賀昌斌，張永華，常永剛，李海潮

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000；3.山西煤礦安全監(jiān)察局長(zhǎng)治監(jiān)察分局，山西 長(zhǎng)治 046011）

為提高設(shè)備效率和經(jīng)濟(jì)效益，單斗－卡車(chē)工藝露天礦歸根到底是要解決好近距離排土空間及其運(yùn)輸通道問(wèn)題。針對(duì)不同的煤層覆存條件，在開(kāi)采設(shè)計(jì)中，形成了縱采工藝和橫采工藝[1]。當(dāng)煤層為傾斜或急傾斜時(shí)，一般采用橫采工藝，以便內(nèi)排空間的釋放。當(dāng)遇到地質(zhì)構(gòu)造引起煤層賦存條件發(fā)生重大變化時(shí)，應(yīng)提前優(yōu)化開(kāi)采程序來(lái)應(yīng)對(duì)。

當(dāng)前，各露天礦均面臨生產(chǎn)用地的問(wèn)題，遇到重大地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其開(kāi)采程序并不能按照設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行，引起后續(xù)的運(yùn)輸系統(tǒng)形成、排土空間等困難。以?xún)A斜煤層縱采為例，其煤層底板為傾斜或急傾斜，從排土場(chǎng)穩(wěn)定方面考慮，當(dāng)順傾坡度大于10%時(shí)不推薦排土。在此方面，目前的研究尚沒(méi)有突破性的進(jìn)展，國(guó)內(nèi)尚無(wú)大范圍排土的案例，因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件在傾斜基底排土成為有益的嘗試。

1 礦山概況

當(dāng)前安太堡露天礦控制性地質(zhì)構(gòu)造為蘆子溝背斜，且正處于該區(qū)域。該構(gòu)造引起煤層總體傾角達(dá)到12°（22%），局部最大傾角22°（40%），煤層落差達(dá)到270 m，區(qū)域煤層平均寬度為1 003 m。因生產(chǎn)用地、礦權(quán)劃分、整體規(guī)劃等因素影響，露天礦采用縱采方式，即開(kāi)采沿煤層傾向推進(jìn)、頂板水平分層露煤[2]。

因處于背斜構(gòu)造區(qū)域，依賴(lài)向下延深露煤，煤層底板傾角大，從排土場(chǎng)穩(wěn)定性上考慮，騰出的內(nèi)排空間不能跟進(jìn)排土，只能向上提升到原有近水平區(qū)域內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行加高，引起剝離運(yùn)距及提升高度居高不下，設(shè)備能力發(fā)揮受到限制，經(jīng)濟(jì)效益變差。

考慮到臨時(shí)用地政策、覆土還地等要求，現(xiàn)有可排土區(qū)域不能無(wú)限制的排土，因此露天礦排土總空間總體不夠。在無(wú)外排土場(chǎng)的情況下，最大限度發(fā)揮內(nèi)排土的空間就成為必然的選擇[3]。

2 內(nèi)排土基底傾角的分析

要實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，除了就近利用最下部?jī)?nèi)排空間外，其排土空間主要為上部，即每個(gè)內(nèi)排土臺(tái)階的跟進(jìn)式排土，即現(xiàn)狀排土的增高排土[4]。其中需要解決好2個(gè)方面的問(wèn)題：一是排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，即傾斜基底排土的穩(wěn)定性問(wèn)題；二是運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題，即現(xiàn)有端幫干道路與排土場(chǎng)的搭接問(wèn)題，包括坡度、形成坡道的空間問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)以往鉆孔資料的整理、出路煤層底板的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)煤層底板等高線(xiàn)進(jìn)行修正，通過(guò)計(jì)算確定了煤層底板的傾角，煤層底板等高線(xiàn)及傾角變化。

安太堡露天礦開(kāi)采境界范圍背斜區(qū)煤層底板傾角由北向南從11°逐漸增大為19°，底板標(biāo)高北高南低，采場(chǎng)北部背斜區(qū)底板傾角較小且先于南部變緩走平。上述煤層底板的傾角或坡度大于露天煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范的范圍，需要采取防止滑坡的措施[5]。從內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性方面考慮，內(nèi)排土場(chǎng)整體邊坡角不大于16°為標(biāo)準(zhǔn)，在北部11°～ 13°區(qū)間開(kāi)展排土具有一定的穩(wěn)定性和排土容量的可能性，為后期的系統(tǒng)優(yōu)化提供了前提基礎(chǔ)[6]，即內(nèi)排土的跟進(jìn)式排土應(yīng)從北幫的運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化上進(jìn)行挖掘和創(chuàng)造。

3 北幫運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化與排土空間的形成

3.1 北幫現(xiàn)有運(yùn)輸系統(tǒng)

因延深需要，端幫干道一直下延，已無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)水平命名，以其所處位置，自上而下分別命名為第1條、第2條、第3條、第4條和第5條干道。其中：①第1條：從采場(chǎng)的1270—土場(chǎng)1420，主要服務(wù)1255以上剝離物料；②第2條：從采場(chǎng)的1225—土場(chǎng)1390，主要服務(wù)1240、1225剝離物料；③第3條：從采場(chǎng)的1210—土場(chǎng)1330，主要服務(wù)1210、1195剝離物料；④第4條：從采場(chǎng)的1180—土場(chǎng)1330，主要服務(wù)1180、1165剝離物料；⑤第5條：從采場(chǎng)的1150—土場(chǎng)1210—土場(chǎng)1270—土場(chǎng)1330，主要服務(wù)1150、1135、1120（4＃煤頂板）剝離物料。以上各條運(yùn)輸干道，在進(jìn)入土場(chǎng)后均根據(jù)需要再進(jìn)行折返運(yùn)輸至對(duì)應(yīng)的土場(chǎng)。北幫運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀如圖1。

