線）提交并批準的鐵礦石儲量為：表內礦B+C+D級儲量80796.65萬t，礦石平均品位TFe33.27%。表外礦儲量10356.69萬t，平均品位TFe24.96%。截至2005年5月31日，在采礦權登記范圍內（2線～96線，1210m標高以上），西礦表內鐵礦石為58599.39萬t，表外鐵礦石為8121.21萬t。白云西礦開采方法為露天開采，礦山年產原礦1500萬t，年采剝總量11250萬t。西礦整個為一個大露天采礦場，長4700m，寬1100m，封閉圈以下深456m。在標高1536m以下分為東露天和西露天兩部分，其露天底標高分別為1212m和1152m。境界內礦石量43861萬t，巖石量185982萬t，平均剝采比4.24t/t。白云西礦設計范圍西起2勘探線，東至48勘探線，走向長4.8km，南北寬1km。礦體產于向斜兩翼及其核部，走向近東西，傾角大于600，呈斷斷續續帶狀分布。礦體最大延深855m，局部出露地表，覆蓋層厚度一般為10m～60m。地表地形為低緩丘陵區，地形標高為1608m～1668m。根據礦區資源條件和開采技術條件，白云西礦適合露天開采。白云西礦選礦廠2008年投產，新建的混合礦選礦廠采用階段磨礦、弱磁選—中磁選—反浮選降硫的三段一閉路選別流程。根據礦體賦存條件和采用的工藝、設備，確定開采過程的礦石損失率和圍巖混入率均為7%，近礦圍巖含TFe7%，mFe5%。各采場礦石平均采出品位見表2.1。表2.1礦石采出平均品位統計表項目單位東采場西采場合計氧化礦（TFe）%28.6227.9128.15氧化礦（MFe）%12.2114.2013.55混合礦（TFe）%30.4531.2730.96混合礦（MFe）%24.0224.6324.40白云鄂博礦區位于蒙古高原南部，屬內陸干燥氣候區。由于受西伯利亞、貝加爾湖和溫都爾汗等強冷空氣的影響，低溫少雨，干旱多風，溫差變化大。春旱風沙大，夏短雨集中，秋爽多日照，冬長天寒冷。冬季長達7個月之久，一月平均氣溫－16.2℃，極端最低氣溫－35.1℃。氣溫在20℃以上的夏季為29.4天，七月平均氣溫為19．4℃，極端最高氣溫34.3℃。每日均氣溫5℃以上的持續生長期168天，每日均氣溫O℃以下的持續霜期217.3天。每年平均氣溫為2.4℃。最早初霜日在9月4日，最晚終霜日在5月12日。春季3～5月，是大風季節，每年平均7級以上大風日70天，最多達110天，最大風速28米／秒(十級)，年平均風速5.5米／秒。秋季年平均日照時間為3240.4小時。從氣候條件看，白云鄂博的風能和太陽能資源豐富。公路:現有公路包白公路（包頭市—白云鄂博）150公里、呼白公路（呼和浩特—達茂旗—白云鄂博）220公里。鐵路:包白鐵路（白云鄂博—包頭東）準軌接京包線。距離135公里，其中運行車次為7407/7408次，每天早7：40分白云鄂博站開車，12：00到達包頭東站；下午5：20包頭東站開車，9：50到達白云鄂博站。區間運行4小時20分，現有運力能滿足需要。機場:白云鄂博到包頭飛機場170公里。x白云鄂博鐵礦西礦（1500萬t/a原礦）采礦工程初步設計概算總投資為458010.72萬元（其中含進口設備附加費50681.17萬元），其中：第一部分工程費用為412201.94萬元，占概算總投資的90.00%；第二部分其它費用為11882.05萬元，占概算總投資的2.59%；預備費為33926.72萬元，占概算總投資的7.41%。6年后陸續建設聯合開拓系統，還需增加投資137093.57萬元。白云鄂博鐵、稀土、鈮礦帶東西長16km，南北寬1～2km，呈一向斜構造。x礦礦體分布范圍：西起2線，向東至96線，全長約10km，南北寬1km左右。分南北兩個礦帶（向斜兩翼），相距200～500m，西部兩礦帶相距較近，向東變寬。礦體主要產于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特巖組三巖段（H8）中，由多層礦組成。鐵礦體劃分出十多個主礦體，100多個附屬礦體。主要礦體為I、Ⅲ、IV、V、VI，占總儲量95.6％。礦體分布集中地區為中區（16線～48線），礦體規模大，最大延深855m，西區延深小，東區不僅延深小，而且厚度薄，礦體規模不大。礦區最大礦體為Ⅴ、Ⅲ號，占總儲量58.6%。鈮礦劃分了300多個獨立礦體，分布集中地區為中區，基本為單工程控礦的透鏡體，最大礦體延長超過1km，占總儲量23.4%。稀土礦共劃分幾十個礦體，主要礦體為R4、R7、R36、R59，占總儲量94.75％。最大礦體為R4、R7，占總儲量60.24%。礦體由西向東呈現由小變大、由分支到復合、南部礦體逐漸尖滅消失的趨勢。礦區內鐵礦層主要賦存于中元古界白云鄂博群哈拉霍疙特巖組（Zh）第三巖段H8和比魯特巖組（Zb）第一巖段H9中。位于向斜兩翼及其核部，與圍巖產狀一致，走向近東西，傾向南或北，傾角南翼一般為70～85°，局部直立甚至倒轉，北翼一般為60～85°，礦體傾角一般翼部陡而核部緩。礦體隨向斜向東側伏。故在西部礦體賦存較淺，東部賦存較深，同時賦存于向斜兩翼的南北礦帶的頂部距離也自西向東逐漸加寬。由于礦區廣泛被第四系覆蓋，礦體僅在山包處才有出露。現將規模較大的四個礦體特征分述如下：1)I號礦體I號礦體產于H82白云巖下部，距H81板巖10～20m，層位穩定。由下而上分為兩層，即I1和I2，二者相隔3～20m。（1）I1分布于6～26線間2000m地段內，礦體連續分布。南翼分布于10～22線，長1400m。最大延深620m，最小127m，一般400～500m。礦體形態為似層狀，分布穩定而連續，局部出現分支復合、尖滅再現。產狀傾向北，傾角60～65°。北翼分布于6～21線及23～26線，長分別為1650m和450m。最大延深575m，最小116m，一般400～600m。礦體形態為似層狀，分布穩定，厚度變化小，局部出現尖滅再現。產狀傾向南，傾角60～80°，核部30～40°。（2）I2分布于3～24線間2100m地段內連續存在，基本呈向斜狀態，沿走向向東具側伏現象。南翼分布于3～17線及19～24線，長分別為1500m和650m。最大延深595m，最小83m，一般300～400m。礦體厚度變化較大，由淺到深有增厚現象。礦體形態為似層狀和透鏡狀，分布穩定而連續，局部出現分支復合、尖滅再現。產狀傾向北，傾角60～90°。北翼分布于3～22線及23線，長分別為2000m和100m。最大延深560m，最小31m。礦體形態為似層狀，分布連續，厚度穩定，局部出現分支復合。產狀傾向南，傾角60～70°，核部30～40°。2)Ⅲ號礦體Ⅲ號礦體為本區第二大礦體，儲量僅次于V號礦體，產于H82白云巖中下部，與Ⅰ、Ⅱ號礦體相隔10～50m。由下而上分Ⅲ1和Ⅲ2，二者相隔3～15m。（1）Ⅲ1分布于10～46線間3500m地段內，連續分布。礦體沿傾向呈透鏡狀，一般尖滅較為迅速，礦體規模亦不大。南翼分布于22線、26線、32線和46線4個地段，各為孤立的透鏡體，極不連續。長度各為200m，延深60～180m。