快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺

摘要

本发明涉及一种矿产资源露天采掘工艺。快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺，其特征在于，在露天矿的一端或中部用常规的方法，一旦完成初始采剥工作面的剥离和采矿后，在矿床开采的方向上，将开采工作面划分为左帮区、中区与右帮区，并进一步将它们划分为若干较小的分段，以分段为单位，渐进开展剥离、采矿、压坡回填、复垦绿化或混凝土覆盖，以剥离废石就近排土压坡作为最主要的边坡永久治理方法，迅速恢复生态。该工艺具有运输成本低、边坡维护成本低、快速恢复生态环境的特点。该工艺适用于各种地区，特别是干旱、沙漠、高寒等生态脆弱地区矿床的环保开采。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿产资源露天采掘工艺。

背景技术

迄今为止，国内外矿床露天开采工艺中的废石剥离、废石的运输与排放、废石场的复垦与绿化、边坡的维护等几个重要环节是相对独立的，独立进行设计、施工与管理，指导思想是满足上下工艺环节之间的产能要求并节约成本。

通常露天矿山开采是从一端向另一端连续推进，形成较大范围的岩土体扰动与地面环境破坏，开采过程中形成的最终边坡可能存在几年甚至几十年，需要完成大量的边坡维护工作，耗费大量资金，还可能出现滑坡等工程地质灾害，给人民的生命财产带来损失。对于有废石内排条件的矿山，一般都会开展废石的坑内排放，这种排放主要是考虑节约废石运输成本，没有把它与最终边坡的及时、完全、最终的治理结合起来。如图1所示，这是当前国内外露天矿山普遍采用的剥离废石的坑内排放方式，它是在矿坑由一端向另一端开采推进的过程中，把工作面剥离的废石，运到后方最终边坡一端去排放，渐次推进，通常不考虑左右两个最终边坡的优先排土与护坡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺，该工艺具有运输成本低、边坡维护成本低、快速恢复生态环境的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺，其特征在于它包括如下步骤：

(1)在矿体的一端或中部用常规的方法进行废石剥离，把废石排放到外排土场，开采剥离出的矿体，形成满足采剥作业要求最小尺寸a的初始采剥工作面4(如图5所示)；

(2)在采剥推进方向上，把采剥范围划分为左帮区1、中区2和右帮区3，把每个区分为2-1000个分段，每推进100-200米为一分段，从初始采剥工作面4开始为第一分段5(如图8所示)；

(3)首先进行左帮区、右帮区第一分段的剥离与采矿，第一分段中区的采剥跟进，形成凹形；剥离的废石在矿坑内部排放，用于露天矿后部边坡6(包含左帮区、右帮区部分后部边坡)的压坡，从坡脚一直压到坡顶，完成后部边坡的永久护坡治理(如图8所示)；

(4)对于完成边坡治理的分段，立即复垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态；

(5)第二步是进行左帮区、右帮区第二分段的剥离与开采，剥离的废石用于第一分段边坡的护坡回填，中区采剥工作面跟进，中区剥离废石用于其后方采空区就近回填，回填到位的地段立即复垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态；

(6)从第二步起，进入正常的生产循环，如此分段推进，直至矿山开采完毕，生态恢复也进行完毕；

(7)对于从中部形成初始采剥工作面的矿山，可以形成两个采剥工作面，采用上述工艺，反向推进。

本发明采用分段开采、排土压坡快速治理边坡与恢复生态相结合，具有如下优点：就近排土压坡，缩短废石运输距离，降低运输成本低；最终边坡临空时间短，从而可加陡最终边坡角以减少废石剥离量；把排土压坡作为边坡维护的主要手段，迅速实现边坡的永久治理，边坡维护成本低；把露天矿大范围的岩体开挖对地表环境的破坏，缩小为小分段的局部破坏，有利于环境保护；快速恢复生态环境。

在干旱特别是沙漠等没有条件进行绿化的地方，把排土层压实后，在其上部用薄层混凝土覆盖，避免扬沙破坏环境，达到固沙的效果，其效果显然优于地下开采引起的地表破坏与沉陷状态下的固沙效果。治理方法有如公路对裸露岩石边坡的治理。该工艺适用于各种地区，特别是干旱、沙漠、高寒等生态脆弱地区矿床的环保开采。

