采矿概论讲义1采矿基本知识1.1什么是采矿矿产资源埋藏在地下，要转化为国民经济所需要的原料产品，必须通过一定的技术和手段，将其开发出来。
采矿是从地壳中将矿产资源开采出来并运输到加工地点或使用地点的行为、过程或工作（oremining）。
1.2开采方式矿床开采可分为露天开采和地下开采两种方式。
埋藏浅的厚大矿体多采用露天开采，埋藏深、厚度小的矿体多采用地下开采。
介于两者之间的矿体，则需要进行技术经济方案比较后才能确定用露天开采或地下开采，或上部用露天开采，下部用地下开采。
1.3基本概念1.3.1矿石、矿体、矿床凡是地壳中的矿物集合体，在当前技术经济水平条件下，能以工业规模从中提取国民经济所必须的金属或矿物产品的，称为矿石。
以矿石为主体的聚集体叫矿体。
矿床是矿体的总称。
一个矿床可由一个矿体或若干个矿体所组成。
1.3.2围岩、废石矿体周围的岩石称围岩。
根据围岩与矿体的相对位置，有上盘与下盘围岩和顶板与底板围岩之分。
凡位于倾斜至急倾斜矿体上方和下方的围岩，分别称之为上盘围岩和下盘围岩；凡位于水平或缓倾斜矿体顶部和底部的围岩，分别称之为顶板围岩和底板围岩。
矿体周围的岩石，以及夹在矿体中的岩石（称之为夹石），不含有用成分或有用成分含量过少当前不具备开采条件的，统称为废石。
1.3.3品位、边界品位、最低工业品位品位是指矿石中有用成分的含量，一般用重量百分数（%）表示，贵重金属则用g/t表示。
边界品位是划分矿石与废石的有用组分最低含量标准。
对不同种类的矿床，许多国家都有统一规定的边界品位。
最低工业品位简称工业品位，是指在当前技术经济条件下，矿物原来的采收价值等于全部成本，即采矿利润率为零时的品位。
有开采利用价值的矿产资源，其品位必须高于边界品位和最低工业品位。
1.4矿岩力学性质硬度、坚固性、稳固性、结块性、氧化性、自然性、含水性、碎涨性是矿石和围岩的主要物理力学性质，对矿床的开采方法有较大的影响。
1.5金属矿床的埋藏要素1.5.1埋藏深度和延伸深度矿体的的埋藏深度是从地表至矿体上部边界的垂直距离，而延伸深度是指矿体上下边界之间的垂直距离（图1-1）。
1—地表；2—矿体；H1—埋藏深度；H2—延伸深度图1-1矿体的埋藏深度和延伸深度1.5.2矿体形状由于成矿环境和成矿作用的不同，矿体形状千差万别，主要有层状、脉状、块状、透镜状、网状、巢状等（图1-2）。
1.5.4矿体厚度矿体厚度是指矿体上下盘之间的垂直距离或水平距离，前者称为垂直厚度或真厚度，后者称为水平厚度。
除急倾斜矿体常用水平厚度来表示外，其它矿体多用垂直厚度。
由于矿体形状不规则，因此厚度又有最大厚度、最小厚度和平均厚度之分。
垂直厚度与水平厚度和矿体倾角有如下关系（图1-3）：α=（1-2）HHsinvl式中：Hv—矿体垂直厚度；Hl—矿体水平厚度；α—矿体倾角。
矿体按厚度可分为5类：①极薄矿体：矿体平均厚度小于0.8m；②薄矿体：矿体厚度为0.8~2.0m；③中厚矿体：矿体厚度为2.0~5.0m；④厚矿体：矿体厚度为5.0~20.0m；⑤极厚矿体：矿体厚度大于20.0m。
1.6金属矿床开发的基本要求与其他行业相比，采矿作业环境和劳动条件相对较差。
故矿床开采过程中应注意以下要求：（1）要确保开采工作的安全，并具有良好的劳动条件。
（2）要符合环境保护法的要求，减少对环境的破坏。
（3）要高效可持续发展。
矿山生产能力是矿床开发的重要技术经济指标之一，决定着矿山企业的基建工程、基建投资、主要设备类型和数量、技术建筑物和其它建筑物的规模与类型、辅助车间和选冶车间的规模、人员数量和配置等。
1.6.2矿石损失率、贫化率矿床开采过程中由于各种因素（如地质构造、开采技术条件、采矿方法及生产管理等）的综合影响难免会造成部分工业矿石的丢失。