礦體產狀傾向北，傾角65～85°。北翼分布于10線、20～30線、32～39線、41～42線及44～46線，長度分別為200m、1100m、800m、200m和200m。最大延深430m，最小30m。礦體形態為似層狀和透鏡狀，分布不連續，厚度變化較大。產狀傾向南，傾角40～80°。（2）Ⅲ2分布于3～46線間4300m地段內，主要產于向斜北翼，且連續分布。南翼分布于3～10線、14～19線、22～28線及32～33線4個地段，長度分別為850m、650m、700m和200m。最大延深475m，最小35m，一般100～400m。礦體形態為透鏡狀，分布不連續，局部出現分支復合、尖滅再現。產狀傾向北，傾角55～90°，一般65～70°，核部20～30°。北翼分布于3～46線，礦體長4450m。最大延深710m，最小31m，一般300～400m。礦體形態簡單，為似層狀，分布連續，局部出現分支復合、尖滅再現。礦體厚度沿走向呈波狀起伏變化，向東西兩側變薄。沿傾向厚度變化較大，往往呈豆莢狀（透鏡狀）。產狀傾向南，傾角60～70°，局部80°，1350m標高以下45～53°。3)Ⅳ礦體Ⅳ礦體位于H82白云巖中部，與Ⅲ號礦體相隔10～60m。礦體分布于8～48線間4000m地段內，所處標高1200～1600m之間。南翼分布于14線、17～39線、41線及44～48線4個地段，長度分別為200m、2300m、100m和650m。最大延深600m，最小130m，一般200～400m。礦體形態為似層狀、透鏡狀，分布不連續，26線礦體被F3斷層錯開。局部出現分支復合、尖滅再現。產狀傾向北，傾角50～80°。北翼分布于8～41線、44～45線2段，礦體長度分別為3450m和200m。最大延深760m，最小30m，一般300～400m。礦體形態尚屬簡單，為似層狀，多單層出現，個別有分支復合現象。礦體厚度沿走向從7～24線向東西兩側變薄。沿傾向厚度由淺到深有增厚現象。產狀傾向南，傾角50～70°，局部80°。4)V號礦體V號礦體為本區最大的礦體，產于H82白云巖中上部，距Ⅳ號礦體20～60m。由下而上分為V1、V2兩個分礦體，二者相距5～20m，以V2礦體規模大，分布穩定。（1）V1礦體分布在18～96線間8200m地段內，連續分布。其中18～20線、23～24線礦體為向斜狀態，延伸200～300m。其他呈單斜狀態，延深小、厚度薄。南翼分布于18～20線、22～28線、30～34線及36～64線4個地段，長度分別為300m、700m、500m和3050m。最大延深700m，最小55m，一般100～500m。礦體形態為透鏡狀、似層狀，分布不連續，局部出現分支復合、尖滅再現。產狀傾向北，傾角45～90°，一般75～80°，核部10～30°。北翼分布于18～24線、26線、30～68線、76～80線及88～96線5個地段，長度分別為700m、150m、800m、4050m和1200m。最大延深700m，最小40m，一般150～500m。礦體形態尚簡單，為似層狀、透鏡狀，局部出現分支復合、尖滅再現。東西兩側礦體厚度變化較大，中部穩定，基本為薄層礦。產狀傾向南，傾角45～70°，局部80°左右。（2）V2礦體分布在18～96線，礦體長8200m，連續分布。其中18～28線產于向斜兩翼，沿傾向尖滅迅速，礦體規模不大，厚度小于10m，多呈透鏡狀。30～48線礦體為向斜狀態，規模大，厚度數十米，延深500～600m，形態簡單，呈層狀，分布穩定。48線以東礦體規模小，沿傾向尖滅迅速。南翼分布于18線、22～28線、30～64線3個地段，長度分別為100m、700m、和3650m。最大延深830m，最小60m，一般500～700m。礦體形態基本為似層狀，變化平緩，分布連續，局部出現輕微的分支復合。產狀傾向北，傾角40～90°，由西向東呈現由緩變陡的趨勢。北翼分布于19～23線、26線、30～68線、88～96線4個地段，長度分別為500m、150m、4050m和2000m。最大延深620m，最小55m，一般100～500m。礦體厚度最大68m，最小2.1m，一般5m～50m。礦體形態較簡單，為似層狀、透鏡狀，局部出現分支復合、尖滅再現。礦體厚度由中部向東西側變薄。產狀傾向南，傾角44～80°，由西向東呈現由緩變陡的趨勢。礦體總體表現為：主礦體形態主要為似層狀，其次為大的透鏡狀，一般分布穩定而連續，局部出現分枝復合與尖滅再現現象，受次一級構造的影響，使礦體形態復雜化。小礦體多為透鏡狀。白云西礦礦石生產規模為1500萬t/a，其中東采場600萬t/a，西采場900萬t/a，設計采用的生產剝采比6.5t/t，礦山剝離量9750萬t/a，采剝總量11250萬t/a。開采范圍與開采方法根據礦山資源勘探情況，本次設計西礦開采范圍為2~48線之間的礦床。開采方法為露天開采。露天開采最終境界的確定設計采用境界剝采比（浮錐剝采比）不大于經濟合理剝采比（9m3/m3）的原則，圈定了露天開采終了境界，圈定結果，西礦整個為一個大露天采礦場，長4700m，寬1100m，封閉圈以下深456m。在標高1536m以下分為東露天和西露天兩部分，其露天底標高分別為1212m和1152m。境界內礦石量43861萬t，巖石量185982萬t，平均剝采比4.24t/t。采剝工藝礦山采剝工藝為牙輪鉆機穿鑿中深孔，炸藥爆破崩落礦巖，單斗挖掘機裝載自卸汽車。采用Ф310mm牙輪鉆穿孔，多排孔微差擠壓爆破方法進行中深孔爆破，6-8m3電鏟、16m3及以上液壓鏟或電鏟分別鏟裝礦石和巖石，由上向下逐層開采。設計采用緩幫采礦、陡幫剝巖工作組合臺階方式剝巖，組合臺階高度48m（4個開采水平為一組），工作平臺寬度50m，安全平臺寬度16m，工作幫坡角為22.66°。初期在主礦體邊界的上盤巖石中沿走向方向開水平段溝，向上下盤兩側推進。為了有效均衡生產剝采比，采用組合臺階和傾斜分條（臨時非工作幫）的陡幫開采工藝，生產剝采比為最大為6.5t/t。根據礦體賦存條件和采用的工藝、設備，設計確定開采過程的礦石損失率和圍巖混入率均為7%，近礦圍巖含TFe7%，mFe5%。礦石平均采出品位：氧化礦TFe28.15%，mFe13.55%，混合礦TFe30.96%，mFe24.40%。礦床開拓經分析比較，礦石生產初期(西采場前5年,東采場前前6年)采用公路汽車開拓方式，采用載重108t級礦用自卸汽車運往選礦廠礦石粗破碎站，礦石破碎站設54-75旋回式破碎機1臺。西采場7年后、東采場8年后，采用采場內汽車－半移動破碎機組－溜井－膠帶運輸機－選礦廠的開拓運輸方式。東采場破碎機選用進口1216（顎式）可移式破碎機1臺，西采場選用54-75(旋回)可移式破碎機1臺。巖石初期采用載重172t-223t級礦用自卸汽車直接運往露天采場100m以外的排土場。