附图说明

图1为现有的露天矿剥离废石的坑内排放示意图，图中箭头表示推进方向。

图2为露天矿剥离废石的排土护坡与复垦生态恢复示意图，它表示了本发明工艺的总体状况，该图表示露天矿由南向北推进，分段开挖、排土护坡与复垦的情况；图中箭头表示推进方向。

图3是图2沿A-A线剖视图。

图4是图2沿B-B线剖视图。

图5为露天矿初始采剥工作面示意图，通过剥离废石的外排与采矿，形成初始采剥工作面。

图6是图5沿C-C线剖视图。

图7是图5沿D-D线剖视图。

图8为左帮区、右帮区第一分段的剥离与采矿示意图，该分段剥离的废石在矿坑内部排放，用于露天矿后部边坡及左帮区、右帮区部分边坡的压坡，从坡脚一直压到坡顶，完成后部边坡的永久护坡治理与复垦绿化。

第二分段以后的采剥、边坡治理与复垦绿化进入正规循环，见图2。

图9是图8沿E-E线剖视图。

图10是图8沿F-F线剖视图。

图中：1-左帮区，2-中区，3-右帮区，4-初始采剥工作面，5-第一分段，6-露天矿后部边坡，7-绿化物(如树或草)，a-采剥作业要求最小尺寸。

具体实施方式

如图2、图3、图4所示，快速排土护坡与生态恢复的露天矿开采工艺，它包括如下步骤：

(1)在矿体的一端或中部用常规的方法进行废石剥离，把废石排放到外排土场，开采剥离出的矿体，形成满足采剥作业要求最小尺寸a(一般为50-100米)的初始采剥工作面4(如图5、图6、图7所示)；

(2)在采剥推进方向上，把采剥范围划分为左帮区1、中区2和右帮区3(如图8所示)，在满足采剥作业要求最小尺寸的条件下，把每个区分为2-1000个分段，如图8所示，每推进100-200米为一分段，从初始采剥工作面4开始为第一分段5；

(3)首先进行左帮区、右帮区第一分段的剥离与采矿，第一分段中区的采剥跟进，形成凹形；剥离的废石在矿坑内部排放，用于露天矿后部边坡6(如图8所示，包含左帮区、右帮区部分后部边坡)的压坡，从坡脚一直压到坡顶，完成后部边坡的永久护坡治理；

(4)对于完成边坡治理的分段，立即复垦绿化(如图9、图10所示，种上绿化物7)或混凝土覆盖，恢复生态；

(5)第二步是进行左帮区、右帮区第二分段的剥离与开采，剥离的废石用于第一分段边坡的护坡回填，中区采剥工作面跟进，中区剥离废石用于其后方采空区就近回填，回填到位的地段立即复垦绿化或混凝土覆盖，恢复生态；

(6)从第二步起，进入正常的生产循环，如此分段推进，直至矿山开采完毕，生态恢复也进行完毕；

(7)对于从中部形成初始采剥工作面的矿山，可以形成两个采剥工作面，采用上述工艺，反向推进。

本发明的主要理论依据：

(1)岩石力学边坡治理压脚理论的发展

在岩石力学与工程上，人们常把病害边坡的主要治理方法归结为“削顶、加固、压脚”，这是指在稳定性不能满足安全要求的边坡的上部进行岩土开挖，把开挖的岩土运走，从而削减边坡上部的负荷，称为削顶；在边坡的中部采用合适的手段如锚杆、锚索或抗滑桩进行加固；在边坡的下部排放岩土压住坡脚，增加抗滑力。它们是当前综合治理边坡、避免滑塌的最有效的措施与方法。

本项发明是把岩石力学关于治理边坡三大主要技术措施之一的“压脚”往上发展，即不但压脚，还逐渐“压腰”、“压胸”，甚至“压脸”，用剥离或井下掘进产出的废石与表土，全面压住高陡的最终边坡，使之形成稳定的缓坡，消除最终边坡滑塌的安全隐患。