采矿过程中损失的矿石量与计算范围内工业矿石量的百分比称为矿石损失率，而实际采出并进入选矿流程的矿石量与计算范围内工业矿石量的百分比则称为矿石回收率。
由于采矿、运输过程中，围岩和夹石的混入或富矿的丢失，使采出矿石品位低于计算范围内工业矿石品位的现象称为矿石贫化，工业矿石品位降低的百分数成为矿石贫化率。
2露天开采2.1露天开采的定义所谓露天开采就是从地面开掘露天坑道，将有益物采出。
开采方法包括：人工开采、机械开采、水力开采和特殊开采（如采金船等）。
2.2露天开采的优缺点世界上有2/3的矿山采用露天开采。
与地下开采相比，露天开采具有以下优点：（1）建成投产的速度快，基建投资低。
（2）适合使用大型、高效率机械设备，劳动生产率高，一般为地下的3-5倍。
（3）生产成本低，一般为地下开采成本的1/2。
（4）矿石的损失、贫化小，能更充分地回收地下资源。
露天开采损失率为3-5%，废石混入率<5-10%；地下开采损失率15-25%,废石混入率3-15%。
（5）对高温易燃（高硫矿床、高磷矿床矿床等），比地下开采安全可靠。
（6）作业条件好，生产安全可靠。
缺点：（1）在开采过程中，穿爆，采装，汽车运输，卸载，排土时粉尘大，汽车废气污染，排弃的矿岩中的有害成分，污染，农田河流等，这些比地下开采危害大些。
（2）露采剥岩量很大，设专门的排土场，占用大片土地。
（3）气候条件对开采的影响较大。
尽管露天开采优越性很多，由于矿床的赋存条件非常复杂，因此有些矿体，用露天开采在技术，经济上就不合算，而用地下开采却很合算，所以一个矿床用那种方式开采要用技术经济评价对比后方能确定。
2.3名词术语2.3.1境界露天矿开采终了时或某一时期形成的露天矿场。
2.3.2台阶、采掘带露天开采时，通常是把矿岩划分成一定厚度的水平分层，自上而下逐层开采，并保持一定的超前关系，在开采过程中各工作水平在空间上构成了阶梯状，每个阶梯就是一个台阶。
台阶是露天矿场的基本构成要素之一，是进行独立剥离岩石和采矿作业的单元体。
台阶构成要素如图2-1所示。
图10-2台阶构成要素1—台阶上部平盘；2—台阶下部平盘；3—台阶坡面；4—台阶坡顶线；5—台阶坡底线；h—台阶高度；—台阶坡面角台阶的命名，通常是以该台阶的下部平盘的标高（如+248m）表示，故常把台阶称作某某水平（如+248水平），如图2-3所示。
开采时，将工作台阶划分成若干个条带逐条顺次开采，每一条带叫做采掘带。
图10-3台阶的开采和命名2.3.3非工作帮、工作帮、最终边帮等由结束开采工作的台阶平台、坡面和出入沟底组成的露天矿场的四周表面称为露天矿场的非工作帮或最终边帮（图2-4中的AC、BF）。
位于矿体下盘一侧的边帮叫做底帮，位于矿体上盘一侧的边帮叫做顶帮，位于矿体走向两端的边帮叫做端帮。
正在进行开采和将要进行开采的台阶所组成的边帮叫做露天矿场的工作帮（图2-4中的DF）。
工作帮的位置是不固定的，随开采工作的进行而不断改变。
通过非工作帮最上一个台阶的坡顶线和最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面，叫做露天矿场的非工作帮坡面或最终帮坡面（图2-4中的AG、BH）。
最终帮坡面与水平面的夹角叫做最终帮坡角或最终边坡角（图2-4中的β、γ）。
最终帮坡面与地表交线，为露天矿场的上部最终境界线（图2-4中的A、B）。
最终帮坡面与露天矿场底平面的交线，为露天矿场的下部最终境界线（图2-4中的G、H）。
上部最终境界线所在水平与下部最终境界线所在水平的垂直距离，为露天矿场的最终深度。
图10-4露天矿场构成要素通过工作帮最上一个台阶的坡顶线和最下一个台阶的坡底线所作的假想斜面，叫做作帮坡面（图2-4中的DE）。
工作帮坡面与水平面的夹角叫做工作帮坡角（图10-4中的）。