經技術經濟比較，西采場第6年開始使用汽車—破碎—膠帶機—排土機共2套聯合開拓運輸系統，東采場第9年開始使用汽車—破碎—膠帶機—排土機聯合開拓運輸系統，稀土礦、稀土白云巖、廢巖采用載重172t-223t級礦用自卸汽車從采場運往巖石破碎站，各巖石破碎站設63-89旋回破碎機1臺，采用分時破碎、分時運輸、分別堆存，破碎后的巖石經由寬1800mm的膠帶機接排土機排土，排土機排土效率為4500m3/h，共6臺。考慮到采場深部第四系、鈮礦數量較少，設計第四系、鈮礦采用汽車直接運輸方式，單獨堆存。排土工藝與排土場采場內剝離的稀土、白云巖、廢巖、鈮礦及第四系均采用分別堆存的方式排棄到相應的排土場。礦山生產初期，稀土、白云巖、廢巖及全采場的鈮礦、第四系采用自卸汽車運輸、推土機推排的排土工藝；6年后，深部剝離的稀土、白云巖及廢巖，采用排土機排土工藝。排土高度為30-100m。排土場計算容積95097.42萬m3，設計排土場容積95680萬m3。采場防排水為盡量減少采場排水量，采場外設防洪溝、采場內設截水溝。采場匯水采用機械排水方式，接力排水系統。采用聯合開拓運輸方式時，在溜井底部設排水泵站，將溜井底部涌水排出。陡幫開采是在露天境界內把采礦與剝巖的空間關系在時間上做了相應的調整【2】。在保持相同采礦量的前提下，用加陡剝巖工作幫坡角的工藝方法把接近露天境界圈附近的部分巖石推遲到后期采出。它與分期開采的目的相同，而比分期開采更加有效、靈活。露天礦工作幫坡角的大小與臺階高度成正比，與工作平盤寬度成反比。緩幫開采工藝因受最小工作平盤限制，平盤寬度很難減小。陡幫開采則是把剝巖幫上的臺階分為工作臺階和暫不工作臺階，只要求工作臺階的工作平盤寬度大于或等于最小工作平盤寬度，而暫不工作的臺階則可按保證安全及運輸通道的要求，盡量減小寬度。因此說，陡幫開采是通過控制暫不工作臺階數并減小它們的寬度來減小整個剝巖工作幫上臺階所占平盤寬度來實現加陡剝巖工作幫坡角的。其加陡的程度，從大于一般緩工作幫坡角，直到接近最終邊坡角。陡幫開采是在工作幫上部分臺階作業、部分臺階暫不作業，作業臺階和暫不作業臺階輪流開采，使工作幫坡角加陡，以推遲部分巖石的剝離。均衡整個生產期的剝采比，推遲部分剝巖量，節約基建投資，縮短最終邊幫的暴露時間，有利于邊坡的穩定。陡幫開采具有以下的優點【3～6】：1）不改變傳統緩幫開采的開拓、準備程序和采掘、運輸系統。2）基建剝巖量和基建投資少，基建時間短，投產早達產快。3）可緩剝大量巖石，降低前期生產剝采比，有利于生產剝采比均衡。4）推遲最終邊坡暴露時間，有利于采場邊坡穩定和維護。但是采用陡幫開采必須具備下述技術和組織條件：1）正確地采用大區微差爆破。2）廣泛應用汽車運輸和移動坑線開拓。3）相應的采運設備大型化。4）生產組織管理的科學化。陡幫開采工藝的應用能夠使基建剝巖量小、投資少、基建期短、投產達產快，經濟效益明顯，可廣泛應用于新建礦山和剝離洪峰尚未到來的凹陷露天礦，以及擴建改造的礦山。根據剝巖挖掘機的大小及工作幫上的臺階數目，陡幫開采的作業方式可以分為：工作幫臺階依次輪流開采、工作幫臺階分組輪流開采、臺階(挖掘機)尾隨開采、并段爆破分段采裝開采【7，8】。(1)工作幫臺階依次輪流開采臺階依次輪流開采方式如圖3.1所示。臺階依次輪流開采的實質是：露天礦整個剝巖工作幫由一臺挖掘機自上而下輪流開采，先第一個臺階，再第二個臺階，依此類推，采完最后一個臺階后，挖掘機再返回到第一個臺階，重新開始下一個條帶的剝離工作。圖3.1工作幫臺階依次輪流開采采用這種作業方式時，剝巖帶內只有一個臺階在作業，其余臺階均處于暫不作業狀態，所留平盤寬度較窄，故能最大限度地加陡工作幫坡角，獲得較好的經濟效益。采用這種作業方式時，工作臺階也可以由一組(兩臺)挖掘機進行采掘，它們在同一個臺階上作業，一前一后，間隔一定距離，并作同向采掘；也可以從端幫向中央作對向采掘。(2)工作幫臺階分組輪流開采臺階分組輪流開采方式如圖3.2所示。其實質是將工作幫上的臺階劃分為若干組，每組2～5個臺階，每組臺階由一臺挖掘機在組內從上而下逐個臺階進行開采。當挖掘機采完組內最下一個臺階后再返回第一個臺階作業，剝離下一個巖石條帶。圖3.2臺階分組輪流開采臺階分組輪流開采時，組內除正在作業的臺階外，其余臺階均處于暫不作業狀態，所留平臺寬度小，或者直接并段，故能加陡工作幫坡角，但加陡的工作幫坡度比臺階依次輪流開采的方式較小。臺階分組輪流開采時，只要與相鄰組的挖掘機之間保持一定的水平距離，就可以保證安全生產。非相鄰組之間挖掘機有一個或多個寬30～50m或更大的平盤隔開，挖掘機即使在同一條垂直線上工作，也可以保證安全生產。(3)臺階(挖掘機)尾隨開采臺階尾隨開采方式是一臺挖掘機尾隨另一臺挖掘機向前推進，如圖3.3所示。向前尾隨的挖掘機構成一組，組內有若干臺挖掘機同時作業，如果一組挖掘機的生產能力尚不能滿足露天礦剝巖生產能力的要求，則可以布置第二組、第三組。圖3.3臺階(挖掘機)尾隨開采采用臺階尾隨方式開采時，各工作幫任何一個垂直剖面圖上，組內只有一個臺階在作業，它保留最小工作平盤寬度，而其它臺階只保留運輸平臺，故可以加陡工作幫坡角實施陡幫開采。如果露天礦有幾組挖掘機同時作業，則上下不同水平的挖掘機很可能在一條直線上工作。為保證生產安全，組與組之間必須有一條寬平臺隔開，如圖3.3所示。臺階尾隨開采的主要優點：利用規格小的采運設備也能加陡工作幫坡角，并有一定的經濟效益。臺階尾隨開采的主要缺點：每一個臺階要布置一臺挖掘機，并且上下臺階互相尾隨，它們之間必然相互影響，降低了挖掘機生產能力，因而對提高陡幫開采的經濟效益不利。同時這種工藝形式通常要冒“剝離欠賬”和“采剝失調”的風險[9]。(4)并段爆破分段采裝開采圖3.4并段爆破分段采裝開采這種作業方式的實質是將工作臺階并段進行鉆孔爆破，然后在爆堆上分段進行采掘，是依靠減少爆堆占有寬度的辦法減少平盤寬度，以增加工作幫坡角的工藝形式。只要具備高段深孔鉆機，不需改變任何其他過程和開拓準備程序，即可實現陡幫開采，它是利用現行采掘設備改造緩幫開采面貌的簡單可行的途徑。上述四種采剝作業方式雖然各有其特點、參數及適用條件等，但彼此沒有什么本質區別，只是表現形式不同而已。當采運設備的規格較大時，一臺電鏟可完成剝巖幫上左右臺階的開采工作，此時陡幫開采的循環形式是臺階一次輪流開采方式。當采運設備規格較小，一臺電鏟只能完成剝巖幫上2～5個臺階，整個剝巖幫分幾組臺階進行開采，此時表現形式是臺階分組輪流開采方式。當采運設備規格更小，一臺電鏟只能開采一個臺階，這時表現形式是電鏟尾隨開采方式。這里設備的規格起決定性作用【10】。根據x集團x礦業有限責任公司相關技術部門的要求，在并段爆破技術可行的基礎上，提出并確定采用并段爆破分段（或分層）采裝開采工藝的研究。并段爆破分段（或分層）采裝工藝有以下幾方面的優點：1）均衡生產剝采比，降低初期剝離高峰。2）提高生產能力，達產時間快。3）高段穿孔提高了鉆機的有效利用率，鉆孔的成本降低。4）由于高段爆破，減少了超鉆和填塞的比例，提高了鉆孔的利用率，使單位礦巖的鉆孔消耗量和爆破器材的消耗量都有所降低。5）由于高段爆破屬于擠壓介質爆破，炸藥的單耗將有所提高，但爆破效果如爆堆的集中性和破碎度的均勻性均有提高，從而有利于提高采裝運和破碎過程的效率。