專利名稱：快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種礦產資源露天采掘工藝。
背景技術：
迄今為止，國內外礦床露天開采工藝中的廢石剝離、廢石的運輸與排放、廢石場的復墾與綠化、邊坡的維護等幾個重要環節是相對獨立的，獨立進行設計、施工與管理，指導思想是滿足上下工藝環節之間的產能要求并節約成本。
通常露天礦山開采是從一端向另一端連續推進，形成較大范圍的巖土體擾動與地面環境破壞，開采過程中形成的最終邊坡可能存在幾年甚至幾十年，需要完成大量的邊坡維護工作，耗費大量資金，還可能出現滑坡等工程地質災害，給人民的生命財產帶來損失。對于有廢石內排條件的礦山，一般都會開展廢石的坑內排放，這種排放主要是考慮節約廢石運輸成本，沒有把它與最終邊坡的及時、完全、最終的治理結合起來。如圖1所示，這是當前國內外露天礦山普遍采用的剝離廢石的坑內排放方式，它是在礦坑由一端向另一端開采推進的過程中，把工作面剝離的廢石，運到后方最終邊坡一端去排放，漸次推進，通常不考慮左右兩個最終邊坡的優先排土與護坡。
發明內容
本發明的目的在于提供一種快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝，該工藝具有運輸成本低、邊坡維護成本低、快速恢復生態環境的特點。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝，其特征在于它包括如下步驟(1)在礦體的一端或中部用常規的方法進行廢石剝離，把廢石排放到外排土場，開采剝離出的礦體，形成滿足采剝作業要求最小尺寸a的初始采剝工作面4(如圖5所示)；(2)在采剝推進方向上，把采剝范圍劃分為左幫區1、中區2和右幫區3，把每個區分為2-1000個分段，每推進100-200米為一分段，從初始采剝工作面4開始為第一分段5(如圖8所示)；(3)首先進行左幫區、右幫區第一分段的剝離與采礦，第一分段中區的采剝跟進，形成凹形；剝離的廢石在礦坑內部排放，用于露天礦后部邊坡6(包含左幫區、右幫區部分后部邊坡)的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，完成后部邊坡的永久護坡治理(如圖8所示)；(4)對于完成邊坡治理的分段，立即復墾綠化或混凝土覆蓋，恢復生態；
(5)第二步是進行左幫區、右幫區第二分段的剝離與開采，剝離的廢石用于第一分段邊坡的護坡回填，中區采剝工作面跟進，中區剝離廢石用于其后方采空區就近回填，回填到位的地段立即復墾綠化或混凝土覆蓋，恢復生態；(6)從第二步起，進入正常的生產循環，如此分段推進，直至礦山開采完畢，生態恢復也進行完畢；(7)對于從中部形成初始采剝工作面的礦山，可以形成兩個采剝工作面，采用上述工藝，反向推進。
本發明采用分段開采、排土壓坡快速治理邊坡與恢復生態相結合，具有如下優點就近排土壓坡，縮短廢石運輸距離，降低運輸成本低；最終邊坡臨空時間短，從而可加陡最終邊坡角以減少廢石剝離量；把排土壓坡作為邊坡維護的主要手段，迅速實現邊坡的永久治理，邊坡維護成本低；把露天礦大范圍的巖體開挖對地表環境的破壞，縮小為小分段的局部破壞，有利于環境保護；快速恢復生態環境。
在干旱特別是沙漠等沒有條件進行綠化的地方，把排土層壓實后，在其上部用薄層混凝土覆蓋，避免揚沙破壞環境，達到固沙的效果，其效果顯然優于地下開采引起的地表破壞與沉陷狀態下的固沙效果。治理方法有如公路對裸露巖石邊坡的治理。該工藝適用于各種地區，特別是干旱、沙漠、高寒等生態脆弱地區礦床的環保開采。
圖1為現有的露天礦剝離廢石的坑內排放示意圖，圖中箭頭表示推進方向。
圖2為露天礦剝離廢石的排土護坡與復墾生態恢復示意圖，它表示了本發明工藝的總體狀況，該圖表示露天礦由南向北推進，分段開挖、排土護坡與復墾的情況；圖中箭頭表示推進方向。
圖3是圖2沿A-A線剖視圖。
圖4是圖2沿B-B線剖視圖。
圖5為露天礦初始采剝工作面示意圖，通過剝離廢石的外排與采礦，形成初始采剝工作面。
圖6是圖5沿C-C線剖視圖。
圖7是圖5沿D-D線剖視圖。
圖8為左幫區、右幫區第一分段的剝離與采礦示意圖，該分段剝離的廢石在礦坑內部排放，用于露天礦后部邊坡及左幫區、右幫區部分邊坡的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，完成后部邊坡的永久護坡治理與復墾綠化。