工作帮的水平部分叫做工作平盘（图10-4中的1），即工作台阶要素中的上部平盘和下部平盘，穿爆、采装和运输工作即在工作平盘上进行。
非工作帮上的平台，按其用途可分为安全平台、运输平台和清扫平台。
安全平台（图10-4中的2）是缓冲和阻截滑落岩石，减缓边坡角以保证最终边坡稳定和下部水平工作安全的非工作平台。
运输平台（图10-4中的3）是作为工作台阶与出入沟之间运输联系的通路，其宽度依所采用的运输方式和线路数目来确定。
清扫平台（图10-4中的4）是用于阻截滑落岩石并用清扫设备进行清理的非工作平台，它同时也起到安全平台的作用。
2.3.4剥采比在露天矿，为了采出矿石，一般需要剥离一定数量的岩石，剥离岩石量与采出矿石量之比，即每采出单位矿石所需剥离的岩石量，称作剥采比，单位可采用m3/m3、m3/t或t/t）。
2.3.5堑沟2.4露天开采的一般程序露天矿开采一般需要经过地面准备、矿床疏干和防排水、矿山基建、矿山生产和地表恢复等步骤。
2.4.1地面准备地面准备，是指排除开采范围内和建立地面设施地点的各种障碍物，如征地拆迁、砍伐树木、河流改造、湖泊疏干、七通一平（通上水、通下水、通电、通讯、通气、通热、通路，平整地面）等。
2.4.2矿床疏干和防排水在开采地下水很大的矿床时，为保证露天矿正常生产，必须预先排除一定开采范围内的地下水，即进行疏干工作，并采取截流等办法隔绝地表水的流入。
矿床的疏干排水不是一次完成的，而是贯穿于露天矿整个生产周期。
2.4.3矿山基建矿山基建工作是露天矿投产前为保证生产所必需的建设工程，包括掘进出入沟和开段沟、剥离岩石、铺设运输线路、建设排土场、购置必要的生产和生活设施以及修建工业厂房和水电等福利设施。
其中的出入沟是为建立地表与工作水平之间、以及各工作水平之间的联系，而在台阶边帮上挖掘的倾斜运输通路；开段沟是在每个水平为开辟开采工作线而掘进的水平沟道。
现状矿山生产是投入人力、物力和财力进行矿石回采工作的过程，包括掘沟、剥离和采矿三个露天矿生产中最重要的工程，其主要工艺过程基本相同，一般都包括穿孔、爆破、采装、运输、排土等工序。
2.4.5地表恢复随着矿山开采的终了，占地面积也达到最大，为了保护环境，促进生态平衡，必须进行必要的生态恢复工作，如复土造田，绿化祼露的场地，处理排水场渗水，露天采场的安全等。
2.5露天矿生产工艺过程露天矿主要生产工艺过程包括穿孔、爆破、采装、运输、排土等工序。
防排水、通风（深部露天矿）等辅助工序也是在各个主要生产工艺过程中需要考虑的问题。
2.5.1穿孔工作穿孔工作是金属矿床露天开采的第一道工序，它的工作好坏，对爆破、采装等项工作有很大影响。
露天矿穿孔设备包括牙轮钻机、潜孔钻机、火钻、凿岩台车、钢绳冲击钻机等，当前大中型露天矿山最常用的穿孔设备是牙轮钻机和潜孔钻机。
1)牙轮钻机牙轮钻机（图12-1）是20世纪50年代中期兴起的一种新型穿孔设备，随着牙轮钻机和钻头的日益完善，它已成为露天矿，尤其是大中型露天矿应用最广泛的穿孔设备，加拿大、美国等采矿技术发达国家的大型露天矿，几乎全部采用这种高效率穿孔设备。
图12-1I-R公司的351牙轮钻机露天矿用牙轮钻机是采用电力或内燃驱动，履带行走、顶部回转、连续加压、压缩空气排渣、装备干式或湿式除尘系统，以牙轮钻头为凿岩工具的自行式钻机。
优点：钻孔效率高，生产能力大，作业成本低，机械化、自动化程度高，是当今世界露天矿广泛使用的最先进的钻孔设备。
缺点：设备价格贵、重量大，初期投资大，要求有较高管理水平和维护能力。
在现用的炮孔直径范围内，直径越大，装药量就越大。
孔网尺寸增大了，每米炮孔的爆破量就增加，钻头消耗减少了，钻孔成本则明显下降。
这一发展趋势也反映了大孔径可以获得较好的经济指标。