圖1 北幫運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

因礦權(quán)的調(diào)整、取得等因素影響，露天礦發(fā)展方向目前尚不明確。但無(wú)論是向東繼續(xù)推進(jìn)還是向北轉(zhuǎn)向，北幫都必須保留完整的運(yùn)輸干道。尤其是第1條～第4條，均主要承擔(dān)巖石的剝離運(yùn)輸。但對(duì)于第5條干道，位于煤層頂板附近，因煤層走平抬高，其承擔(dān)的剝離量?jī)H為半臺(tái)階狀態(tài)，承擔(dān)運(yùn)輸量小，且其折返運(yùn)輸占用內(nèi)排空間，可考慮廢除，其承擔(dān)的剝離量就近內(nèi)排[7]。

3.2 北幫運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化

在廢除第5條干道騰出空間的基礎(chǔ)上，對(duì)以上4條干道進(jìn)行排土形成，分別實(shí)現(xiàn)1272—1355、1300－1390、1330－1420、1390－1420這4條端幫與排土場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道路，北幫運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 北幫運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為控制線(xiàn)路方向，排土過(guò)程中按照標(biāo)準(zhǔn)道路寬度實(shí)施排土。同時(shí)為解決限制坡度問(wèn)題，各條道路在與對(duì)應(yīng)干道的搭接位置選擇取決于高程，因此形成過(guò)程中，其平盤(pán)之間、道路之間有部分排土空缺區(qū)域。這些區(qū)域可以在上部道路形成后反向排土處理，屆時(shí)現(xiàn)場(chǎng)效果會(huì)進(jìn)一步得到發(fā)揮。

3.3 內(nèi)排土空間的形成

通過(guò)北幫運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化改造，為內(nèi)排土空間的創(chuàng)造主要來(lái)源于2個(gè)方面：一是端幫干道與排土場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道路通過(guò)坡道形成所產(chǎn)生的排土量；二是對(duì)北幫區(qū)域排土空間進(jìn)行整合后騰出的空間。經(jīng)計(jì)算，可產(chǎn)生內(nèi)排土空間約2 032萬(wàn)m3，可以容納1 770萬(wàn)m3的實(shí)方量，解決2臺(tái)55 m3電鏟作業(yè)量的空間位置，內(nèi)排土空間計(jì)算表見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)排土空間計(jì)算表

3.4 排土場(chǎng)穩(wěn)定性

通過(guò)選取剖面、采用極限平衡法計(jì)算與模擬，剖面4個(gè)位置的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.105、1.132、1.139、1.194，處于1.1～1.2之間，屬于基本穩(wěn)定，存在邊坡整體沿背斜面發(fā)生順層滑動(dòng)的可能。

針對(duì)該情況，考慮從2個(gè)方面給予提升其穩(wěn)定性：一是考慮時(shí)效性邊坡概念，利用北幫煤層基本走平的實(shí)際情況，加快該區(qū)段推進(jìn)，及時(shí)露出煤層底板并排土壓角[8]；二是對(duì)煤層底板進(jìn)行松動(dòng)爆破對(duì)順傾底板進(jìn)行處理，這樣認(rèn)為該實(shí)施方案在安全上是有保障的。

3.5 排土過(guò)程安全保障措施

在端幫干道與排土場(chǎng)道路起坡形成過(guò)程中，存在高段區(qū)域，最大可達(dá)到90 m，其沉降速度可能影響到排土作業(yè)的安全。同時(shí)，各條道路的形成與排土有部分的時(shí)間空間上的交叉，對(duì)多處聯(lián)合作業(yè)要求較高。在此情況下，設(shè)計(jì)作業(yè)規(guī)范為：

1）分層排土作業(yè)。即在排土高度按照小于30 m的臺(tái)階劃分，高度超過(guò)的區(qū)域進(jìn)行平排，完成后退回重新起坡，直至完成，其目的是預(yù)留沉降、壓實(shí)的時(shí)間，使形成的坡道基礎(chǔ)更好。

2）自下而上施工，非跟進(jìn)式排土。即完成1條坡道后，經(jīng)過(guò)行車(chē)運(yùn)輸、觀(guān)察無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題后再進(jìn)行其他施工。

3）冬春季節(jié)施工，避免降雨的影響，同時(shí)做好防排水工作[9]。

3.6 效益分析

經(jīng)過(guò)優(yōu)化與改造，可以實(shí)現(xiàn)1770萬(wàn)m3剝離量的排土，產(chǎn)生一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。具體為：①改善目前的運(yùn)輸系統(tǒng)，避免了多次折返運(yùn)輸，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔流暢；②能解決2臺(tái)電鏟的1年的排土空間問(wèn)題，對(duì)應(yīng)降低了南幫干道的車(chē)流密度；③充分利用空間就近排土，按照目前2.3元/ m3km，運(yùn)輸減少2 km計(jì)算，可節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用8 142萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

以安太堡露天礦具體的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工和安全保障跟進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性的傾斜基底排土，增加內(nèi)排土空間同時(shí)降低了排土運(yùn)距，為后續(xù)的排土積累了經(jīng)驗(yàn)。