第二分段以后的采剝、邊坡治理與復墾綠化進入正規循環，見圖2。
圖9是圖8沿E-E線剖視圖。
圖10是圖8沿F-F線剖視圖。
圖中1-左幫區，2-中區，3-右幫區，4-初始采剝工作面，5-第一分段，6-露天礦后部邊坡，7-綠化物(如樹或草)，a-采剝作業要求最小尺寸。
具體實施例方式
如圖2、圖3、圖4所示，快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝，它包括如下步驟(1)在礦體的一端或中部用常規的方法進行廢石剝離，把廢石排放到外排土場，開采剝離出的礦體，形成滿足采剝作業要求最小尺寸a(一般為50-100米)的初始采剝工作面4(如圖5、圖6、圖7所示)；(2)在采剝推進方向上，把采剝范圍劃分為左幫區1、中區2和右幫區3(如圖8所示)，在滿足采剝作業要求最小尺寸的條件下，把每個區分為2-1000個分段，如圖8所示，每推進100-200米為一分段，從初始采剝工作面4開始為第一分段5；(3)首先進行左幫區、右幫區第一分段的剝離與采礦，第一分段中區的采剝跟進，形成凹形；剝離的廢石在礦坑內部排放，用于露天礦后部邊坡6(如圖8所示，包含左幫區、右幫區部分后部邊坡)的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，完成后部邊坡的永久護坡治理；(4)對于完成邊坡治理的分段，立即復墾綠化(如圖9、圖10所示，種上綠化物7)或混凝土覆蓋，恢復生態；(5)第二步是進行左幫區、右幫區第二分段的剝離與開采，剝離的廢石用于第一分段邊坡的護坡回填，中區采剝工作面跟進，中區剝離廢石用于其后方采空區就近回填，回填到位的地段立即復墾綠化或混凝土覆蓋，恢復生態；(6)從第二步起，進入正常的生產循環，如此分段推進，直至礦山開采完畢，生態恢復也進行完畢；(7)對于從中部形成初始采剝工作面的礦山，可以形成兩個采剝工作面，采用上述工藝，反向推進。
本發明的主要理論依據(1)巖石力學邊坡治理壓腳理論的發展在巖石力學與工程上，人們常把病害邊坡的主要治理方法歸結為“削頂、加固、壓腳”，這是指在穩定性不能滿足安全要求的邊坡的上部進行巖土開挖，把開挖的巖土運走，從而削減邊坡上部的負荷，稱為削頂；在邊坡的中部采用合適的手段如錨桿、錨索或抗滑樁進行加固；在邊坡的下部排放巖土壓住坡腳，增加抗滑力。它們是當前綜合治理邊坡、避免滑塌的最有效的措施與方法。
本項發明是把巖石力學關于治理邊坡三大主要技術措施之一的“壓腳”往上發展，即不但壓腳，還逐漸“壓腰”、“壓胸”，甚至“壓臉”，用剝離或井下掘進產出的廢石與表土，全面壓住高陡的最終邊坡，使之形成穩定的緩坡，消除最終邊坡滑塌的安全隱患。
(2)盡快恢復生態環境最終邊坡分段快速開挖、快速回填、快速植草造林，可以有計劃地盡快恢復生態環境，避免傳統開采方法使開挖后的土巖長期裸露、失去植被覆蓋破壞環境，把礦山開采對環境的影響降到最小。采用復墾技術，對回填的土巖進行土壤改良，盡快種植適于該地的優良草木，恢復原有的生態環境，甚至使恢復的環境優于原有的環境。
在干旱特別是沙漠等沒有條件進行綠化的地方，把排土層壓實后，在其上部用薄層混凝土覆蓋，避免揚沙破壞環境，達到固沙的效果，其效果顯然優于地下開采引起的地表破壞與沉陷狀態下的固沙效果。治理方法有如公路對裸露巖石邊坡的治理。
(3)節約運輸費用與減少坑外排土場地的占用露天開采剝離的廢石量通常比采出礦石量大幾倍甚至十幾倍，在生產成本中占有重要比重。在適宜的條件下進行廢石的坑內排放，可以減少廢石運距，節約坑外排土場的占用，節約排土場用地，節約排土場的維護費用。現有露天礦傳統采用的剝離廢石坑內排放方法是在礦床由一端向另一端開采推進過程中，把前端工作面剝離的巖土運到露天坑后端排棄，依然有數百公尺甚至數千公尺的運輸距離。
本發明是有計劃地、盡快地把露天礦后端與左右兩側的最終邊坡開辟為最近的內排土場，采用就近剝離的巖土對新開挖的露天最終邊坡進行回填，運輸距離通常只有幾十米到幾百米，可以大大縮短廢石的運距；運用礦山工業工程、礦山系統工程與物流工程的理論，對礦山剝離廢石的運輸進行優化，使巖土的運輸功最小，大大降低它的運輸費用。
