露天采礦課程設計說明

1、某石灰石礦露天開采課程設計11101 .設計目的及要求1.1設計目的1.2設計要求1.3設計范圍2.設計內容2.1露天開采境界設計2.1.1礦區(qū)概況 2.1.2礦床及礦石特征 2.1.3水文地質 2.1.4開拓方式選擇 2.1.5境界圈定2.2公路設計2.2.1定線 2.2.2平面要素 2.2.3縱斷面要素3.小結設計目的及要求1.1設計目的通過課程設計進一步消化和鞏固所學過的露天礦開采設計知識，并使所學的 知識系統(tǒng)化。培養(yǎng)和訓練運用所學理論知識進行露天礦境界圈定和公路設計的初 步能力、綜合分析問題和解決工程實際問題的能力、繪圖能力以及正確使用設計 手冊和相關資料的能力。通過設計，了解露天采礦

2、和公路工程設計的內容、方法 及步驟，初步掌握露天礦境界圈定和公路工程設計方法、計算方法；繪制工程圖、 編寫設計說明書。1.2設計要求1）按照經濟合理的剝采比、礦巖性質，在地質勘探線橫剖面圖上初步確定 開采深度。2）在地質縱剖面圖上調整露天礦底部位置，根據(jù)運輸條件等圈定露天礦底 部周界。3）確定露天礦的邊坡結構和邊坡角。要考慮影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響 因素。確定露天礦的最終邊坡角后，還要根據(jù)邊幫組成進行驗算，并確定邊坡細部 結構：保安、清掃、運輸平臺尺寸。按照保安、清掃、運輸平臺寬度和布置要求構成的邊坡角，不能大于按穩(wěn)定 性要求確定的露天礦最終邊坡角。但應盡量接近它。4）確定露天礦的出入溝口位

3、置，并完成采場外部運礦干線公路設計。5）繪制露天礦終了平面圖。按照確定的露天礦底平面周界，從下向上依次 繪制邊坡線和平臺。然后布置開拓運輸線路。6）編寫設計說明書。內容包括：設計要求、依據(jù)資料、露天礦境界圈定步 驟、外部運礦干線公路設計步驟、相關參數(shù)分析計算。1.3設計范圍境界設計：垂直方向由地表至+22m標高，水平方向由礦體范圍決定，即0 #、4#及8#勘探線間的礦體。公路設計：垂直方向由+290m至+150m標高。設計內容2.1露天開采境界設計2.1.1礦區(qū)概況唐山三友礦山有限公司（原巍山石灰石礦），位于唐山市東北20km,隸屬唐山 三友堿業(yè)（集團）有限公司，是全國重點化工企業(yè)。行政區(qū)劃屬

4、唐山市古冶區(qū)王輦 莊鄉(xiāng)和開平區(qū)雙橋鄉(xiāng)管轄。礦山東南距京山鐵路古冶站8km，經10km鐵路專用線與之連接，全南堡堿 廠鐵路運距129km。礦山與周圍各縣均有公路相通，交通十分方便。本區(qū)域為溫帶大陸性氣候，具有冬干夏濕，季風顯著之特點，冬季多西北風， 夏季為偏南風，春秋二季是冬季風和夏季風的過渡季節(jié)。風向多變，天氣變化頻 繁，風隨季節(jié)變化顯著，冬冷夏熱明顯，全年濕度變幅大，年平均氣溫1011C， 年平均降水量620.97mm，由于季風影響，降水高度集中在7、8二個月，并以7 月份降水量最多，平均240mm。2.1.2礦床及礦石特征巍山石灰石礦位于燕山沉降帶之薊冀灤坳陷的東南部，屬于開平向斜北西翼