6）有利于露天采場邊坡的穩定與維護【11】。同時，陡幫開采也有部分缺點【7】，包括：1)采掘設備上下調動頻繁，影響其生產能力；2)運輸道路工作量大。陡幫開采時，露天采場一般采用移動坑線，當一個巖石條帶剝離完后，運輸坑線需移動一次，修筑新的線路，因而與固定坑線相比，線路的修筑與維護工程量大，費用高；3)采場輔助工程量大。陡幫開采時，采場里的供風管、供水管及供電線移設次數增加，費用增加；4)管理工作嚴格。陡幫開采時，上下臺階之間的配合要協調，在編制年進度計劃時，每年的采剝量不但要數量均衡，而且要部位平衡。本課題以x（集團）公司白云鄂博鐵礦西礦采礦工程(1500萬t/a規模)初步設計為依據，采用并段爆破分段采裝時，先分析分組輪流開采參數，以確定并段爆破分段采裝的部分參數。現有規模為年生產礦石1500萬t（其中東采場600萬t/a，西采場900萬t/a，生產剝采比最大為6.5t/t,平均剝采比4.24t/t，組合臺階時工作幫坡角為22.660，最小工作平盤寬度為50m）基礎上進行的【12】。原設計數據，工作臺階坡面角750，安全平臺寬度為16m，工作幫坡角為22.660，按4個臺階一組開采，可計算出一次推進寬度為=38m，則組合臺階開采時工作平盤寬度為=54m。根據白云西礦現場實踐，可知12m臺階爆破時旁沖寬度為15m左右。圖3.5組合臺階開采前示意圖上面是用已知數據對一次循環寬度進行的推算，本節利用公式計算一次循環寬度。一次循環寬度與組合臺階個數有直接關系，根據礦體產狀、新水平準備位置和推進方向以及一組內的電鏟生產能力等因素確定一組內的臺階數和一次循環推進寬度。一次循環推進寬度的確定涉及因素較多，其中包括：礦山工程下降速度、最小工作平臺寬度、年循環次數、一個臺階上所能布置的作業電鏟臺數及其生產能力以及新水平掘溝位置和推進方向等諸多因素。因此，必須研究確定這些因素后才能確定一次循環推進寬度。1）礦山工程延深速度礦山工程延深速度由下式確定。（式3.1）式中：——露天礦礦石生產能力，噸/年；——所選用的有代表性的水平分層礦量，噸；——礦石回收率，；——礦體傾角，度；——廢石混入率，；——礦山工程延深角，度；——礦山工程延深速度，米/年。其他符號意義同前。 由于礦山工程延深角與礦體傾角相差不大，所以，礦山工程延深速度按下式計算。米/年（式3.2）西礦設計年礦石生產能力為1500萬噸，取有代表性的分層礦量為1524～1536水平，其礦石儲量為1570萬噸，臺階高度12米，礦石回收率93%，廢石混入率7%左右。將以上數據代入公式3.2得=12.2米/年。這是根據礦山礦石產量要求必須達到的礦山工程延深速度，達不到這個速度，就難以完成礦石產量。另一方面，在礦山設備裝備水平（或水平推進速度）一定的條件下，實行組合臺階開采提高工作幫坡角可以大大加快礦山工程延深速度，提高礦山礦石生產能力。研究表明，在相同的水平推進速度條件下，陡幫開采同緩幫開采相比，礦山工程延深速度提高的百分數可用公式（3.3）計算。（式3.3）——陡幫開采時的工作幫坡角，度；——緩幫開采時的工作幫坡角，度；——陡幫開采比緩幫開采礦山工程延深速度提高百分比，。其他符號意義同前。由上面確定參數可知，緩幫開采時工作幫坡角12.30，組合臺階開采工作幫坡角22.60，代入上式（3.3）可知，陡幫開采比緩幫開采采礦強度（礦山工程延深速度）提高72.3％，陡幫開采礦山工程延深速度可達21米/年。礦山規模和工作幫坡角所決定的一次循環推進寬度同一組內的臺階個數之間的關系如公式（3.4）所示。米（式3.4）式中：——移動坑線寬度，取25米；——臺階坡面角；式中符號意義同前。一組內的電鏟能力所決定的一次循環推進寬度同一組內的臺階個數之間的關系如公式（3.5）。（式3.5）式中：——電鏟能力所決定的一次循環推進寬度，米；——一組臺階內布置的電鏟臺數，取2臺；——采場內工作線長度，取1500米；——巖石體重，噸/米3；——電鏟效率，萬噸/臺年。其他符號意義同前。由西礦的具體條件（礦體傾角、年下降速度、接觸帶處的巖石、進行新水平準備以及剝巖工作線垂直礦體走向推進等）代入公式（3.4）和公式（3.5），繪出一次循環推進寬度同一組內的臺階個數之間關系曲線如圖3.6所示。圖3.6一組內臺階個數同一次循環推進寬的的關系曲線圖分析式（3.4）、式（3.5）和圖3.6可知，如果其他條件一定，則一組內的電鏟生產能力所決定的一次循環推進寬度同一組內的臺階個數呈雙曲線函數關系，臺階個數不斷增加，一次循環推進寬度迅速下降。礦山規模和工作幫坡角所決定的一次循環推進寬度同一組內的臺階個數之間的變化趨勢卻與它不同，雖然兩者都是隨的增加而減小，但前者下降速度遠遠大于后者，雖然后者開始時變化也較大，但隨著臺階個數的增加，最后其曲線逐漸趨于某一數值。由于兩者的變化的規律不同，當臺階數超過某一數值后，礦山規模和工作幫坡角所決定的一次循環推進寬度由原來小于而變為大于電鏟能力所決定的一次循環推進寬度，這說明，礦山規模和工作幫坡角所決定的一次循環推進寬度超過了電鏟生產能力所達到的一次循環推進寬度。如果按照這樣的工作幫坡角結構參數組織生產，并使礦石產量不變，就會造成采剝失調、剝離欠賬、最終將會造成所謂“采死”的危險局面。這樣的結構參數是決不允許的。如果想保證原來的礦石產量、繼續維持這樣的結構參數，就必須更換大型設備或增加一組內的電鏟臺數以提高一組內的電鏟能力，否則，必須減少一組內的臺階個數，這充分說明，一組內的電鏟生產能力是限制一組內的臺階個數的關鍵因素。設備生產能力限定了一組內臺階個數的最大數目，設備生產能力越大，一組內的臺階個數可以越多，亦越有利于工作幫坡角的提高。以上分析表明，一組內的臺階個數和一次循環推進寬度的確定除要滿足公式（3.4）和公式（3.5）外，還必須滿足公式（3.6）和公式（3.7）。米（式3.6）米（式3.7）式中符號意義同前。圖3.6清楚地反應了以上論點，圖中點劃線為電鏟能力決定的～曲線，實線為礦山規模和工作幫坡角所決定的～曲線，實線上方的所有點劃線所對應的、值都是滿足礦山規模且與電鏟能力相適應的參數，即這些參數均滿足式（3.4）、式（3.5）、式（3.7），圖中水平線是根據公式（3.7）繪制的。它表示不論一組內的臺階數為何值，一次循環推進寬度和臨時非工作平臺寬度之和的極小值都必須等于最小工作平盤寬度。即最小工作平盤寬度和臨時非工作平盤寬度所決定的一次循環推進寬度不受一組內臺階個數的影響，是一個衡定值。線以上的所有值都能保證采裝、運輸設備的正常作業，而線以下的值均不能滿足采裝、運輸設備的正常作業要求。因此，圖中所有既處于實線上方，同時又處于水平線之上的點劃線所對應的、值均能滿足公式（3.4）、式（3.5）、式（3.6）和式（3.7），都是合理的、可行的，而且在同一條點劃線上的許多可行參數中，距線最近的兩個可行參數是與電鏟能力相對應的所有參數中值最大、值最小的兩個可行參數，如果其他參數相同，則由此參數構成的工作幫坡角最大。如圖中3.6的、、、、各點即是這樣的點【13】。