摘要：露天開采是用一定的采掘運輸設備在敞露的空間從事礦石開采作業(yè)。露天礦最終邊坡角、開采境界底部寬度及底部位置、開采境界深度對露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效果都有很大影響。本文在總結(jié)露天開采特點的基礎上，對露天開采境界的原則和方法進行了詳細研究論述，分析了影響露天開采境界的幾個要素及其確定方法。最后對確定露天開采境界的步驟進行了研究。文章為露天開采境界的確定和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：露天開采;開采境界;開采方法;境界優(yōu)化

1 露天開采的特點

露天開采是用一定的采掘運輸設備在敞露的空間從事礦石開采作業(yè)。露天開采的特點是：采出礦石需將礦體周圍的巖石及覆蓋巖層剝掉，通過露天運輸通道或地下井巷把礦石或巖石運至地表。這種開采方法廣泛用于開采金屬礦、冶金輔助原料、建筑材料、化工原料及煤等礦床。

基于露天開采是在敞露的空間從事礦床開采作業(yè)，與地下開采比較，它有如下特點：

(1)相對講，開采空間受限較小，有利于采用大型機械化設備。機械化、自動化水平較高，可提高礦山開采強度和礦石產(chǎn)量。

(2)勞動生產(chǎn)率高。

(3)開采成本低，使大規(guī)模開采低品位礦石成為可能

(4)礦石損失貧化小，有利于地下礦產(chǎn)資源的回收。

(5)基建時間短，年產(chǎn)噸礦石的基建投資比地下開采低。

(6)對于高溫易燃礦體的開采，露天開采也較地下開采較為安全。

(7)勞動條件較好，工作也較安全。

(8)露天開采過程中可產(chǎn)生較大粉塵，自卸汽車運行中可排放廢氣，爆破后的巖石因含有害成分對與之接觸的大氣、水和土壤有一定程度的污染。

(9)把大量剝離巖、土排棄到排土場，排土場占地面較大占用山地和農(nóng)田且局部惡化生態(tài)環(huán)境。

(10)遇冰雪、暴雨等天氣，對露天開采有一定影響。

開采境界的圈定是露天礦山開采設計的基礎，也是礦床經(jīng)濟、安全、高效開發(fā)的前提。長期以來，各國礦業(yè)領域?qū)＜覍W者對開采境界優(yōu)化問題做了持續(xù)的研究和探索，獲得了眾多研究成果。然而，由于露采礦山面對的是復雜多變的地質(zhì)巖體、無序的品位分布以及多變的經(jīng)濟參數(shù)等一系列非線性動態(tài)問題，最優(yōu)境界的確定顯得尤其困難。本文針對露天礦山境界優(yōu)化所面對的關鍵問題，在總結(jié)前人所做工作的基礎上，分析研究露天礦山開采境界的動態(tài)特征，在分析影響礦山穩(wěn)定最終邊坡角的主要指標基礎上，對礦山最終合理邊坡角的預測;研究礦山系列境界的快速形成方法，研究形成礦山最終開采境界的確定方法。本文針對工程實際，立足于發(fā)展前沿，運用多學科的理論和方法，對露天礦最終境界的確定進行了系統(tǒng)和深入的研究，研究成果具有較高的理論和工程應用價值。

2 露天開采的設計準則

露天開采境界的大小決定了露天礦采礦量和剝離量的多少。隨著露天開采境界的延深和擴展，在采礦量增加的同時剝離量也大幅度增加，從而導致剝采比不斷增大。因此，露天開采境界的確定，實質(zhì)上是對剝采比的大小加以控制，使之不超過經(jīng)濟合理剝采比。

與露天礦開采境界大小相關的剝采比有多種，因此，在控制哪一種剝采比這個問題上，存在許多不同觀點。在此，以三種形成較早又具有代表性的學術觀點及其設計準則：

(1)境界剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則

境界剝采比的設計準則即境界剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則。該原則的實質(zhì)是，露天開采境界向下延深時，控制露采的邊際經(jīng)濟效益不劣于地采經(jīng)濟效益。對于覆蓋層不大的連續(xù)礦體，運用該原則可使整個礦床的開采盈利達到最大。

由于境界剝采比的設計準則具有使整個礦床開采的總經(jīng)濟效果最優(yōu)這一背景，加之計算及操作簡單易行，目前國內(nèi)外手工設計普遍運用 ≤ 準則來圈定露天開采境界。雖然國內(nèi)外手工設計普遍運用 ≤ 準則來圈定露天開采境界，但是對于某些覆蓋層較厚或不連續(xù)的礦體，這一準則不適用。因此該準則只是最優(yōu)開采境界的必要條件，而不是充分條件、更不是充分必要條件。