5、的一部分。礦區(qū)出露地層有古生界寒武系，奧陶系和石炭二迭系，北部有上元古 界青白口系部分地層。主要為奧陶系，在其北部有寒武系；南部有石炭二迭系。開平向斜西起唐坊附近，東全雷莊，長70km，向斜軸呈北東走向，向斜西 翼不對稱，北西翼陡，構造較復雜，南東翼緩，構造簡單。兩翼地層為下古生界， 核部最新地層為上古生界二迭系洼里組。奧陶系分四個組，10個巖性段：（1）冶里組，分上下兩個巖性段（2）亮甲山組，分上中下三個巖性段（3）下馬家溝組，分上下兩個巖性段（4）上馬家溝組分上中下三個巖性段礦區(qū)構造較復雜，地層陡立部分倒轉，同時發(fā)育一些性質不同規(guī)模不等的斷 層地表可見具有一定規(guī)模的斷層有17條，大都垂直于

6、礦體走向分布。其中以白 道子斷層（F16）最大，橫貫全區(qū)，沿走向成S形延伸，向北西傾，傾角地表陡 54，深部緩:30，水平斷距約200m，為一壓扭性逆平移斷層。根據(jù)地質構造特征，大致可劃分為三個不同的構造區(qū)段：F16斷層以東地區(qū) 屬于正常層序的單斜層，走向7485，傾向SE，傾角70，具有小型褶曲， 斷層不發(fā)育，F(xiàn)16斷層以西至31線地層倒轉，走向4590，傾向NW，傾 角6585，在這個倒轉區(qū)段內，褶皺斷裂和塌陷，裂縫均很發(fā)育；31線以 西地層又恢復正常層序，其構造也較簡單。主要含礦層為上馬家溝組中段，其次為上馬家溝組下段和下馬家溝組上段。 總體特征是沿走向呈狹長帶狀延伸，共有七層礦I W，

7、丑，W六層礦厚度較薄 均小于10m，長度在1000至2500m，層次多層位較穩(wěn)定；V層礦層最厚平均厚 度 70.1m，長度 2500mo礦體為層狀，形態(tài)規(guī)則，產狀與圍巖一致，傾角6590。，礦體均裸露地 表，絕大部分產在礦區(qū)地平面70m以上。礦石主要為豹皮狀灰?guī)r，少數(shù)為純質 灰?guī)r，白云質灰?guī)r和含燧石灰?guī)r。礦石主要成分為CaCO3、MgCO3、SiO2和少 量A12O3、Fe2O3及微量K2O、Na2O、P2O5、TiO2。礦石質量好，無論沿走向 或傾向變化均很小。根據(jù)化學分析礦石平均品位：CaCO394.26%、MgCO31.77% SiO2+A12O3+Fe2O33.61%。在V號礦體中，夾

8、有一層26m的含碎石較多的高 硅礦石，CaCO391.19%、MgCO33.93%、SiO2+A12O3+Fe2O36.77%。按不同礦石類型、圍巖及夾層，通過有代表性的試樣試驗：巖礦的抗壓強度最大:1575.0kg/cm2最小:648.6 kg/cm2巖礦的抗拉強度最大:81.3 kg/cm2最小:36.9 kg/cm2 TOC o 1-5 h z 礦石硬度系數(shù)：f=79容 重：2.68t/m3 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 松散系數(shù)：1.7濕度最大：0.148%, 一般00.03% HYPERLINK l bookmark55 o Cu

9、rrent Document 圍巖硬度系數(shù)：f=682.1.3水文地質礦區(qū)處于開平盆地西北翼分水嶺，開平盆地為一傾伏向斜構造盆地。由于地 貌、地形及構造等各方面因素，使其構造成了單獨的開采盆地水文地質單元。礦 區(qū)附近有寒武系、奧陶系、石炭系、第四系等含水層，分述如下：第四系含水層主要分布在南部廣大平原中，其沉積厚度總的趨勢是由盆地邊緣至盆地中心 逐漸加厚。其含水層巖性主要為砂及粒卵石層。地下水埋藏條件主要取決于地形地貌條件，在靠近沙河、陡河兩岸的低洼地 帶，潛水埋藏最淺，一般02m，在平原中地形無顯著變化地區(qū)，潛水埋藏一般 24m，在山間凹陷地帶及平原地形微起伏地區(qū)，潛水埋藏在410m，個別地

