魏世壯

（中煤平朔集團有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州036000）

排土工作的任務(wù)就是選擇合理的排土工藝、制定排土參數(shù)、選擇排土設(shè)備，組織排土工序,各環(huán)節(jié)緊密配合，發(fā)揮排土場的最大能力，保障露天礦的持續(xù)均衡生產(chǎn)[1-2]。露天礦的排土工藝主要分為推土犁排土、帶式排土機排土、機械鏟排土、推土機排土。安太堡露天礦采用的是推土機排土工藝，這種工藝需要推土機和自卸卡車配合作業(yè)，卡車-推土機排土又可分為邊緣排土和場地排土2 種作業(yè)方式，安太堡礦主要采用的是邊緣排土，即卡車以后退的方式排卸土巖，一般卡車后輪距離排土臺階坡頂線約1.5 ～3.0 m，物料即可排棄到邊坡之下，為了保障安全卸載，防止排土臺階下沉，需在臺階坡頂處設(shè)置土棱作為車檔，使排土場坡頂面形成不小于2%的反向坡度，邊緣排土主要適用于巖石堅硬，邊坡穩(wěn)定的排土場。露天礦排土場分為內(nèi)排土場和外排土場，外土場需要占用大量的土地，還會造成環(huán)境污染，所以露天礦只要具備內(nèi)排條件就會選用內(nèi)排土場進行物料排棄。露天礦排土場的工藝選擇、參數(shù)確定、排土程序等對露天礦經(jīng)濟效益以及邊坡穩(wěn)定具有重要意義[3]。

1 安太堡露天煤礦概況

安太堡露天礦主要采掘3 層煤層，自上而下為4#煤、9#煤、11#煤，礦坑在向東推進的過程中，遇到樓子溝背斜區(qū)，受背斜影響，礦坑由近水平煤層變?yōu)閮A斜煤層，煤層平均傾角達到8°～12°，局部最大傾角24°，背斜區(qū)地表和基巖下降50～100 m，煤層下降更為劇烈，最大下降超270 m，11#煤底板標(biāo)約1 050 m 水平。

1）背斜區(qū)開采情況。受背斜區(qū)影響，煤層由水平變?yōu)閮A斜后，開采方式將由水平推進變?yōu)檠由钆c推進并存，而且以延深為主，端幫道路需要不斷延深降段才能與采場搭接。過背斜期間由于11#煤底板傾角較大，11#底板已不具備內(nèi)排條件，排土場已不能向東跟進，背斜區(qū)范圍縱向1.2 km，橫向2.3 km，隨著東部工作平盤的不斷延深，端幫道路在礦坑延深拉溝位置已不能延深至最下部水平，導(dǎo)致下部平盤需經(jīng)過采場折返去往端幫道路，再經(jīng)過土場道路折返去往內(nèi)排土場加高排棄，過背斜期間采排關(guān)系示意圖如圖1。

圖1 過背斜期間采排關(guān)系示意圖

2）過背斜前以及過背斜期間數(shù)據(jù)對比。以2011年安太堡礦過背斜前以及2018 年過背斜期間數(shù)據(jù)為例，對2 年的卡車、電鏟能力以及柴油、輪胎單耗做對比，可以看出卡車、電鏟能力明顯下降，卡車效率下降37%，電產(chǎn)能力下降24%，柴油、輪胎單耗明顯提高，柴油單耗及輪胎單耗提升至1 倍左右，安太堡礦過背斜前以及過背斜期間數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 安太堡礦過背斜前以及過背斜期間數(shù)據(jù)對比

2 過背斜期間南部并幫區(qū)改造

南部并幫區(qū)排土是在安太堡礦南部縮界區(qū)改造的背景下進行的。由于安太堡礦煤層底板傾角較大，內(nèi)排土場不能及時跟進，剝離物只能加高加遠排棄，這樣就會導(dǎo)致運輸成本居高不下，為解決成本問題，開采程序的改造勢在必行。安太堡礦內(nèi)排空間不足，減少剝離量是解決安太堡礦排土空間不足的有效途徑，故提出縮短采掘工作線長度來減少排土量[4]。

1）合理工作線的確定。合理的工作線長度對露天采礦至關(guān)重要，根據(jù)安太堡礦生產(chǎn)能力、推進度、煤層平均厚度、煤的密度等指標(biāo)，最終確定安太堡礦合理的工作線長度為1 400 m，為減少過背斜期間的剝離量[5-6]，坑底工作線由原來的2 km 縮短為1.1 km 左右，過背斜之后工作線逐漸恢復(fù)到合理工作線長度，礦坑工作線示意圖如圖2。

2）南部縮界區(qū)開拓運輸系統(tǒng)。安太堡礦并幫區(qū)自上而下進行組合臺階改造，每2 個工作平盤合并成1 個臺階，中間留有10 m 的保安平臺，每2 個平盤留設(shè)1 個40 m 的運輸平盤，從上到下依次形成1 240、1 210、1 180、1 150、1 120 m 水平永久運輸?shù)缆罚瑒冸x物料經(jīng)工作幫移動坑線經(jīng)并幫區(qū)道路、南幫運輸?shù)缆啡ネ馀磐翀觯纤聹吓磐翀觯┮约翱s界區(qū)內(nèi)排土場進行排棄?？繋椭蟮目s界區(qū)將會優(yōu)先于礦坑北部采出原煤，充分釋放縮界區(qū)排土空間。

圖2 礦坑工作線示意圖

3 縮界區(qū)排土規(guī)劃

3．1 排土參數(shù)

根據(jù)排棄物料性質(zhì)、地形特點、氣候條件，確定卡車分臺階多段排棄，卡車排土工作平盤形成3%～5%的反坡，坡頂由推土機堆成大于1．5 m 高的擋車土堤，排土?xí)r在靠近臺階坡頂線卸載或遠離坡頂線卸載再由推土機推下。

