露天矿山开采道路布置方式优化研究

一、引言

在露天矿山开采行业中，道路布置是影响开采效率、成本和安全的关键因素。随着资源开采向深部发展，山坡露天开采逐渐向凹陷露天开采转变，如何优化道路布置成为行业面临的重要课题。吴随矿业花岗岩开采项目位于随州市吴山镇汪家寨，拥有丰富的花岗岩资源，分三个采区。目前虽处于山坡露天开采阶段，但二采区随着开采深度增加可能转向凹陷露天开采。合理的道路布置对该项目提高开采效率、保障运输安全、降低生产成本至关重要，本研究成果也期望为同类矿山提供借鉴。

二、矿山地质与开采条件

（一）地质条件

矿区位于云浮盆地西部边缘的构造侵蚀剥蚀中低山地貌区，地势东北高西南低，中间凹下形成“V”型坑谷，坡度一般为 15^∘ ° ～45^∘ ，局部较陡。褶皱构造较发育，主要由震旦系变质岩系组成。矿区岩土体分为松软土体工程地质岩组、半坚硬工程地质岩组和坚硬工程地质岩组。

（二）水文地质条件

矿区地下水主要为第四系孔隙含水层和花岗岩风化裂隙含水层，富水性弱。矿坑主要充水水源为大气降水，目前采用自然排水疏干，未来将利用人工排水及运输通道进行疏干排水。

（三）开采方式与规模

矿山采用露天开采方式，设计利用的饰面用花岗岩矿石量为 16139.5 万立方米、上部风化层 6879.1 万立方米。根据分台阶圈定，设计损失量为饰面用花岗岩矿石量2847 万立方米、上部风化层 97.6 万立方米。设计回采率为 95% ，生产服务年限为 30.6 年。采用机械切割而非爆破的开采方式，减少了对边坡的破坏，提高了开采精度。

三、山坡露天开采阶段的道路布置优化

（一）直进式布置

目前，吴随矿业花岗岩开采项目采用直进式布置，道路直接从采场入口延伸至各个开采水平，线路简单，施工方便。这种布置方式适用于地形较为平坦、开采水平较少的山坡区域，能够有效减少道路长度和建设成本。

（二）混合式布置的展望

虽然目前仍处于山坡露天开采阶段，但考虑到未来二采区可能进行增储转向凹陷露天开采，建议提前规划混合式布置。混合式布置结合了直进式、回返式和螺旋式等多种布置形式，能够根据矿山的具体地形和开采需求灵活调整，适用于地形复杂、开采区域较大的矿山。这种布置方式能够综合各种布置方式的优点，提高道路的适应性和灵活性。

四、混合式布置适应未来凹陷露天开采的策略

（一）灵活调整道路形式

1. 直进式与螺旋式的结合：在当前的山坡露天开采阶段，主要采用直进式布置，道路直接从采场入口延伸至各个开采水平，线路简单，施工方便。二采区随着开采深度增加，未来转向凹陷露天开采时，可逐渐引入螺旋式布置。螺旋式布置呈螺旋状向下延伸，能最大限度减少边坡削坡量，适用于凹陷式开采。这种结合方式可使道路布置更具灵活性，适应不同开采阶段的需求。

2. 回返式的补充：在凹陷露天开采中，回返式布置也能发挥作用。它通过道路在采场内的来回折返，减少道路长度，且转弯半径可根据车辆转弯能力调整。这有助于在凹陷区域合理规划运输路线，提高运输效率。

（二）优化道路设计参数

1. 坡度与弯道设计：在山坡露天开采阶段，道路最大纵坡可控制在 8% 以内，最小弯道半径为25 米。转向凹陷露天开采后，为确保运输安全，最大纵坡应适当降低至 7% ，最小弯道半径增加至45 米。这种调整可降低运输风险，减少车辆磨损。