10、 區(qū)受地形影響潛水埋藏深度可達20m以上。潛水補給來源主要為大氣降水，局 部接受奧陶系石灰?guī)r含水層的補給。第四系含水豐富，最大滲流系數(shù)可達38m/d。奧陶系石灰?guī)r含水層出露寬度可達800m左右，其含水層主要為石灰?guī)r，下奧陶系以泥質灰?guī)r和 薄層狀白云質灰?guī)r為主，裂隙巖溶均不大發(fā)育，為弱含水或極弱含水層。中奧陶 系以純石灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r為主，裂隙巖溶較發(fā)育，透水性較強，最大滲流系數(shù) 可達1822m/d，為強含水層。中石炭系唐山石灰?guī)r含水層主要為淺灰色或褐灰色薄層狀灰?guī)r，厚0.455m,一般含水量不大，但是在 局部地區(qū)巖溶發(fā)育時也有一定水量，如趙各莊煤礦-100m水平西三石門72139孔 涌水量達到

11、17升/秒；北山礦2號孔涌水量為0.5升/秒。中上石炭系砂巖含水層主要巖性為灰色、深灰色或灰白色的細粒砂巖、粉砂巖，膠結較為致密，裂 隙不發(fā)育。在區(qū)內厚度分布和含水情況隨各地的具體條件而異，在趙各莊煤礦與 北山礦砂巖中鑿巖鉆進時發(fā)現(xiàn)有涌水現(xiàn)象，其大小主要取決于風化及構造條件， 一般來說該層水量微弱，為極弱含水層。由于趙各莊煤礦的開采和長期排水，使礦區(qū)奧陶系灰?guī)r地下水下降，儲量計 算最低標高（+40m）以上的水文地質條件變得簡單。最低水位標高可達-206m， 平均最高水位在+49.37m，僅有長2孔達70.10m。在礦區(qū)最低開采標高+40m以 上已被疏十，僅在雨季局部地段短者幾天、長者42天水位

12、超過40m，而1978 年以后，地下水位均在40m以下。礦床開采主要充水原因大氣降水，地下水對 礦床開采無多大影響。根據(jù)趙各莊煤礦長期觀測資料證實，陡河水庫水與礦區(qū)石 灰?guī)r含水層地下水沒有水力聯(lián)系。其原因是寒武系地層頂部有一層厚度約100m 左右的薄層泥質灰?guī)r及紫紅色的頁巖起隔水作用所致。因此陡河水庫對礦床充水 無影響。2.1.4開拓方式選擇選擇開拓方式的主要原則是在滿足國家要求的前提下，選擇生產工藝簡單可 靠，基建工程量小，基建投資少，生產經營費用低、占地少，投產早、達產快且 靜態(tài)和動態(tài)投資回收期短，投資收益率高的開拓運輸系統(tǒng)。根據(jù)上述原則，本設計采用公路運輸開拓，開拓坑線布置為回返式。公路

13、運 輸開拓機動靈活，轉彎半徑小，爬坡能力大，線路工程量小，基建時間短，基建 投資少，便于采用分區(qū)開采，有利于采用分散的排土場，掘溝方法相對簡單，掘 溝速度及延伸速度快。公路運輸開拓坡度8%，公路寬度11m，緩沖平臺長50m， 最小轉彎半徑10m。露天采場開拓坑線的出入溝口設置在工程地質條件較好，地形標高較低，距 工業(yè)場區(qū)及排土場較近的地方，避免和減少重載汽車在采礦場內作反向運行及無 謂增長上坡運距，盡可能使礦石和巖石的綜合運輸功小，所需運輸設備數(shù)量少。根據(jù)以上原則，出入溝口設計在采坑的東南側，標高112m。礦山工程的發(fā)展程序包括臺階的開采順序，工作幫的推進和新水平的開拓延 深。新水平準備工作包