牙轮钻机实际上也属于回转式钻机，它借助镶齿的钻头（图12-2），在数十吨重的压力下快速回转，使钻头上的轮齿压入孔底岩石中，并在钻具回转扭矩和牙轮滚动作用下，挤压、切削岩石进行钻孔。
由于钻机轴压大，而钻头的支持面积很小，因此，对岩石单位面积的压力就很大。
通过钻头3个轮齿密布的牙轮进行连续切削，故能获得相当高的钻孔速度。
图12-2牙轮钻头牙轮钻机按其钻孔工艺，必须完成钻具回转、钻具加压和提升、用压缩空气吹排孔底岩屑、收集和捕捉由孔底排出的烟尘、接卸钻杆、移车和稳车等工序和操作。
为此，牙轮钻机相应地设有钻具回转机构、加压提升机构、压风机、捕尘器、接卸钻杆机构、稳车液压千斤顶、行走机构和控制部分。
选用牙轮钻机要考虑的主要参数有钻孔直径、轴压和钻头转速。
（1）钻孔直径孔径大，孔网参数也大，钻头消耗和穿孔成本会明显下降；但崩落矿岩块度也相应增大，影响后续铲装、运输效率。
此外，超大孔径爆破的地震效应也会很强，可能危及边坡稳定。
因此，选择孔径要综合考虑各项因素。
（2）轴压轴压是钻齿压入岩石形成破碎坑的动力源。
一般情况是轴压越大，钻进速度也越快。
但当三牙轮钻头的钻牙完全沉入岩石中时，钻进速度不会随轴压的增大而进一步增加，相反会增大扭矩的需求和增大钻齿的磨损速度。
（3）钻头转速实践表明牙轮钻机的穿孔速度与钻头转速和轴压成正比关系，但与轴压一样，穿孔速度与钻头转速的正比关系也不是无极限。
2）潜孔钻机潜孔钻机也是20世纪50年代兴起的一种新型穿孔设备，在60年代率先取代了笨重的钢绳冲进钻机而居首位。
以后，由于牙轮钻机的发展而退居次席。
总的来说，潜孔钻机不如牙轮钻机，但前者也有一些独特的优点，如：（1）孔径小（直径150~200mm），能钻凿斜孔，爆破矿岩块度小，便于采用小型挖掘机采装；（2）设备简单，易于制造；（3）设备较稳定，穿孔效率较高，台月进尺约2000m，台年穿爆矿岩量约60~150万t。
上述优点，使潜孔钻机特别适用于中小型露天矿山，在我国应用广泛。
潜孔钻机是一种回转冲击钻机，由钻具组、回转机构、推进提升机构、压风和除尘系统、电器系统、钻架及起落机构、钻具的存放和接卸机构、行走机构、司机室和操作控制系统等部分组成（图12-3）。
钻孔时，气动冲击器潜入孔底，破坏孔底岩石，完成钻孔过程。
图12-3潜孔钻机2.5.2爆破工作爆破是在穿孔工作完成后，往钻孔内装填炸药，借助炸药爆破时产生的能力崩落矿岩的过程。
爆破质量的好坏，直接影响着后续采装工作的进行，并间接影响露天矿其它生产环节。
因此，对爆破工作提出了多方面的要求，如为保证采掘设备的持续生产，要有足够的爆破储备量；爆破矿岩块度要小、爆堆要集中；没有超爆、欠爆现象，不允许出现根底、岩伞等凹凸不平现象，也要尽可能防止由于爆破反作用而对上部台阶造成的龟裂想象（称为后冲作用），如图12-4所示；对边坡及附近建筑物产生的影响要小等。
图12-4露天矿爆破的弊病1—岩伞；2—龟裂；3—根底1）爆破参数为了获得良好的爆破效果，应合理地确定爆破参数，包括孔径、底盘抵抗线、孔距、排距、钻孔超深、填塞长度及单位炸药消耗量等（图12-5）。
图12-5钻孔布置及爆破参数（1）孔径炮孔的直径d愈大，单位炮孔长度所包含的药量就愈大，钻凿的炮孔数减少。
在生产实际中，炮孔的直径主要由凿岩设备而定。
采用露天简易潜孔钻凿岩时，孔径90~100mm，潜孔钻孔径150~200mm，牙轮钻多取250~310mm。
（2）底盘抵抗线底盘抵抗线（WD）是指钻孔中心到台阶坡底线的水平距离。
垂直钻孔，底盘抵抗线较大，爆破时底部岩体阻力大，残留根底的可能性较大；倾斜孔则相反。
（3）孔距和排距孔距（a）是每排钻孔内相邻两钻孔中心线之间的距离；排距（b）是多排孔爆破时，钻孔排间距离。