表3.1就是按照上述方法確定的和值電鏟能力參數300x2350x2500x2750x2N3456b135313544按照表3.1和圖3.6推出一次推進寬度b1，取b1為38m，與圖3.5推出的數據符合。后面研究的并段爆破分段采裝的一次推進寬度b1同樣取38m。組合臺階開采在一組臺階內輪流作業，穿爆、采裝、運輸作業都集中在一個或兩個相鄰的臺階上進行。一組臺階內，同時作業的電鏟臺數的多少，對采場布置、工藝配合的難易程度有較大影響。一組臺階內，布置一臺電鏟作業，工藝最為簡單。組合臺階開采中電鏟采掘方式有兩種：分條采掘和按工作平盤寬度一次采掘。電鏟在工作面上裝車方式延用礦山多年來采用的單側裝車方式。組合臺階開采時工作臺階少，穿爆、采裝、運輸作業集中在一個或二個相鄰的臺階上，為使各工序在開采工程中互不干擾，合理配合，應嚴格按著一定的時空關系作業，特別是鉆機和電鏟的相互位置和作業順序。電鏟采掘順序和相互位置的關系主要有以下幾種研究【1,14】。（1）兩臺電鏟在同一水平作業有四種情況：一是兩臺電鏟分別在工作平盤端部相背采掘；二是兩臺電鏟自坑線處向采場中部相向采掘；三是一臺電鏟自坑線處向采掘中部采掘，另一臺電鏟自另一坑線處向采場端部采掘；四是兩臺電鏟在同一采區尾隨作業。為保證采區至少有一條坑線系統正常通車，嚴禁兩臺電鏟同時移設坑線。下圖3.7為兩臺電鏟在同一水平尾隨作業。圖3.7兩臺電鏟尾隨作業示意圖組合臺階開采，電鏟可以按工作平盤寬度一次推進，如圖3.9a所示，電鏟從掘溝位置形成初始工作面Ⅰ，然后向Ⅱ區推進。當急需為鉆機準備穿孔區時，電鏟可分條采掘，如圖3.9b所示。電鏟從初始工作面位置Ⅰ沿第一采掘帶Ⅱ至端部Ⅲ再采掘Ⅳ區。當電鏟采掘Ⅳ區時鉆機可在Ⅲ區開始進行穿孔作業。ab圖3.8電鏟采掘方式示意圖a——按工作平盤寬度一次采掘b——分條采掘（2）三臺電鏟在同一水平作業三臺電鏟在同一水平作業是可行的。但工藝配合復雜些，電鏟調動較頻繁，因此較少采用此種作業方式。（3）兩臺電鏟在相鄰兩個水平作業由于雙坑線系統兩條坑線不能同時破壞，必須是一條坑線形成并能與原坑線系統相通后，才能挖掘另一條坑線，如圖3.9所示。圖3.9電鏟在兩個相鄰臺階作業示意圖組合臺階開采臨時非工作平盤轉為工作平盤時，爆破后平盤全部被碴堆覆蓋。電鏟進入水平采掘時，必須首先形成一個小的作業場地即初始工作面后,才能正常作業。另外,初始工作面必須與運輸坑線相通,保證汽車運輸通路【13】。初始工作面準備，指在新的工作臺階作業前，用來溝通本臺階與組合臺階運輸系統并形成鏟裝作業需要的一定的空間尺寸所做的工程。初始工作面準備是組合臺階開采特有的工藝環節。開采過程中隨著工作臺階下移首先要進行初始工作面準備，建立新的初始采掘工作面并溝通通往初始采掘工作面的運輸道路。初始工作面形成的方式有以下種。1、分條穿爆采掘工藝的初始工作面準備方法采用分條穿爆采掘工藝時，利用坑線間的連接平臺作初始采掘工作面如圖3.10。首先在第一采掘帶原坑線連接平臺處作初始采掘面進行采掘，當第二采掘帶采掘到新坑線預定移設位置處，再自上而下掘進新坑線，新坑線建成并形成新的運輸通路后，原坑線便廢除。圖3.10分條穿爆采掘初始工作面準備方法示意圖2、分區穿爆采掘工藝的初始工作面準備方法（1）全斷面一次爆破初始工作面準備方法全斷面一次爆破初始工作面準備方法是指按一次循環推進寬度一次爆破后進行初始工作面準備。穿爆后電鏟在新坑線處自上而下掘進新坑線，新坑線掘完后即掘橫段溝，段溝長度等于爆堆寬度。待掘完段溝形成新的運輸系統和初始采掘工作面后，初始工作面準備便告完成，如圖3.11所示。在初始工作面準備期間仍需利用原坑線系統進行運輸，因此，爆破后要及時清理原坑線路面。圖3.11全斷面一次爆破初始工作面準備方法示意圖（2）掏溝爆破初始工作面準備方法采用此種方法的優點是爆破不影響本臺階原坑線的運輸，其方法是在新坑線預訂的移設位置處采用掏溝爆破，然后掘新坑線和橫段溝，初始工作面準備完后，原坑線就可廢除，這時鄰近原坑線未穿爆巖體即可進行穿孔爆破作業見圖3.12。此種方法適用于一次循環推進寬度較大的場合。圖3.12掘溝爆破初始工作面準備方法示意圖此外，當組合臺階開采到臨近最終邊坡的最后一個推進循環，且該水平最終邊坡上無運輸坑線時，就不能采用分區穿爆采掘工藝的初始工藝工作面準備方法，而需采用分條穿爆采掘的方法，利用原坑線的連接平臺作初始工作面，無需掘進新坑線。在采用分區穿爆采掘開采工藝過程中，有時為創造提前加鏟條件，在正常初始工作面準備還未開始或還未結束之前，可利用原坑線連接平臺作為加鏟初始采掘工作面。（3）坑線調整時的初始工作面準備方法前述的初始工作面準備方法是在正常情況下，坑線系統隨著擴幫推進平行移設時的初始工作面準備方法。開采過程中有時需要調整或改變坑線系統位置和形式，為了保證初始工作面準備期間坑線運輸系統的暢通，需要相應地改變初始工作面準備方法。1)坑線向左向右移設時的初始工作面準備方法新坑線相對于原坑線不是平行移設,而是向左或向右移設時，如仍采用正常的初始工作面準備方法，就不能保證初始工作面準備期間坑線系統的暢通，必須采用與其相適應的方法（見圖3.13）。圖3.13坑線左右移位初始工作面準備方法示意圖（I左移II右移）2）坑線反方向移設時的初始工作面準備方法當坑線需要向相反方向移設時，用正常的初始工作面準備方法，新坑線平行移位或向左、向右移位均不能解決初始工作面準備期間坑線運輸不暢的問題，只有采用如圖3.14所示的方法才能解決。圖3.14坑線反向移位初始工作面準備方法示意圖（I坑線平行移設；II坑線左移；III坑線右移）上述坑線調整時的初始工作面準備方法比正常坑線平行移設時的初始工作面準備方法要復雜些，準備時間略長些。因此，在開采過程中應盡可能地避免調整坑線系統。在工作幫上只有一組臺階或有多組臺階且組與組之間又有運輸聯絡平臺的雙坑線系統條件下，坑線調整時可不必采取上述的初始工作面準備方法，仍可采用正常的初始工作面準備方法。但是，工作臺階上的兩條坑線不能同時移設，必須待一條坑線移設完后再移設另一條坑線。這樣，當上一組臺階有坑線移設時，下組臺階的巖石可通過移運輸聯絡平臺經上組另一條坑線系統運往排土場（參見圖3.15）。圖中水平均為假想水平。圖3.15爆破下拋量最大時的組合臺階開采運輸系統示意圖組合臺階開采作業的特點是一組臺階內，自上而下逐臺階進行采掘，因此產生了自身特定的開采方式。組合臺階開采的穿爆、采裝、運輸工藝配合的核心問題是開采過程中巖石運輸系統、輔助設備的通路始終保持暢通。解決這一問題的方式不同，其開采工藝的方法也不盡相同。1、開采方法如果臨時非工作平臺不作為輔助運輸道路，可總結以下二種工藝方法：分條穿爆分條采裝工藝和分區穿爆分區采裝工藝。（1）分條穿爆分條采裝工藝分條穿爆分條采裝工藝是將工作臺階一次循環推進寬度，分兩個縱向穿爆采裝作業帶，鉆機在臺階的上部平盤作業，電鏟在臺階的下部平盤采裝、作業過程見圖3.16。鉆機在臺階坑線處以前進方式穿爆第一作業帶至端部后再以后退方式穿爆第二作業帶。電鏟在連接平臺處，挖掘初始工作面，并在第一作業帶采裝。當電鏟在第二作業帶采掘到新坑線位置時，挖掘新坑線，待新坑線形成后，原坑線廢除。