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。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安全與經濟效果都有很大影響。本文在總結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化提供了理論依據。

關鍵詞：露天開采;開采境界;開采方法;境界優化

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。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，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量。

(2)勞動生產率高。

(3)開采成本低，使大規模開采低品位礦石成為可能

(4)礦石損失貧化小，有利于地下礦產資源的回收。

(5)基建時間短，年產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田且局部惡化生態環境。

(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，也是礦床經濟、安全、高效開發的前提。長期以來，各國礦業領域專家學者對開采境界優化問題做了持續的研究和探索，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巖體、無序的品位分布以及多變的經濟參數等一系列非線性動態問題，最優境界的確定顯得尤其困難。本文針對露天礦山境界優化所面對的關鍵問題，在總結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特征，在分析影響礦山穩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，實質上是對剝采比的大小加以控制，使之不超過經濟合理剝采比。

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濟合理剝采比的設計準則。該原則的實質是，露天開采境界向下延深時，控制露采的邊際經濟效益不劣于地采經濟效益。對于覆蓋層不大的連續礦體，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濟效果最優這一背景，加之計算及操作簡單易行，目前國內外手工設計普遍運用 ≤ 準則來圈定露天開采境界。雖然國內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的礦體，這一準則不適用。因此該準則只是最優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濟合理剝采比的設計準則;

這一設計準則的實質是，露天開采境界向下延深時，控制露天開采的總體經濟效益不劣于地下開采。平均剝采比不大于經濟合理剝采比設計準則的技術經濟目標是：在滿足露采總體經濟效果不劣于地采的條件下，使劃歸露天開采境界內的礦石儲量最大。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的礦體，按 ≤ 準則圈出開采境界之后，還要核算該境界內的平均剝采比，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)生產剝采比不大于經濟合理剝采比的設計準則 。

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

按生產剝采比不大于經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構

露天礦最終邊坡角對露天礦的生產安全與經濟效果都有很大影響。從經濟效果來考慮，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，嚴重影響礦山安全生產。因此，露天礦的最終邊坡角，要同時滿足安全穩定條件和開采技術條件的雙重要求。

安全穩定條件是指根據邊坡巖體的性質，通過穩定性分析計算，確定能保證邊坡穩定的最終邊坡傾角。在境界設計階段，一般是參照類似礦山實踐資料選取穩定的邊坡角，并用已有資料對其穩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的要求，一般不應小于開段溝的底寬，其最小寬度根據采裝、運輸設備規格及線路布置的有關計算結果來確定。

(2) 底部位置與相似形開采境界(特征和性質)

確定境界底部位置的基本準則是使境界內平均剝采比最小。有時須根據礦巖的物理力學性質調整露天礦底的位置，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：當礦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;當礦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、采出礦石質量最好等于經濟效益最大的原則。

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底部位置，確切地說是境界底寬為零時的最優底部位置。

3.3 開采境界深度

露天開采境界的設計準則實質上是確定露天礦開采深度的理論依據。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) 地質橫斷面圖上初步擬定開采深度

在地質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) 地質橫斷面圖上調整開采境界底部標高，調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分層平面圖;

3、將各斷面圖上的露天礦底部位置(底部兩側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，應先在各地質橫剖面圖上初步確定開采深度，然后再用縱剖面圖調整露天礦底部標高。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，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，以地質縱斷面圖上已調整的露天礦底部標高為準，在各地質橫斷面圖上繪出露天采場的境界，將各地質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)確定邊坡結構和邊坡角。露天礦場邊坡的穩定是保證露天礦生產正常進行的必要條件。邊坡穩定性的破壞，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，是保證邊坡穩定的首要措施。其數值大小對安全生產有著重大意義，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定的影響，如巖石物理力學性質、地質構造、水文地質條件、開采技術條件、開采年限及氣候條件等。在有條件的地方，可作巖體力學性質研究試驗，進行邊坡穩定計算。但由于現有計算方法仍不很完善，目前在實踐中，大多數仍按類似礦山經驗數據選取最終邊坡角。

(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圖上，然后按照邊坡組成要素，從底部周界內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，我們可以建立動態評價的指標體系對露天開采進行建模優化，也可以運用改進的BP神經網絡算法，構建露天礦山穩定邊坡角的預測模型，實現礦山穩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，實現露天礦山生產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化分析。

5總結

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。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安全與經濟效果都有很大影響。總之，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化所面對的關鍵問題，在總結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化方法。