14、括掘進出入溝開段溝和為新水平準備掘溝而進行的擴幫工 作。從地表向臺階下部平盤掘進傾斜出入溝，達到下部平盤標高后，自出入溝的 末端掘進水平開端溝，已建立開采臺階的初始工作線。開端溝垂直采場走向橫向 布置，工作線沿走向推進。當擴幫工作線推進到使臺階坡底線距下水平出入溝溝 頂邊線不小于工作平盤寬度時，便開始下水平的準備掘溝和隨后的擴幫工作，開 拓坑線自上而下逐漸形成。2.1.5境界圈定2.1.5.1確定采場最小底寬根露天采場底部寬度應滿足采裝運輸設備的要求，保證礦山工程正常發(fā)展， 根據(jù)采礦設計手冊III和中國采礦設備手冊，考慮三友礦山實際運輸設備 情況（運輸車輛型號：BJ374, BJ3722），本

15、次設計采用回返式調車，其底寬為：B . = 2（R . + 0.5b + e）=2 （10+0.5X4.5+1.5）=27.5mRcmin汽車最小轉彎半徑。根據(jù)中國采礦設備手冊上冊P675，選取Rcmin=10m.bc汽車寬度e汽車距邊坡的安全距離。取e為1.5。確定露天礦底的位置原則：1）使境界內的可采礦量最大而剝巖量最??；2）使可采礦量最可靠，通常露天礦底宜置于礦體中間，以避免地質作圖誤 差所造成的影響。3）根據(jù)礦石品位分布，使采出的礦石質量最高；4）根據(jù)礦石的物理力學性質調整露天礦底位置，使邊坡穩(wěn)固且穿爆方便。本設計最小底寬設計為30m。2.1.5.2選取采場最終邊坡角隨著采場開采深度的

16、增加和邊坡的減緩，剝巖量將急劇增加，從經濟效果看， 邊坡角應盡可能加大。然而陡邊坡雖然可帶來較好的經濟收益，但往往會導致嚴 重的滑坡事故，乃至破壞生產。從安全角度來考慮，應盡量減緩邊坡角。因此， 綜合考慮經濟與安全因素，是合理選取邊坡角的基本原則。再結合礦石硬度中等， f=810，圍巖或夾層以厚層為主，結構較致密，為豹皮狀白云質灰?guī)r或中厚層白云質灰?guī)r，有足夠的硬度和較大的抗壓強度，同時礦區(qū)處于開灤趙各莊煤礦排 水疏十范圍內，水文地質條件簡單，所以結合設計手冊類似礦山情況，最后取上 盤最終邊坡角Y 52，下盤最終邊坡角6 48。為保證礦山正常生產，露天礦邊坡通常由安全平臺、清掃平臺、運輸平臺及

17、相應的坡面組成。本設計取安全平臺寬6m，清掃平臺寬9m，臺階高度12m，每 隔兩個臺階設置一個清掃平臺，間隔布置，臺階坡面角上盤70，下盤70。 開拓系統(tǒng)選取的是固定坑線開拓，公路寬度11m，坡度為8%。運輸車輛型號： BJ3722載重40t，BJ374載重20噸，運輸平臺寬度11m。2.1.5.3確定各剖面開采深度及境界剝采比確定露天開采境界的原則按n. v njh原則確定露天開采境界的觀點，具有整個礦床露天與地下聯(lián)合開 采總經濟效果最佳，以及在礦床只宜露天開采時盈利最大的實質，所以得到國內 外學術界廣泛的接受。本設計采用此原則來確定三期工程的露天開采境界。用原礦成本比較法確定經濟合理剝采比