(2)尽快恢复生态环境

最终边坡分段快速开挖、快速回填、快速植草造林，可以有计划地尽快恢复生态环境，避免传统开采方法使开挖后的土岩长期裸露、失去植被覆盖破坏环境，把矿山开采对环境的影响降到最小。采用复垦技术，对回填的土岩进行土壤改良，尽快种植适于该地的优良草木，恢复原有的生态环境，甚至使恢复的环境优于原有的环境。

在干旱特别是沙漠等没有条件进行绿化的地方，把排土层压实后，在其上部用薄层混凝土覆盖，避免扬沙破坏环境，达到固沙的效果，其效果显然优于地下开采引起的地表破坏与沉陷状态下的固沙效果。治理方法有如公路对裸露岩石边坡的治理。

(3)节约运输费用与减少坑外排土场地的占用

露天开采剥离的废石量通常比采出矿石量大几倍甚至十几倍，在生产成本中占有重要比重。在适宜的条件下进行废石的坑内排放，可以减少废石运距，节约坑外排土场的占用，节约排土场用地，节约排土场的维护费用。现有露天矿传统采用的剥离废石坑内排放方法是在矿床由一端向另一端开采推进过程中，把前端工作面剥离的岩土运到露天坑后端排弃，依然有数百公尺甚至数千公尺的运输距离。

本发明是有计划地、尽快地把露天矿后端与左右两侧的最终边坡开辟为最近的内排土场，采用就近剥离的岩土对新开挖的露天最终边坡进行回填，运输距离通常只有几十米到几百米，可以大大缩短废石的运距；运用矿山工业工程、矿山系统工程与物流工程的理论，对矿山剥离废石的运输进行优化，使岩土的运输功最小，大大降低它的运输费用。

本发明的有益效果：

(1)缩短岩土排放的运输距离

一个大型矿山的年废石运输量可达数千万吨，运输费用可达数亿元；本发明即使缩短运距几分之一，也可达数千万元。

(2)缩短最终边坡临空的时间加陡边坡角

我国露天矿的最终边坡角普遍趋于保守，专家认为，与国外大型矿山相比，我国大型露天矿的边坡角普遍缓5°左右，而一个年产300～1000万吨的矿山，边坡角每提高1°，就可减少剥离量0.5～1.5亿吨，节约投资1～3亿元(蔡美峰：中国金属矿山20世纪的发展前景评述，中国矿业，2001(1)：11～13)。

本发明可将传统的露天矿最终边坡从临空数年到一、二十年，缩短到几个月到一、二年，从而可把露天矿的最终边坡角提高5～8°，节省露天矿巨大的废石剥离费用。

(3)节约大量边坡维护与治理费用

由于用简便的方法迅速实现最终边坡的永久性治理，可以节约大量边坡的维护与治理费用。以平朔煤炭工业公司安家岭露天矿北部最终边坡为例，2005年采取“削顶”减荷的方法治理滑塌边坡，搬走边坡上部黄土60万立方米，花费350万元，使边坡暂时处于稳定状态，但未从根本上解决该边坡的稳定性问题。显然，排土压住该边坡后，就无需再对它进行治理了。

(4)节约坑外排土场占地与排土场维护费用

由于提前进行剥离岩土的内排，加大内排的岩土总量，可以节约坑外排土场占地与排土场维护费用。

(5)废石压坡内排有利于改善地下开采岩体的稳定性

本发明对于露天坑的废石回填，可以使边坡表面岩体处于三向受力状态，并使地下开采掘进与生产爆破产生的地震波传递到边坡岩体表面时，部分地震波可以入射进入充填废石内传播而耗散，减少了折射的地震波所形成的拉应力的数值及其对边坡岩体可能产生的破坏，有利于地下岩体工程的稳定，减少了地下开采的巷道维护费用，减少了边坡滑塌与地下巷道垮塌事故的发生概率。

(6)快速恢复生态环境

从矿段的开挖、回填到植树造林，周期只有几个月到一、二年，可以把把最终边坡岩土和排土场的裸露时期缩短到几分之一，大大消除了矿山开采对环境的负面影响，有利于矿业的可持续发展。