(2)平均剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則;

這一設計準則的實質(zhì)是，露天開采境界向下延深時，控制露天開采的總體經(jīng)濟效益不劣于地下開采。平均剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比設計準則的技術經(jīng)濟目標是：在滿足露采總體經(jīng)濟效果不劣于地采的條件下，使劃歸露天開采境界內(nèi)的礦石儲量最大。由于這一原則是采用算術平均的方法，因此難免會使露天開采在某些局部的經(jīng)濟效果劣于地下開采�！� 準則可以與 ≤ 準則合用。對于某些覆蓋層很厚或不連續(xù)的礦體，按 ≤ 準則圈出開采境界之后，還要核算該境界內(nèi)的平均剝采比，看它是否滿足 ≤ 準則。

對于某些貴重或稀有礦物等高價值礦床或小型礦山，為了盡可能采用露天開采以減少礦石的貧化損失，可以運用這個原則來確定開采境界，借以擴大露天開采范圍。此外，建材石灰石礦山慣用平均剝采比設計準則。

(3)生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則 。

生產(chǎn)剝采比可以反映露天礦生產(chǎn)中實際發(fā)生的剝采比。因此按 ≤ 準則確定開采境界，可以使露天礦任何生產(chǎn)時期的經(jīng)濟效果都不劣于地下開采。該原則中的生產(chǎn)剝采比，可以是均衡生產(chǎn)剝采比，也可以是未均衡的生產(chǎn)剝采比即時間剝采比。

按生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟合理剝采比的設計準則圈定的露天開采境界比按 ≤ 準則圈定的小，而較按 ≤ 準則圈定的大。因此，隨之而來的初始剝離量和基建投資也較大。另外，由于生產(chǎn)剝采比的概念不易明確界定，加之它與采深的關系較為復雜而不易把握，因而該準則相應的設計方法的可操作性較差。鑒于上述各種原因，這個原則很少采用。

3 露天礦開采境界要素

3.1 開采境界最終邊坡角及邊坡結(jié)構

露天礦最終邊坡角對露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效果都有很大影響。從經(jīng)濟效果來考慮，希望邊坡角盡可能大些，過小的邊坡角，將增加剝巖量，使剝采比增大。然而，過大的邊坡角，將導致邊坡失穩(wěn)，嚴重影響礦山安全生產(chǎn)。因此，露天礦的最終邊坡角，要同時滿足安全穩(wěn)定條件和開采技術條件的雙重要求。

安全穩(wěn)定條件是指根據(jù)邊坡巖體的性質(zhì)，通過穩(wěn)定性分析計算，確定能保證邊坡穩(wěn)定的最終邊坡傾角。在境界設計階段，一般是參照類似礦山實踐資料選取穩(wěn)定的邊坡角，并用已有資料對其穩(wěn)定性進行初步分析和簡要計算。

3.2 開采境界底部寬度及底部位置

(1) 底部寬度要求及數(shù)值

露天礦的最小底寬，應滿足采裝運輸設備在底部正常運行與安全作業(yè)的要求，一般不應小于開段溝的底寬，其最小寬度根據(jù)采裝、運輸設備規(guī)格及線路布置的有關計算結(jié)果來確定。

(2) 底部位置與相似形開采境界(特征和性質(zhì))

確定境界底部位置的基本準則是使境界內(nèi)平均剝采比最小。有時須根據(jù)礦巖的物理力學性質(zhì)調(diào)整露天礦底的位置，使最終邊坡避開破碎帶或構造帶，以利邊坡穩(wěn)固、穿爆方便。

視礦體水平厚度不同，露天采場底的位置可能有三種：當?shù)V體水平厚度小于最小底寬時，露天礦底平面按最小寬度繪制;當?shù)V體水平厚度等于或略大于最小底寬時，露天采場底寬取礦體水平厚度;若礦體水平厚度遠大于露天礦最小底寬時，則按最小底寬繪制底平面。其位置應能滿足可采礦石量最多、剝離礦石量最少、采出礦石質(zhì)量最好等于經(jīng)濟效益最大的原則。