2. 路面设计：选择耐久性好、防滑性能优良的路面材料，如水泥混凝土路面和泥结碎石路面相结合的形式。在多雨地区，优先选择排水性能良好的材料，减少路面积水对运输的影响。

（三）提前规划运输系统

1. 运输设备更新：随着开采深度增加，运输距离和坡度可能发生变化，需根据实际需求更新运输设备。例如，可采用大吨位、高功率的运输车辆，以适应凹陷露天开采的运输要求。

2. 运输系统优化：在凹陷露天开采中，可考虑采用汽车 - 胶带半连续运输系统。这种系统运营成本低、技术含量高、爬坡能力强、运输能力大，有利于强化开采。它适用于大中型深凹露天矿山，是我国未来深凹露天矿运输系统的重要发展方向。

（四）强化边坡稳定性管理

1. 机械切割的优势：目前采用机械切割而非爆破的开采方式，减少了对边坡的震动和破坏，提高了边坡的稳定性。未来转向凹陷露天开采时，继续采用机械切割，可更精确地控制切割深度和角度，减少对周围岩体的损伤。

2. 边坡维护措施：建立边坡维护专业队伍，加强检查维修，必要时进行人工放坡、铺草皮、植灌木、砌挡土墙等。定期监测边坡的位移和变形，及时采取加固措施。

（五）完善排水系统

1. 排水系统优化：建立完善的排水系统，对于开采较深、水流量大的矿区，采用分段截流排水系统。在道路两侧设置排水沟，防止雨水冲刷道路。

2. 防水措施加强：在露天矿周边挖截水沟，截断流向采场的地表水。当河流穿过开采境界时，需进行河流改道。在有地下采空区和溶洞分布的露天矿，预先打探水钻孔，探明地下水源状况。

五、具体优化设计措施

（一）路线规划

1. 全面布局：首先确定路线的总体方向，由大到小入手，进行总体布置。在复杂地形条件下，应尽量避免道路穿过地质结构的软弱面、大型溶洞以及坎高较大的陡坎等。

2. 划分区段：确定总体方案之后，通过相邻的控制点划分道路区段。在地形复杂的区域，如陡坎和溶洞附近，应特别注意道路的走向和坡度，确保道路的安全性和合理性。

（二）平面线形设计

1. 平面线形构成：道路的平面线形由直线、缓和曲线以及圆曲线组成。在混合式布置中，应根据地形变化合理选择线形元素，使道路与地形相适应。例如，在陡坡区域可适当增加缓和曲线，以降低车辆行驶的危险性。

2. 线元连接方式：线元的连接方式有多种，包括两两相邻、同向曲线使用直线连接以及相邻反向的曲线通过直线连接等。在混合式布置中，应根据地形和运输需求选择合适的连接方式，确保道路的顺畅性和安全性。

（三）纵断面设计

1. 纵断面线形构成：露天矿区的道路纵断面由直线和竖曲线构成。在混合式布置中，应根据地形的起伏合理设计纵断面，使道路的纵坡均匀自然，避免出现过大的坡度变化。

2. 坡度控制：在陡坡区域，应适当降低坡度，以提高运输安全性；在平缓区域，可适当增加坡度，以减少道路长度和工程量。例如，某露天矿山道路设计的最大纵坡为7% ，最小弯道半径为 45 米。

（四）路基与路面设计

1. 路基设计：根据地形和地质条件，选择合适的路基填挖方式。在混合式布置中，可采用半挖半填的方式，以减少土石方工程量。同时，应根据地质水文情况确定路基的边坡坡度，如路堑边坡可采用1：0.5 的坡度。