18、：n =y (C -a) 2.68(35 -5)j b = 5 x 2.68 =6Cd一地下開采的原礦成本a一露天開采的純采礦成本，元/噸b一露天開采的剝離成本，元/m3Y 礦石容重，噸/ m3用面線段比法計算礦床的境界剝采比1在橫剖面圖上確定各個深度方案的底寬和位置，并根據(jù)選取的最終邊坡角Y =50 P =45，繪出頂?shù)讕妥罱K邊坡線。2通過作圖計算，選取0線剖面，用面積比法計算其境界剝采比nj。S + S + S + S + S + S境界剝米比n= 357911S 2 + S 4 + S + S + S0_ 592.34 + 440.75 + 618 + 423.2 + 67.8 + 45

19、.7763.26 + 64.8 + 935.47 +130.3 + 75.07=1.72V23）開采深度開采深度結合地質資料及本組（第六組）設計要求，定到+22m水平。2.1.5.4圈定露天礦底部平面周界將0、4、8線剖面圖上按照標高+22m和最終坡面角確定的各剖面境界，投 影到地質分層平面圖上，分別連接上盤和下盤坡底各點得出底的理論周界。修正 的原則是，底部周界要平直，彎曲部分要滿足運輸線路曲線半徑的要求，底部長 度要滿足設置線路的需要。修正后的周界即為設計周界。2.1.5.5繪制采場終了平面圖按所確定的開拓運輸系統(tǒng)、最終邊幫組成要素、露天礦底平面周界，繪制露 天礦終了平面圖，其步驟如下：1

20、）將設計的底部周界按投影關系繪在地形圖上。2）在地形圖上，按最終邊幫組成要素（臺階高度、坡面角、平臺寬度），從 底部周界開始由內向外（標高由下而上）依次繪出各臺階坡底線、坡頂線和平臺 寬度。3）在圖上布置運輸線路。繪制線路時，要注意傾斜線路與各臺階的連接。4）檢查與修正上述露天開采境界。繪制完露天采場終了平面圖后，以此平 面圖為準，修正各橫剖面圖的境界，使平面圖與橫剖面圖一致。個別情況下，由 于布置開拓運輸線路后，邊幫變化較大時，應檢查最終確定的合理性，即境界剝 采比是否超過經濟合理剝采比，并作必要的修正。布置開拓線路后境界剝采比S + S + S + S + S + S + Sn= 3579

21、H13S 2 + S 4 + S + S + S1_ 1000 +109.2 + 701.5 + 314.8 +104.7 +189.3 +117=52.4 +118 + 873 + 290 +136=1.732，滿足要求2.2公路設計2.2.1定線本次公路設計從+150m至到+290m。由礦山地質地形圖分析，起點設在露天 礦出入溝口附近，采用折返式路線，具體情況見附圖。根據(jù)露天礦道路盡量采用 挖方路基的要求，本設計采用“零點法”定線。根據(jù)地形圖上的等高距h （10m） 和采用的道路縱坡i（8%），按下式計算出圓的半徑（d=Ah/i），根據(jù)地形圖比例， 在縮尺上截取計算出的d值，即可在平面圖上

22、定線。d=Ah/i=10/0.08=125d=Ah/i=8/0.08=100d=Ah/i=6/0.08=75d=Ah/i=4/0.08=502.2.2平面要素1）平曲線半徑結合礦山運輸實際情況，汽車最小轉彎半徑為10m，設計最小平曲線半徑 30m o2）回頭曲線采用插入直線段的對稱回頭曲線。轉彎半徑分別為30m和20m。2.2.3縱斷面要素1）最大允許縱坡縱坡過大，汽車上坡時長久使用低速檔，水箱里的水易于沸騰，油管由于“氣 阻”而發(fā)生熄火，導致停車；下坡時，汽車制動困難，制動器急劇升溫，使剎車 失效而產生安全事故。縱坡過小會使線路增長，增加擴幫工程量，使基建費增多。 本設計最大允許縱坡為8%。2）限制坡長為防止汽車在長陡坡段上運行時發(fā)動機和制動器過熱而發(fā)生故障，對坡段長 度應有所限制。查手冊知當縱向坡度為8%時限制坡長為350m。3.小結通過這次露天采場設計，讓我對露天開采工藝