孔距等于炮孔密集系数m与底盘抵抗线WD的乘积，一般认为炮孔密集系数m应在0.8~1.4之间，近年来的宽孔距爆破试验证明，减小底盘抵抗线和加大孔距（小抵线宽孔距爆破），尽管每炮孔负担面积保持不变，却可显著地改善岩石的爆破质量。
排距取值同于底盘抵抗线。
（4）钻孔超深钻孔超深（hc）是钻孔超出台阶高度的那一段深度。
其作用是降低装药中心，克服底盘岩体的阻力，减少根底的产生。
超深可根据底盘抵抗线WD来确定：h＝(0.15~0.35)WD（12-2）当岩石松软、层理发育时取小值，反之取大值。
（5）填塞长度填塞长度（LT）是钻孔上段填塞物（俗称炮泥）的长度。
其作用是为了较充分地利用炸药的爆炸能，使矿岩得到良好的破碎效果。
一般取孔径的12~30倍。
单位炸药消耗量是重要的技术经济指标，它不仅反映爆破参数选择的优劣，而且直接影响爆破成本。
在多排爆破时，后排孔的单孔药量取为第一排孔的1.1~1.3倍，微差爆破取小值，齐发爆破取大值。
2）爆破技术露天爆破可采用齐发爆破，也可采用微差爆破、挤压爆破、光面爆破和预裂爆破等控制爆破技术。
3）布孔及起爆形式布孔可分为垂直深孔和倾斜深孔两种，从台阶爆破效果和作业安全来看，倾斜孔优于垂直孔。
炮孔排列形式有三角形、正方形和矩形三种形式。
按不同起爆顺序及爆破效果和环境限制等，炮孔的起爆形式可有多种（图12-6）。
最简单的起爆形式是逐排起爆，其特点是要求雷管段数少，但每排同段药量过大，容易造成爆破地震灾害；斜线起爆方式向自由面抛掷作用较小，有利于横向挤压，在雷管段数允许或非电起爆无级延时的条件下，有利于实现大孔距小抵抗线爆破；V型起爆、梯形起爆以及波浪形起爆，是综合斜线起爆和逐排起爆的特点，取长补短的结果。
图12-6台阶爆破的起爆方式2.5.3采装现代化露天矿山的采装工作，是指用采掘设备将矿岩从整体母岩或松散爆堆中采集出来，并装入运输容器或直接卸到一定地点的工作。
采装工作是露天矿开采全部生产过程的中心环节。
采装工艺及其生产能力在很大程度上决定着露天矿开采方式、技术面貌、矿床的开采强度和最终的经济效果。
采装工作的主要设备是各种挖掘机和土方工程机械。
挖掘机分单斗和多斗ⅥⅦ两大类，目前国内外的金属露天矿最广泛应用的是单斗挖掘机，并以电铲为主。
2.5.3.1单斗挖掘机采装单斗挖掘机使用一个铲斗进行周期性作业的挖掘机械。
铲斗以挖掘、回转、卸料、返回为一个周期循环挖掘物料。
单斗挖掘机主要用于挖掘基坑、疏浚河道、剥离表土和采掘矿石等作业。
工作时机器不走动，机器在停机处将所能挖到的物料挖完后移动一段距离，在新的位置重新挖掘（图12-7）。
图12-7电铲在向汽车装载单斗挖掘机是露天矿山最主要的挖掘机械，类型很多。
根据其工作装置的联结方式不同，分为正铲、反铲、刨铲、拉铲和抓铲5种；按行走方式分为履带式和轮胎式两类；按传动方式有机械传动（机械铲）和液压传动（液压铲）两种；按动力装置分为电动机驱动（电铲）、柴油机驱动（柴油铲）和蒸汽机驱动（蒸汽铲）3类。
目前露天矿山大多采用电动机驱动、机械传动的正向铲，简称电铲。
1）电铲工作原理电铲主要组成部分包括工作装置、回转装置、行走装置、动力设备及机房等。
其中工作装置包括铲斗、斗柄、开斗底装置、悬臂、悬挂悬臂的钢丝绳、双脚架及提升钢丝绳等。
铲斗和斗柄刚性联结，当斗柄由推压机构的作用把铲斗伸出的同时，提升钢丝绳在提升机构作用下把铲斗提起，通过伸出铲斗和提升铲斗的密切配合，即可把矿岩装入铲斗内。
由于悬臂是固定在挖掘机回转平台上的，而回转平台又是活套在挖掘机底座的中心轴上。
在回转装置作用下，悬臂、斗柄和铲斗随着回转平台旋转到任何一个需要卸载的方位，使铲斗对准运输容器或卸载点，启动开斗底装置将斗门打开进行卸载。
电铲一般用履带行走。
2）电铲主要工作参数电铲主要工作参数包括挖掘半径、挖掘高度、卸载半径、卸载高度和下挖深度（图12-8）。