本發明的有益效果(1)縮短巖土排放的運輸距離一個大型礦山的年廢石運輸量可達數千萬噸，運輸費用可達數億元；本發明即使縮短運距幾分之一，也可達數千萬元。
(2)縮短最終邊坡臨空的時間加陡邊坡角我國露天礦的最終邊坡角普遍趨于保守，專家認為，與國外大型礦山相比，我國大型露天礦的邊坡角普遍緩5°左右，而一個年產300～1000萬噸的礦山，邊坡角每提高1°，就可減少剝離量0.5～1.5億噸，節約投資1～3億元(蔡美峰中國金屬礦山20世紀的發展前景評述，中國礦業，2001(1)11～13)。
本發明可將傳統的露天礦最終邊坡從臨空數年到一、二十年，縮短到幾個月到一、二年，從而可把露天礦的最終邊坡角提高5～8°，節省露天礦巨大的廢石剝離費用。
(3)節約大量邊坡維護與治理費用由于用簡便的方法迅速實現最終邊坡的永久性治理，可以節約大量邊坡的維護與治理費用。以平朔煤炭工業公司安家嶺露天礦北部最終邊坡為例，2005年采取“削頂”減荷的方法治理滑塌邊坡，搬走邊坡上部黃土60萬立方米，花費350萬元，使邊坡暫時處于穩定狀態，但未從根本上解決該邊坡的穩定性問題。顯然，排土壓住該邊坡后，就無需再對它進行治理了。
(4)節約坑外排土場占地與排土場維護費用由于提前進行剝離巖土的內排，加大內排的巖土總量，可以節約坑外排土場占地與排土場維護費用。
(5)廢石壓坡內排有利于改善地下開采巖體的穩定性本發明對于露天坑的廢石回填，可以使邊坡表面巖體處于三向受力狀態，并使地下開采掘進與生產爆破產生的地震波傳遞到邊坡巖體表面時，部分地震波可以入射進入充填廢石內傳播而耗散，減少了折射的地震波所形成的拉應力的數值及其對邊坡巖體可能產生的破壞，有利于地下巖體工程的穩定，減少了地下開采的巷道維護費用，減少了邊坡滑塌與地下巷道垮塌事故的發生概率。
(6)快速恢復生態環境從礦段的開挖、回填到植樹造林，周期只有幾個月到一、二年，可以把把最終邊坡巖土和排土場的裸露時期縮短到幾分之一，大大消除了礦山開采對環境的負面影響，有利于礦業的可持續發展。
權利要求
1.快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝，其特征在于它包括如下步驟(1)在礦體的一端或中部用常規的方法進行廢石剝離，把廢石排放到外排土場，開采剝離出的礦體，形成滿足采剝作業要求最小尺寸a的初始采剝工作面4；(2)在采剝推進方向上，把采剝范圍劃分為左幫區1、中區2和右幫區3，把每個區分為2-1000個分段，每推進100-200米為一分段，從初始采剝工作面4開始為第一分段5；(3)首先進行左幫區、右幫區第一分段的剝離與采礦，第一分段中區的采剝跟進，形成凹形；剝離的廢石在礦坑內部排放，用于露天礦后部邊坡6的壓坡，從坡腳一直壓到坡頂，完成后部邊坡的永久護坡治理；(4)對于完成邊坡治理的分段，立即復墾綠化或混凝土覆蓋，恢復生態；(5)第二步是進行左幫區、右幫區第二分段的剝離與開采，剝離的廢石用于第一分段邊坡的護坡回填，中區采剝工作面跟進，中區剝離廢石用于其后方采空區就近回填，回填到位的地段立即復墾綠化或混凝土覆蓋，恢復生態；(6)從第二步起，進入正常的生產循環，如此分段推進，直至礦山開采完畢，生態恢復也進行完畢；(7)對于從中部形成初始采剝工作面的礦山，可以形成兩個采剝工作面，采用上述工藝，反向推進。
全文摘要
本發明涉及一種礦產資源露天采掘工藝。快速排土護坡與生態恢復的露天礦開采工藝，其特征在于，在露天礦的一端或中部用常規的方法，一旦完成初始采剝工作面的剝離和采礦后，在礦床開采的方向上，將開采工作面劃分為左幫區、中區與右幫區，并進一步將它們劃分為若干較小的分段，以分段為單位，漸進開展剝離、采礦、壓坡回填、復墾綠化或混凝土覆蓋，以剝離廢石就近排土壓坡作為最主要的邊坡永久治理方法，迅速恢復生態。該工藝具有運輸成本低、邊坡維護成本低、快速恢復生態環境的特點。該工藝適用于各種地區，特別是干旱、沙漠、高寒等生態脆弱地區礦床的環保開采。
文檔編號E21C47/00GK1888391SQ20061001970
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月25日 優先權日2006年7月25日
發明者張世雄, 王官寶, 任高峰 申請人:武漢理工大學