綠色礦山建設背景下的露天礦山開采工藝研究

孫浩

摘要：為提高露天礦山開采中邊坡坡面穩定性，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。結合具體的工程實例，通過合理選擇巖石力學參數、計算方法和Slide軟件進行穩定性分析，證明新的開采工藝可有效提高下邊坡坡面穩定性。

關鍵詞：綠色礦山；剝離內排；控制爆破；覆土復綠；采掘帶寬度

0? ?引言

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

在礦山露天開采時，傳統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境的協調，此種開采方式往往會導致礦山裸露的面積過大，在開采結束時也無法使植被恢復。

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

1? ?露天礦山合理采掘帶寬度確定

1.1? ?電鏟1h生產能力

針對露天礦山開采，首先結合電鏟每小時生產能力，確定合理的采掘帶寬度。電鏟每小時生產能力，是指在確定礦井條件下，連續作業的電鏟1h的生產能力[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。Ks代表松散系數。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聯。決定電鏟能力的參數主要包括滿斗系數和電鏟的循環時間。

1.2? ?每行走一次挖掘實方量

在電鏟作業時，為確保作業安全，將安全距離設置為2m，則電鏟中心距離內側坡底線不得小于12m，且不得超過15m。電鏟中心與外側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。根據上述計算，明確電鏟在作業時應當緊靠工作面內側坡底線，可將回轉角度控制到最小[5]。

考慮到電鏟尾部回轉半徑，要求電鏟中心線距離工作面內側坡底線的最小距離為12m。電鏟中心線距離臺階外側底線距離，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，則電鏟的小時產量大約為爆炸時的65%。為了提升半連續采煤技術的體系性能，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，在單一臺階上作業的全移動破碎站半連續工藝，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移，為此它的工作效率比較高[6]。在對轉載設備選擇時，宜選用連接橋方式，這種方式造價更低，且適用于單階作業。

3? ?剝離內排與控制爆破

對存在多采區的礦井，在替代采區進行回采時，可以將被剝落的廢石排放到閉合坑采區。對于大面積的采場，可以采取分區采礦的方式，將已被開采的礦渣排到已經完成區，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用地的占用，減輕礦區用地的負荷。

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穩定，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，并設置相應的養護設施。針對已經完成開采的區域，或在短時間內不會再進行開采的區域，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?？稍诓蓤銎脚_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，根據工程方的設計標準，明確此礦山的生產規模為300萬t/a。該礦山工程的露天采礦作業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，每個班的作用時長為8h。

根據工程項目的現場勘查，明確礦山開采時臺階高度為15m，作業中臺階的安全寬度為4m。在此基礎上，對露天礦所在地的基本情況進行分析。發現此礦區海拔高度為1650m，屬于雨林氣候，幾乎每日下雨，上面是采區，下面是排土場。礦山工程地質情況如圖3所示。

該地區的地層非常完整，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，產狀相對平緩。該區構造較為簡單，沒有明顯的褶皺和斷層。

該礦體產于中生代張夏組巖層，由下至上分別為水泥灰巖礦、黑色冶金白云灰巖礦和建筑石材礦。其中，水泥灰巖礦從北到南，暴露在外的寬度約為72～462m，其中，粉煤灰巖暴露在外的寬度約為327～675m。在縱向分布上，水泥灰巖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，只在礦區中、北部局部出露，厚度約為0～12m，礦區邊界清楚，分布平穩，具有良好的穩定性。

5.2? 巖石力學參數選擇與計算方法設計

根據礦區相關資料，結合現場勘查記錄，進行礦山巖石力學參數的選擇。巖石力學參數選擇如表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定性進行計算與分析。此款軟件集成了多種邊坡安全系數計算方法，可以對各類土質和巖質邊坡、擋土墻結構安全性、整體穩定性等進行分析，實現對礦山開挖中邊坡穩定性的高精度計算。

5.3? Slide軟件計算步驟與穩定性分析

使用Slide軟件，對露天礦開挖過程中的穩定性進行分析，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構，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。

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

經過分析后發現，通過對工程的模擬開挖，使得邊坡剖面穩定性系數大于設計的邊坡穩定性系數，說明在開挖過程中，邊坡剖面未發生失穩現象。

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

6? ?結束語

傳統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、整體經濟效益較低等問題，同時會對周圍的生態環境造成較大破壞。為落實此項工作，國家和地方政府也發布了大量的政策文件，大力支持綠色礦山的建設。鑒于礦業政策的日趨嚴格，很多企業都面臨著周圍環境和土地占用等問題.

本文以綠色礦山建設的要求為依據，將國家關于礦山的有關政策和礦山生產的實際情況相結合，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化。為深化此項工作，本文結合現有研究成果，對此方面工作的規范化實施展開了進一步的研究，明確了優化礦山開采工作的重要意義。

參考文獻

[1] 馬寧，汪昌亮，丁鵬.基于NPV Scheduler軟件的露天轉

地下礦山開采境界研究[J].中國礦山工程，2023，52（2）：21-25.

[2] 許文洪.測繪新技術在露天開采金屬礦山測量中的應用與

分析[J]. 云南冶金，2023，52（1）：21-24.

[3] 王冠華，孫焱焱，王明明，等.礦山露天開采中采場邊坡穩

定性研究：以欒川縣南泥湖露天鉬礦為例[J]. 能源與環保，

2023，45（2）：72-78.

[4] 趙彬，謝東偉.基于Datamine軟件的某露天礦山開采境

界優化應用[J].現代礦業，2022，38（9）：66-70.

[5] 袁昕，周華.北京房山露天開采廢棄大理石礦山地質環境治

理與生態修復工程評價[J].城市地質，2022，17（3）：340-345.

[6] 王鵬舉，郭永福.貴州省某露天開采鐵鋁礦山地質環境問題

與恢復治理措施探討[J].山西冶金，2022，45（5）：120-122.

[7] 高山，孫冉. RTK+CASS技術在露天開采礦山修復治理中

的應用：以曹村鎮大溝西村廢棄石料廠為例[J].科技與創

新，2022（16）：168-169+172.

[8] 趙星平，紀華，常玲玲.高海拔地區礦山開采形成的露天邊

坡綠化技術研究：以甘南加甘灘金礦為例[J].世界有色金屬，

2022（9）：46-48.