此種方法適用于較大的工作平臺寬度。圖3.16分條穿爆分條采掘工藝配合示意圖（2）分區穿爆分區采裝工藝分區穿爆采掘工藝就是在工作臺階上沿臺階縱向、以本臺階坑線為界將一次循環推進寬度劃分成穿爆、采掘兩個作業區，穿爆與采掘分區集中作業（見圖3.17）。為保證穿爆作業水平與坑線系統有聯絡通路，穿爆作業必須自端部開始向坑線處按一次循環推進寬度進行穿爆，一個作業區的穿爆工作結束后，即可在該區進行采掘作業，與此同時，穿爆作業轉移到另一個區。采掘作業首先進行初始工作面準備，盡快溝通上、下水平的運輸通路，然后進行正常采掘作業。待該區的采掘工作結束后，電鏟或液壓鏟可以立即轉移到另一個區進行采掘。組合臺階內臺階的穿爆、采掘工作均按此作業程序進行。當一次循環推進小于50米到60米時，不宜采用分條穿爆采掘工藝方法，可采用分區穿爆采掘工藝方法，但工作平臺寬度也不應小于規定的最小工作平臺寬度【15】。圖3.17分區穿爆采掘工藝配合該工藝是以臺階坑線為界，將一次循環推進寬度在縱向劃分成穿爆采掘兩個作業區，作業過程見圖3.17。本課題以x（集團）公司白云鄂博鐵礦西礦采礦工程(1500萬t/a規模)初步設計為依據，在滿足年產礦石1500萬t（其中東采場600萬t/a，西采場900萬t/a，生產剝采比最大為6.5t/t,平均剝采比4.24t/t，組合臺階時工作幫坡角為22.660，最小工作平盤寬度為50m）基礎上進行的【12】。本課題采用陡幫開采的一種方式，即并段爆破分段采裝開采方式，確定其生產剝采比時，利用平均剝采比乘以一個經驗系數，=1.1～1.3【7】。本設計取=1.3，所以并段開采時的剝采比為：（式3.8）參照原設計數據，工作臺階坡面角750，安全平臺寬度為16m。并段爆破分段采裝采用2個12米臺階合并為一個并段的24米高臺階，最小工作平臺寬度也為50米。圖3.18兩個臺階并段開采示意圖根據白云西礦現場實踐，可知12m臺階爆破時旁沖寬度為15m左右，現并段臺階高度為24m，爆破時旁沖寬度按12m臺階的2倍計算，則并段時安全平臺寬度設計為原來的2倍，即并段時安全平臺寬度為32m。按照一次推進寬度和安全平臺寬度及臺階高度，計算2個臺階并段時工作幫坡角22.60，工作平盤寬度為70m。圖3.19兩個臺階并段工作幫坡角示意圖按照現有的采掘進度計劃和年生產礦石要求，確定采用并段爆破分段采裝的采掘進度計劃。編制第一年到第五年的采掘進度計劃，以第三年年末線為基準進行繪制（本課題編制的第一年相當于原設計的第四年）。并段爆破分段采裝開采結構參數的確定主要取決于礦體賦存條件、礦山規模、設備裝備水平（或設備生產能力）、新水平開溝位置、采剝推進方向、采剝延深方向等因素。由于涉及的因素較多，且各參數之間的相互聯系、相互制約關系十分密切，因此合理確定參數是一項十分慎重和重要的工作。1、并段爆破結構參數確定的原則由于臺階各參數之間相互聯系相互制約關系十分密切，為合理確定各參數，應遵循如下原則【13】：（1）滿足礦山生產規模或礦山工程延深速度的要求；（2）同礦山設備性能和設備效率相適應；（3）工藝技術簡單，便于礦山生產實施；（4）適合礦體賦存條件和礦山開采技術條件；（5）對生產礦山盡量不要做太大的改變；（6）盡可能有利于提高工作幫坡角（7）確保生產設備和作業人員的安全。2、并段爆破結構參數確定的步驟根據以上原則和各參數同工作幫坡角的變化規律、各參數之間相互聯系制約的關系、各參數同生產工藝、設備作業效率和作業成本的變化規律以及各參數變化的可能范圍條件，結構參數的確定步驟如圖3.20所示。圖3.20參數確定步驟框圖與組合臺階開采相似，并段爆破分段采裝（或分層）采裝工藝參數包括：臺階坡面角、臺階高度、臨時非工作臺階寬度、一次推進寬度、并段臺階個數、工作幫坡角。圖3.21并段開采示意圖【13,16】（式3.9）式中——工作幫坡角，度；——并段臺階個數，2個；——臺階高度，24米；——一次循環推進寬度，38米；——臨時非工作平臺寬度，32米；——臺階坡面角，75度。將以上數據代入公式計算并段時的工作幫坡角經過計算，工作幫坡角為22.6o,符合上圖中推斷的。1）臺階坡面角如前所述，臺階坡面角的變化對工作幫坡角值影響不大。況且，一個礦山的巖性和爆破方法一定，其值變化范圍很小。本課題中臺階坡面角取值為75°。研究表明臺階高度是影響工作幫坡角較為敏感的因素之一，臺階高度每提高1m，工作幫坡角可提高10左右。臺階高度在12m～20m間兩者近似于線性關系，影響工作幫坡角變化幅度較大，因此用提高臺階高度來加大工作幫坡角是一種很有效的措施，只要條件允許，應盡量提高臺階高度【17】。合理的臺階高度，一方面要能有效地提高工作幫坡角，另一方面要與礦山的地質條件和設備性能以及技術水平相適應，更重要的是確保工作人員和設備的作業安全和生產的順利進行【18】。本課題中采用兩個臺階一并段，所以臺階高度取24米。2）臨時非工作平臺寬度（）臨時非工作平臺是指在露天礦的生產過程中的某一段時間內暫時處于非工作狀態的工作平臺。設置非工作平臺是陡幫開采的主要標志之一，是陡幫開采范疇內的一個特定概念。臨時非工作平臺寬度與工作幫坡角存在著遞減函數關系，從提高工作幫坡角的意義上講，值越小越有利。該值的確定應依據其平臺是否做運輸通道和爆破旁沖距離的大小來決定。如果臨時非工作平臺做運輸輔助道路，即在該平臺上提供鉆機、裝藥車、檢修車等設備的通道。其寬度只要能滿足這些設備的正常通行即可。如果臨時非工作平臺不做輔助運輸通道，其寬度取決于爆堆旁沖距離。由于臨時非工作平臺在生產過程中的某一段時間處于臨時非工作狀態，從而減少了采場內同時工作的臺階數目；又由于其寬度可以大大小于工作平臺寬度，因此也減少采場內未到界平臺的平均寬度，使工作幫坡角得到了提高。公式（3.9）表明，臨時非工作平臺寬度同工作幫坡角呈遞減函數關系，即工作幫坡角隨著臨時非工作平臺寬度的減小而提高。并且隨著臨時非工作平臺寬度的逐漸減小，工作幫坡角提高的速度越來越快。隨著并段臺階個數的增加，這種趨勢更加明顯。因此，盡可能地減小臨時非工作平臺寬度，可以有效地提高工作幫坡角，從這點出發，臨時非工作平臺寬度越小越好。其極限值可以等于零或等于采場最終邊坡的安全平臺寬度。但是，當臨時非工作平臺寬度太小時，由于爆破過程中不可避免的爆破旁沖，使部分巖石滾落到下組工作臺階，影響下組工作臺階的正常作業和生產安全；同時，如果臨時非工作平臺寬度太小，下拋巖量較大，就會堵塞運輸坑線，影響運輸作業正常進行。所以，臨時非工作平臺必須保證留有一定的寬度，把爆破下拋的巖石截留住。另外，如果臨時非工作平臺需要留有輔助運輸通路時，其寬度除要保證將上部臺階爆破時的下拋巖量全部截留住外，還要留有保證鉆機、裝藥車、檢修車等設備通行的線路寬度。因此，在陡幫開采過程中，尤其是當并段的臺階數較多時，臨時非工作平臺寬度不能太小，必須保證一定的寬度。研究表明，臨時非工作平臺寬度的確定，必須根據爆破旁沖距離的大小和臨時非工作平臺是否作為輔助運輸路等因素綜合考慮決定【19】。