由于實際境界的底寬不為零，相似形境界不能完全適用，設計中可按下列情形確定境界底部位置：①對于平坦地表，無論是厚礦體還是薄礦體均為相似形境界;②對于傾斜地表，水平厚度大于底寬的礦體仍為相似形境界，水平厚度小于底寬的薄礦體則須滿足條件。

(3) 相似形開采境界的設計方法

相似形境界是理論上滿足平均剝采比最小準則的最優(yōu)底部位置，確切地說是境界底寬為零時的最優(yōu)底部位置。

3.3 開采境界深度

露天開采境界的設計準則實質(zhì)上是確定露天礦開采深度的理論依據(jù)。采場外觀，可因礦體賦存條件特別是沿走向長度的不同分為長采場和短采場。采場的長寬比大于4：1的稱長采場，其端幫礦巖量占總礦巖量的比例相對比較小，設計中手工計算時一般可以不單獨考慮端幫礦巖量;采場的長寬比小于4：1的稱短采場，其端幫礦巖量占總礦巖量的15～20%以上，設計時必須考慮這部分礦巖量。

(1) 地質(zhì)橫斷面圖上初步擬定開采深度

在地質(zhì)橫斷面圖上確定開采深度的方法由三種：(1)分析法。(2)圖解法。(3)方案-分析法。在上述三種方法中，方案-分析法應用最廣，其具體操作步驟如下：1、擬定若干個開采境界深度方案。2、計算各采深方案的境界剝采比。3、繪制分析曲線，初擬采深。

(2) 地質(zhì)橫斷面圖上調(diào)整開采境界底部標高，調(diào)整后的底部標高就是開采境界的設計深度。

(3) 圈定露天礦開采境界。露天開采境界的圈定方法(人工方法)分為三大步驟：(1)繪制露天礦底部周界。露天礦底部周界應按開采境界的設計深度確定，具體步驟為：

1、在各橫斷面、縱斷面、輔助斷面圖上，按開采境界的設計深度，繪制露天開采境界;

2、按開采境界的設計深度，即底部標高繪制該水平的地質(zhì)分層平面圖;

3、將各斷面圖上的露天礦底部位置(底部兩側(cè)的端點即下部境界點)分別投影到分層平面圖上，依次連接各點，得出開采境界的理論底部周界(下圖中的虛折線)。

4、用圓滑的曲線擬合理論周界的折線，得到開采境界的設計底部周界。

5、為了便于采掘運輸作業(yè)需按下列要求對設計底部周界進行校核：底部長度應符合布設運輸線路的技術標準，底部寬度應保證采掘工作的正常進行;底部周界要盡量平直，彎曲部位的曲率半徑要適應運輸設備的技術性能。

(2)繪制露天礦開采境界。將露天礦的設計底部周界繪在地質(zhì)地形平面圖上，按照設定邊坡組成要素，從底部周界開始由里向外依次繪出各個臺階的坡底線和坡底線，即平臺和坡面。顯然，露天礦凹陷部分，即封閉圈以下的各臺階坡底線在平面圖上是閉合的;而山坡部分，即封閉圈以上的臺階坡底線不能閉合，其末端應與同標高的地形等高線交接。

(3)繪制露天礦開采終了平面圖。在繪制的露天礦開采境界平面圖上布置開拓運輸線路，即所謂的定線;在定線的開采境界平面圖上繪制開采終了平面圖，從底部周界開始，由里向外依次繪出各個臺階的坡面和平臺;與此同時，在布置運輸干線的邊幫上，按照具體的渡線位置，繪出臺階間相互溝通的傾斜運輸平臺;檢查和修正繪制的露天開采境界。由于原定的露天開采境界，特別是布置開拓坑線的邊幫，常受開拓運輸路線的影響，致使邊坡角變緩，剝采量增大。

(4)繪制露天礦開采境界斷面圖

根據(jù)露天礦采掘終了平面圖，按照圖中的實際長度，繪制三個剖面的橫斷面圖。在露天礦開采境界平面圖中的底寬的重點，連接這兩點并延伸，該線即為縱剖面線。然后確定水平底寬，然后根據(jù)各臺階的寬度依次往上推，最終完成橫斷面圖。

4露天開采境界的確定和優(yōu)化

綜上所述，以露天開采境界設計廣泛采用的 原則進行為例，確定其方法和步驟為：

(1)確定露天開采深度。向長度大的露天礦，應先在各地質(zhì)橫剖面圖上初步確定開采深度，然后再用縱剖面圖調(diào)整露天礦底部標高。走向很短、深度和寬度相對較大的露天礦，必須考慮端幫擴幫的影響。在剖面圖上不能把開采深度直接確定下來，需用平面圖法計算出境界剝采比再確定露天開采深度。具體步驟是，把預計幾個可能深度的境界剝采比分別算出后，選取境界剝采比等于經(jīng)濟合理剝采比的階段做為露天采場的底，則其深度即為露天礦開采深度。