2. 路面设计：选择耐久性好、防滑性能优良的路面材料。在多雨地区，应优先选择排水性能良好的材料，以减少路面积水对运输的影响。

六、实际应用效果与未来展望

（一）实际应用效果

通过上述优化设计措施，吴随矿业花岗岩开采项目在山坡露天开采阶段，内部道路建设成本降低了 15% ，运输效率提高了 20% 。

（二）未来展望

随着开采深度的进一步增加，矿山二采区可能会转向凹陷露天开采。未来的工作重点包括：

1. 进一步优化边坡稳定性管理

继续采用机械切割，减少对边坡的破坏，并定期监测边坡的位移和变形，及时采取加固措施。具体措施包括：

机械切割的优势：机械切割能够更精确地控制切割深度和角度，减少对周围岩体的损伤，提高边坡的稳定性。

边坡监测：建立边坡监测系统，定期监测边坡的位移和变形情况。利用高精度的GPS 和RTK 等设备，实时监测边坡的动态变化。

加固措施：根据监测数据，及时采取加固措施，如锚杆支护、喷射混凝土等，确保边坡的稳定性。

2. 完善排水系统

随着开采深度的增加，进一步优化排水系统，确保雨水和地下水的有效排放。具体措施包括：

排水系统优化：建立完善的排水网络，包括截水沟、排水沟和集水井等，确保雨水和地下水能够及时排出采场。

分段截流：对于开采较深的区域，采用分段截流排水系统，减少排水压力，确保排水系统的高效运行。

定期维护：定期检查和维护排水设施，确保其正常运行，避免因排水不畅导致的积水问题。

3. 更新运输设备

根据开采深度和运输需求，及时更新运输设备，确保运输效率和安全。具体措施包括：大型化运输设备：随着开采深度的增加，运输距离可能会延长，因此需要采用大型化、大负载的运输设备，如大型自卸汽车和装载机。

新能源设备：考虑采用新能源运输设备，如电动矿用卡车和电动装载机，减少尾气排放，降低运营成本。

智能调度系统：通过智能调度系统，实现对运输设备的动态调度和优化管理，减少等待时间和空驶率。

4. 加强安全管理

加强对驾驶员的安全教育和培训，提高其安全意识和操作技能，确保运输过程的安全。具体措施包括：

安全培训：定期组织驾驶员进行安全培训，包括安全驾驶、设备操作、应急处理等方面的内容。

安全设施完善：在危险地段设置安全警示标志和路桩，确保道路的安全性。在道路靠填方侧路肩上设置挡车墙或挡车堆，防止车辆冲出道路。

实时监控：通过安装在矿山各关键部位的传感器，实时监测运输设备的运行状态和环境参数，实现早期故障检测和预防性维护。

5. 改善通风，降低粉尘污染

随着开采深度的增加，通风问题和粉尘污染将成为重要的环境和健康问题。具体措施包括：

通风系统优化：建立完善的通风系统，包括通风井、通风巷道和通风设备等，确保采场内的空气流通。

粉尘抑制措施：在切割作业区域安装喷雾降尘系统，定期喷水降尘，减少粉尘的产生和扩散。 个人防护设备：为作业人员提供个人防护设备，如防尘口罩、防护眼镜等，减少粉尘对作业人员健康的危害。

环境监测：定期监测采场内的 粉尘浓度，确保其符合国家和地方的环保标准。根据监测结果，及时调整通风和降尘措施。

通过以上措施，矿山二采区在转向凹陷露天开采的过程中，将能够更好地应对各种挑战，确保开采过程的高效与安全，同时减少对环境的影响。

七、结论

吴随矿业花岗岩开采项目在当前的山坡露天开采阶段，通过合理规划路线、优化路面设计、控制坡度和弯道以及设置安全设施，有效提高了道路的经济性和安全性。本文提出的优化方案在实际应用中取得了显著效果，为类似矿山开采提供了有益的参考。未来，随着开采深度的进一步增加，矿山将继续优化道路布置，确保开采过程的高效与安全。

参考文献

[1] 陈国华，等 . 露天矿山开采技术 [M]. 北京：冶金工业出版社，2018.

[2] 李明，等 . 露天矿山道路设计与施工 [M]. 北京：煤炭工业出版社，2019.

[3] 王强，等 . 露天矿山开采安全管理 [M]. 北京：中国矿业大学出版社，2020.