為此，首先確定臨時非工作平臺寬度同爆破下拋量和接碴量的關系，然后，在保證生產正常進行的條件下，再根據其他因素綜合考慮決定。臨時非工作平臺寬度小于爆破旁沖距離時，部分巖石拋落到下部臺階，其下拋量可按公式（3.10）計算（參見圖3.22）圖3.22爆破下拋量示意圖噸/米（式3.10）式中——爆破下拋量，噸/米；——爆破旁沖距離，米；——巖石自然安息角，度；——爆堆坡面角，度；——巖石體重，噸/米3；——巖石松散系數。其他符號意義同前。臨時非工作平臺寬度與工作幫坡角存在著遞減函數關系，從提高工作幫坡角的意義上講，值越小越有利。該值的確定應依據其平臺是否作運輸通道和爆破旁沖距離的大小來決定。如果臨時非工作平臺作輔助道路，即在該平臺上提供鉆機裝藥車檢修車等設備的通道。其寬度只要能滿足這些設備的正常通行即可。根據設備的技術性能臺階平整程度。研究發現，如果本臺階爆破的下拋量，在下一個臺階如不能全部截留，那么在下一個臺階爆破時，其下拋量越滾越大，影響下一組臺階的推進。這就要求有清碴設備，隨時處理。因此，在研究值時，是按照本臺階爆破的下拋量，在下一個水平基本能截住來確定的。研究表明：當爆堆旁沖距離為16米、臺階坡面角為750、巖石自然安息角為350、巖石體重為3.16t／m3、松散系數為1.6、爆堆坡面角為250。將以上數據代入公式3.10后，繪制并段開采條件下的臨時非工作平臺寬度同爆破下拋量的關系曲線如圖3.23所示，圖3.23臨時非工作平臺寬度同爆破下拋量的關系曲線圖圖3.23清楚地表明，當臨時非公作平臺寬度為零時，爆破下拋量最大，隨著臨時非工作平臺寬度的增加，爆破下拋量急劇減少，當臨時非工作平臺寬度大于32米后，下拋量隨臨時非工作平臺寬度增加而減少的幅度越來越小，臨時非工作平臺寬度等于或大于爆破旁沖距離時，爆破下拋量為零。爆破過程中所拋落的巖石全部落在爆破水平以下的臨時非工作平臺和（或）移動坑線上。每一個臨時非工作平臺所容許的最大接碴量可按公式3.11計算。噸/米（式3.11）式中——臨時非工作平臺容許的最大接碴量，噸/米。其他符號意義同前。將并段開采的相關數據代入式3.11后繪制出臨時非工作平臺寬度同接碴量之間的關系曲線如圖3.24所示圖3.24臨時非工作平臺寬度同接碴量的關系曲線圖臨時非工作平臺的接碴量同臨時非工作平臺寬度成遞增函數關系，臨時非工作平臺寬度越大所能容納的碴量越多。令（式3.12）將數據代入公式（3.12）得：=16米。同樣，利用圖解法在同一坐標總分別繪出并段條件下的和曲線，如圖3.25所示。圖3.25臨時非工作平臺寬度的圖解法示意圖參考設計規范和西礦現場實際情況，下拋量為零時確定臨時非工作平臺寬度，則臨時非工作平臺取32～34米。3）工作平臺寬度的確定工作平臺寬度必須等于或大于最小工作平臺寬度。根據組合臺階開采的特點和最小工作平臺寬度的要求，臨時非工作平臺寬度和一次推進寬度確定之后，工作平臺寬度也就確定了。根據以上分析，工作平臺寬度為50～70米為宜。1、控制爆堆寬度的意義在露天臺階深孔爆破中，獲得緊湊有限的爆堆是保證穿鑿裝運設備安全，提高其經濟效益的重要環節。尤其是對實施陡幫開采的礦山更具有特殊的重要意義。因為陡幫開采的工藝要求提高工作幫坡角，而臨時非工作平臺的寬度較窄。正因為這一點，爆堆伸出距離與設備效率和運輸成本的關系就更加密切。如果爆堆前伸大，不僅拋量多，反向運輸功大，運輸效率低，還將影響到本臺階和下部臺階的正常作業，如爆破埋坑線等。為此，要求爆破在滿足破碎度的同時，還必須更加有效的控制爆堆寬度，以適應陡幫開采的需要。爆堆旁沖寬度大小對設備效率、輔助工程量有一定影響。一個理想的爆堆形狀，無疑是可以提高裝運設備效率的。在鐵路運輸的礦山已研究不拆道爆破技術，以減少線路移設工程量和提高電鏟效率。對于汽車運輸的礦山采用陡幫開采時，其爆堆旁沖寬度對選取臨時非工作平臺寬度、爆破埋運輸坑線量和爆破后巖石下拋到下部幾個臺階而產生的反向運輸等，有較大影響。因此，該值的大小，具有很大的經濟意義【20】。2、控制爆堆寬度的綜合技術措施控制上盤剝巖臺階的爆堆寬度應采取以下措施。（一）調整穿爆參數（1）底盤抵抗線（w）底盤抵抗線是指從臺階坡底線到第一排孔中心軸線的水平距離【7】。它是一個重要的爆破參數，過大的底盤抵抗線會造成根底多、大塊率高、后沖作用大；過小則不僅浪費炸藥、增大鉆孔工作量，而且易產生飛石危害。底盤抵抗線的大小同炸藥威力、巖石可爆性、巖石破碎塊度要求以及鉆孔直徑、臺階高度和坡面角等因素有關。底盤抵抗線是影響臺階爆破效果的關鍵參數。應充分利用上盤臺階坡面與巖層相反對穿爆有利的條件，設計減少底盤抵抗線。同時電鏟按設計的臺階參數挖掘到位。（2）孔間距（a）孔間距是一個很重要的參數，因為它控制了炮孔間的相互作用效應。在減少底盤抵抗線的同時，按比例增大前排孔距。（3）布孔方式采用三角形布孔（4）鉆孔超深炮孔超深的作用，主要是降低裝藥重心位置，克服臺階底部阻力。（5）填塞長度合理的填塞長度是改善爆破效果的重要參數。（二）控制炮孔裝藥量藥量計算以體積公式為基礎。清碴爆破時，前排孔藥量按規定的炸藥單耗用體積公式計算，后排孔藥量采用藥量增加系數一般增加15～20％，最后排裝藥量不增加。留碴爆破時，后排孔藥量和清碴爆破相同，前排孔藥量，根據留碴厚度和底盤抵抗線不同，藥量增加系數為10～20％。（三）裝藥調整及控制裝藥高度當前排孔按計算量裝藥，裝藥高度超過規定值時，可在炮孔下部放一定量密度較大的炸藥，降低裝藥高度，為補充前排孔上部破碎也可將前排孔多出的部分藥量加到第二排孔，視巖性不同而定。為保證最后一排孔爆破后坡面平整，最后一排孔的排距可適當縮小，炮孔底部視巖性不同可裝一定量密度較大的炸藥，有利于加強底部破碎和減少爆破后沖。（四）選擇合理的微差間隔時間合理的微差間隔時間可以改善破碎質量，降低地震效應。（五）采用留碴爆破留碴爆破能改善破碎質量，控制爆堆寬度效果顯著。（六）加強穿爆技術管理應根據現場具體條件進行爆破設計施工，爆區由測量放線按要求孔位穿孔。裝藥時逐孔對裝藥情況進行檢查核實，控制好前排孔的裝藥高度。加強爆破后分析，不斷總結經驗改進工作，提高爆破效果。總之，爆堆寬度的控制，應根據現場的具體情況進行控制和調整。12米爆破時現場測定旁沖為15m左右，則24m爆破時，暫定爆堆旁沖寬度為30m。與組合臺階開采相比較，并段爆破分段采裝的電鏟作業方式同組合臺階開采方式基本一致，這里介紹以下兩種。兩臺電鏟在同一水平作業圖3.26兩臺電鏟尾隨作業示意圖（2）兩臺電鏟在相鄰兩個水平作業圖3.27兩臺電鏟在相鄰兩個水平作業示意圖電鏟在進行并段的第二個水平采掘時既可以縱采也可以橫采，即第二個水平采掘可按陡幫開采方式進行采掘，也可按緩幫開采的方式進行采掘。并段開采時的初始工作面的準備方法考慮分區穿爆采掘工藝的采掘方法。如圖3.28所示。圖3.28兩臺電鏟在相鄰兩個水平作業示意圖并段爆破分段采裝開采與組合臺階開采相比，采裝及運輸變化不大，變化的只是并段爆破時，兩個臺階合并一起爆破，提高了鉆機的效率。運輸時，兩個臺階間的連接通路合并為一個。其工藝配合規律如圖3.29所示。圖3.29并段爆破分段采裝示意圖1.