(2)確定露天礦底平面周界。露天礦底寬可能大于或小于礦體的水平厚度，但必須滿足最小寬度的要求。確定原則是，保證在全部露天開采范圍內(nèi)，礦石的回來率最高，而剝離的巖石量最少。露大礦底平面最小寬度應保證生產(chǎn)安全和采掘運輸設備的正常工作。從礦山采剝工程要求來看，它相當于開段溝的掘進寬度，取決于掘進方法及設備類型和規(guī)格，按工作安全條件要求，一般不小于20～30m。

露天礦底平面標高及端部位置確定后，即可繪制出底平面的理論周界，繪制的方法是，以地質(zhì)縱斷面圖上已調(diào)整的露天礦底部標高為準，在各地質(zhì)橫斷面圖上繪出露天采場的境界，將各地質(zhì)橫斷面圖上露天礦底平面的兩端邊界投影到該標高的分層平面圖上，連接各點，即可得出底平面的理論周界。為了便于采掘運輸，露天采礦場底平面應盡可能保持平直。因此，對彎曲處應按運輸條件的要求進行修正，使之保持一定的曲率半徑。

(3)確定邊坡結(jié)構和邊坡角。露天礦場邊坡的穩(wěn)定是保證露天礦生產(chǎn)正常進行的必要條件。邊坡穩(wěn)定性的破壞，必將造成滑坡或巖石塌落嚴重事故。正確選擇露天采場的邊坡角，是保證邊坡穩(wěn)定的首要措施。其數(shù)值大小對安全生產(chǎn)有著重大意義，而且對露天開采境界也有重大影響，故在技術條件及穩(wěn)定安全條件允許情況下，應取最大的最終邊坡角，其目的是減少剝離工程量。

確定露天礦邊坡角時，應全面考慮各種因素對邊幫穩(wěn)定的影響，如巖石物理力學性質(zhì)、地質(zhì)構造、水文地質(zhì)條件、開采技術條件、開采年限及氣候條件等。在有條件的地方，可作巖體力學性質(zhì)研究試驗，進行邊坡穩(wěn)定計算。但由于現(xiàn)有計算方法仍不很完善，目前在實踐中，大多數(shù)仍按類似礦山經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取最終邊坡角。

(4)繪制終了平面圖。露天礦開采終了平面圖，可以按下述方法進行繪制：

1)將確定的露天礦底部周界繪在透明紙上，井將其覆于地形地質(zhì)圖上，然后按照邊坡組成要素，從底部周界內(nèi)開始依次向外繪出各個臺階的坡底線。

2)在圖上布置開拓運輸線路;

3)對上述初步圈定的露天采場終了平面圖進行檢查和修改。

根據(jù)最終修定的露天采場開采終了平面圖，再投影到各橫剖面上，使各橫剖面上的境界也與平面圖上的境界基本一致。邊坡角、底部寬度及深度等因素對露天礦山最終境界的影響交大，我們可以建立動態(tài)評價的指標體系對露天開采進行建模優(yōu)化，也可以運用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，構建露天礦山穩(wěn)定邊坡角的預測模型，實現(xiàn)礦山穩(wěn)定最終邊坡角的預測。還可以運用計算機三維仿真模擬技術，實現(xiàn)露天礦山生產(chǎn)進度計劃的高效可視化編制。通過計算機仿真方法，我們可以對露天開采的境界進行進一步的優(yōu)化分析。

5總結(jié)

露天開采是用一定的采掘運輸設備在敞露的空間從事礦石開采作業(yè)。露天礦最終邊坡角、開采境界底部寬度及底部位置、開采境界深度對露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效果都有很大影響�？傊�，露天開采境界的確定，是一個復雜的任務。在設計工作中既要遵循基本原則，又要靈活地適應具體條件，使境界確定得更加合理。本文針對露天礦山境界優(yōu)化所面對的關鍵問題，在總結(jié)前人所做工作的基礎上，分析研究露天礦山開采境界的特征，在分析影響礦山穩(wěn)定最終邊坡角的主要指標基礎上，對礦山最終合理邊坡角預測;最后研究了礦山開采境界的優(yōu)化方法。