1）內(nèi)排土場最終幫參數(shù)[7]。內(nèi)排土場最終幫是指在礦坑使用的排土場，各平盤均排棄到設(shè)計位置，停止繼續(xù)排土后全部邊幫平盤的組合。為保證內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性，內(nèi)排土場最終平盤寬度確定為55 m，內(nèi)排土場最終幫典型斷面如圖3。

2）內(nèi)排土場工作幫參數(shù)。內(nèi)排土場工作幫是指在礦坑采礦工程發(fā)展過程中，排土場各工作平盤自上至下的組合。內(nèi)排土場工作幫典型斷面圖如圖4。

圖3 內(nèi)排土場最終幫典型斷面圖

圖4 內(nèi)外排土場工作幫典型斷面圖

3）內(nèi)排土場最小工作平盤寬度。卡車運輸推土機排土內(nèi)排土場最小工作平盤確定為65.6 m，卡車運輸推土機排土最小工作平盤示意圖如圖5。

圖5 卡車運輸推土機排土最小工作平盤示意圖

式中：B 為最小平盤寬度，m；L1為臺階邊緣安全寬度，一般取2 m；L2為計算卡車全長，取15.6 m；L3為雙車道路面寬度，取40 m；e 為大塊滾動距離，取8 m。

3.2 排土場建設(shè)

2019—2021 年南部縮界區(qū)排土場發(fā)展規(guī)劃如圖6。

圖6 2019—2021 年南部縮界區(qū)排土場發(fā)展規(guī)劃

1）2019 年南部縮界區(qū)內(nèi)排土空間較大，因此內(nèi)排土場的建設(shè)由南向北逐步發(fā)展，當(dāng)排棄至1 105 m 采場水平時，排土臺階以一定安全距離追蹤排棄，當(dāng)1 120 ~ 1 270 m 排土平盤建立起來后排土臺階隨之向前跟進排棄即可。2019 年縮界區(qū)排土標(biāo)高1 270 m 共6 個排土臺階，計劃排土量4 200 萬m3。

2）2020 年南部縮界區(qū)計劃新起1 300 m 水平排土臺階，南部縮界區(qū)已經(jīng)基本排棄到界，排棄標(biāo)高1 300 m，其上部仍有空間可排棄。1 300 m 以下排土臺階可做新的南部端幫。計劃排土量1 500 萬m3。

3）2021 年南部縮界區(qū)在2020 年的1300 排土平盤上部再排棄1 個排土臺階排棄至1 330 m 水平，計劃排土量1 500 m3。

4 邊坡穩(wěn)定性

南幫縮界區(qū)排土后，經(jīng)過3 年規(guī)劃的排土方案，縮界區(qū)將形成高度達200 m 以上的排土邊坡，同時在排土場坡底將形成高約100 m 的采場端幫邊坡，此時排土場邊坡和采場邊坡將形成高度300 m 以上的土-巖復(fù)合邊坡，存在極大的滑坡隱患[8]。因此，開展安太堡礦南部縮界區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究，有效解決過背斜期間遇到的困難，扭轉(zhuǎn)生產(chǎn)經(jīng)營的被動局面，確保礦山安全、經(jīng)濟、高效運行具有重要意義。

1）南部縮界區(qū)排土場物力力學(xué)參數(shù)。通過綜合考慮和分析，得到的安太堡礦南部縮界區(qū)排土場力學(xué)參數(shù)見表2。

2）穩(wěn)定性分析方法選取以及安全儲備系數(shù)的確定。本次穩(wěn)定計算利用GEO-SLOPE 計算軟件，采用Morgenstern-Price 方法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)目前對安太堡露天礦背斜區(qū)地質(zhì)條件、構(gòu)造條件及邊坡重要程度等情況進行考慮，本次穩(wěn)定計算安全儲備系數(shù)的選取充分考慮邊坡穩(wěn)定的時效特性，出于安全考慮，對于內(nèi)排土場邊坡，選取邊坡安全儲備系數(shù)為1.2（服務(wù)年限小于10 年）計算。

3）南部縮界區(qū)未來3 年設(shè)計排土工程邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果分析。排棄物料型滑動是指滑坡集中發(fā)生在排棄物料內(nèi)部，在排土段高達到一定數(shù)值后，由于外荷載作用誘使排棄物壓密，變形增大，處于極限平衡后，排土場后部區(qū)在自重載荷下先期壓實沉陷而形成的主動楔形區(qū)，在其它外力或降雨等因素的誘發(fā)下，下部阻擋被動楔體難以支撐，導(dǎo)致滑坡。通過對未來3 年南部縮界區(qū)設(shè)計排土工程典型地質(zhì)剖面進行分析，得出2019—2021 年邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果均滿足安全儲備系數(shù)要求。

表2 安太堡礦南部縮界區(qū)排土場力學(xué)參數(shù)

5 結(jié) 語

針對安太堡露天礦過蘆子溝背斜期間煤層底板傾角大、內(nèi)排空間不足等問題，優(yōu)先采出南部縮界區(qū)域的4#、9#煤，在保證邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果滿足安全儲備系數(shù)要求條件下，利用此區(qū)域的空間進行排土，可騰出排土空間7 200 萬m3，達到充分利用內(nèi)排空間和保證露天礦產(chǎn)能順利銜接的目標(biāo)，扭轉(zhuǎn)安太堡礦受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響下生產(chǎn)被動局面，并幫區(qū)排土可節(jié)省卡車運距2 000 m 左右，大幅降低露天礦運輸成本，經(jīng)濟效益顯著。