鉆機調動陡幫開采鉆機同電鏟能力相匹配時，鉆機在陡幫開采條件下年調動次數隨一次推進寬度增加而減少。工藝配合得當，鉆機在同以水平內無水平調動。如果鉆機效率高，電鏟效率低，造成鉆機過剩，調動次數增加。如Ⅰ臺階穿爆完成后，鉆機調到其他水平工作一個多月又回到Ⅰ臺階鉆孔，這就增加了鉆機上下調動次數。同時由于鉆機效率過高，有時一個臺階只需要一臺鉆機和兩臺電鏟匹配，所以也增加了鉆機水平調動次數。但是由于陡幫開采的順序性，其調動次數并不比緩幫開采多。2.電鏟調動陡幫開采電鏟調動與采掘工藝關系極為密切。資料表明：如果一組臺階內配置的鉆機、電鏟的生產能力與該組臺階一次循環推進量相匹配，則設備調動就少【21】。基本上是完成一組臺階推進循環后，下一個循環開始時，才出現設備調動的問題。實際上，這種機會極少。陡幫開采時只有一次推進完成后，電鏟才有多臺階的垂直向上調動，在推進過程中調動次數較少，所以陡幫開采電鏟調動次數比緩幫開采少。陡幫開采是采礦工藝的改革，隨之而來的應有相應的生產、計劃管理與其適應。（1）計劃管理陡幫開采的計劃管理同緩幫開采一樣，都必須依據國家和企業主管部門的要求，編制長遠規劃（五年或十年規劃）；根據長遠規劃編制年計劃；由年計劃編制季計劃和月計劃。從而保證年計劃和長遠規劃的落實。但陡幫開采和緩幫開采又都有各自的特點。陡幫與緩幫開采不同點是，陡幫開采必須按規定的開采參數（一組臺階數、工作平盤寬度、臨時非工作平盤寬度、推進寬度、運輸坑線位置等）和開采工藝方法編制計劃。因此，計劃編制約束條件較多，計劃執行與管理較嚴格，計劃的滾動性較強。（2）生產管理陡幫開采，由于穿爆、采掘、運輸和修養路以及供電等工序都集中在陡幫開采臺階內的一個或二個臺階上，作業集中，便于集中管理，給生產管理帶來一定的方便條件。同時也給生產管理提出了一些新的要求，分述如下：=1\*GB3①嚴格按坑線位置施工。坑線移設時，必須按設計的坑線位置施工，否則將直接影響汽車運輸和工作幫坡角。如果有一條坑線縱向位置與設計不符，出現串動時，就會牽動整個坑線系統位置,甚至會造成下一個臺階的坑線因受工作線長度限制而改變方向。這不僅有可能增加運距，同時由于在同一橫剖面上坑線條數增加，而降低工作幫坡角。如果坑線發生橫向串動或者坑線過寬，同樣會導致工作幫坡角變緩。在這種情況下，有可能導致水平推進速度滿足不了采場年下降速度的要求而影響采場延深，所以一定要嚴格按設計的位置和寬度挖掘坑線。=2\*GB3②嚴格按推進寬度作業。在生產中，穿爆、采掘一定要按計劃到位，否則會使臨時非工作平盤寬度過窄或過寬。如果過窄，爆破下拋量或埋道量將要增大而影響運輸；過寬時，推進寬度不足，不僅工作幫坡角變緩，而且也會影響采場延深。=3\*GB3③設備能力匹配。陡幫開采，如果鉆機和電鏟的生產能力匹配得當，效率高而又波動不大時，其工藝配合簡單，設備調動次數少，便于生產管理。否則將會給生產管理帶來一定的難度。=4\*GB3④重點部位集中作業。端部采區一般為重點部位，鉆機和電鏟在該部位為相向作業，為縮短作業時間，可采取分條采掘、雙鏟尾隨作業等辦法加速采掘，盡快給鉆機準備穿孔作業面。鉆機采用集中作業、分條作業，盡快給電鏟創造提前采掘條件，以此保證組合臺階開采的正常時空關系，保證礦山正常生產。=5\*GB3⑤坑線堵塞及時處理。陡幫開采有爆破埋坑線的問題，爆破后應及時清除坑線堵塞，保證運輸作業正常。埋道量少時，可用推土機或前裝機清理路面，少則十幾分鐘，多則2-3個小時就可使坑線恢復正常通車。埋道量大時，必須用電鏟倒推清理路面或用電鏟裝車方式清理路面。=6\*GB3⑥加強安全管理。陡幫開采存在著汽車作業的安全問題。當電鏟在臺階邊緣處采掘時，為了汽車在折返調車時的安全，沿工作臺階邊緣一定要設置汽車安全擋堆，安全擋堆是電鏟采掘時預留出來的，用推土機修整一下即成，不需要專門堆砌。總之，陡幫開采的計劃與生產管理程序、管理方法與緩幫基本相同。從管理水平上講，陡幫開采管理不是復雜化了，而是嚴格化了。事實上，無論陡緩幫開采，從執行計劃的嚴肅性來講，都應該是嚴格的。工作幫坡角是露天開采的一個重要參數，它取決于工作幫結構，尤其是在陡工作幫開采條件下，以何種結構參數及其工作幫坡角進行采剝,才能適應礦山開采技術條件、裝備水平、管理水平和開采強度的要求并力求經濟效果最好。這是“工作幫坡角優化”所要解決的核心問題。生產中的工作幫坡角因時因地而不同，無時不在變動，這是不同時期的采剝狀態造成的。因此，從時間觀念觀察工作幫坡角將永遠是變動的。然而對于某一組確定的工作幫坡角結構參數而言又必有其相應的工作幫坡角，這是結構所確定的采剝規律。無論時間如何推移，只要結構參數不變，就必須按結構限定的工作幫坡角發展。本課題研究正是立足于這一觀點，去探索工作幫結構及其幫坡角內在規律【22】。為了尋求開采全過程中經濟合理的結構參數與工作幫坡角、工作幫結構與工作幫坡角的內在規律，為編制工程實施計劃提供依據，需要包括以下五個方面的內容：1）礦床模型的建立；2）陡幫開采全過程模擬；3）作業費用模型；4）剝巖量的調整與優化分配；5）工作幫坡角優化分析。其過程如圖4.1所示。本課題由于人員和相關條件的限制，這方面的工作開展存在一定的困難，這里只敘述工作幫坡角優化的原理。圖4.1工作幫坡角優化分析邏輯圖這個需要根據西礦礦床的特點和模擬開采的需要，建立西礦的分層條帶礦床模型。大致做法是沿礦體走向間隔50米作若干假想面，各剖面與境界內礦石和巖石的相交點，作為礦床模型的數據點，按各水平形成矩陣作為礦床模型的數據文件存入計算機。進而形成西礦的礦床模型。題由于人員和相關條件的限制，這方面的工作開展存在一定的困難，暫不敘述。在研究陡幫開采時，對構成工作幫坡角的、、、、等五個參數中，視和為定值。所以在研究工作幫坡角和工作幫結構時，只研究、、三個參數的變化。三個變化參數取一定范圍內的合適值，由此范圍組成多個工作幫坡角和工作幫坡結構的方案，按采掘設備所能實現的推進強度和采掘作業條件這兩個方面進行可行性檢驗。由于陡幫開采改變了以往緩幫寬平臺開采的概念，采用陡幫開采的作業方式，提高了工作幫坡角，推遲了剝離洪峰，可以達到較好的經濟效益。但是，提高了工作幫坡角，由于工作平臺的縮小或一組臺階個數的增加，使作業條件變差，采裝運設備的效率及生產費用有所變化。因此，工作幫坡角的大小和剝巖成本兩者之間存在著相互制約的關系，這樣就必須進行技術上和經濟上的比較，確定最佳的工作幫坡角以及選擇合理的工作幫結構參數。設備效率和作業費用隨著臺階結構參數的變化而變化。推進寬度的寬窄，一組臺階個數的多少，影響設備調動的次數，引起設備效率和作業模型的變化；非工作平臺寬度的寬窄和一組臺階個數的多少，影響爆破下拋量，引起運輸費用的變化。1)陡幫開采與延深、推進的關系陡幫開采的推進并非一定是一年推進一個循環或下降一個水平。推進速度與工作幫結構參數密切相關。在開采過程中，必須用相應的水平推進速度來保證礦山工程的延深速度。陡幫開采推進速度與延深速度的關系仍可用下式表示：（式4.1）其中：（式4.2）（式4.3）式中：——水平推進速度，米；