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        扇形擴(kuò)幫方法在露天礦的應(yīng)用

        2020-11-03 07:43:02侯占山
        露天采礦技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:水平

        侯占山

        (神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司哈爾烏素露天礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

        我國采用較多的露天開采方法有:掘坑外排法,主要用于金屬、非金屬礦山和早期的露天煤礦(1949—1980 年建設(shè));倒堆內(nèi)排法:主要用于1980年以后建設(shè)的絕大多數(shù)大型露天煤礦;石料開采法、疏浚開采法:主要用于開采建筑業(yè)使用的砂石等集料;水力沖采法,主要用于開采沖擊類礦床如砂金礦、錫礦等[1-2]。

        目前,在大中型硬巖露天礦開采中普遍使用擴(kuò)幫開采法。擴(kuò)幫開采法的實(shí)質(zhì)是首先在礦體開采條件簡單,品位較富的礦段上,以較陡的工作幫坡角和以成斜條狀的擴(kuò)幫帶,自上而下依次向外推進(jìn)。這樣,臨時(shí)境界不斷地向外和向下擴(kuò)展,進(jìn)而形成最終境界。露天礦擴(kuò)幫開采法與其它方法比較,具有基建剝離量小,基建投資少,所用設(shè)備少,達(dá)產(chǎn)快,經(jīng)濟(jì)效果好,特別是初期經(jīng)濟(jì)效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。但是,擴(kuò)幫開采技術(shù)在露天礦坑的局部位置進(jìn)行引用卻很少見,但隨著我國露天礦山受征地影響嚴(yán)重的現(xiàn)象出現(xiàn),露天礦坑局部出現(xiàn)陡幫的情況常見,所以采場局部位置擴(kuò)幫方法的研究會有較大的前景。

        1 擴(kuò)幫方法

        1.1 陡幫擴(kuò)幫方法

        所謂陡幫擴(kuò)幫方法是與緩幫開采比較而言,其特點(diǎn)是:①擴(kuò)幫臨時(shí)工作幫坡角一般在20~25 °,有時(shí)也可能達(dá)到40 °;②采場分成采礦區(qū)和擴(kuò)幫剝巖區(qū),并分別在不同標(biāo)高各自進(jìn)行獨(dú)立作業(yè);③其間留有較陡的工作幫,并保證采礦和剝巖相適應(yīng)[3-4]。

        傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法按擴(kuò)幫臺階的組合形式劃分:①分條帶自上而下的逐層擴(kuò)幫法:是指在1 個(gè)開采分期里,把擴(kuò)幫區(qū)段沿傾斜方向分成1 個(gè)或幾個(gè)條帶,每個(gè)條帶都采用自上而下逐個(gè)臺階進(jìn)行擴(kuò)幫的方式,只有在最上1 個(gè)臺階安設(shè)采掘運(yùn)輸設(shè)備;②組合臺階陡幫擴(kuò)幫法:當(dāng)采用分條帶自上而下逐層擴(kuò)幫法在設(shè)備類型和擴(kuò)幫作業(yè)面積均滿足不了擴(kuò)幫強(qiáng)度要求的條件下,沿陡坡剝巖方向,把擴(kuò)幫區(qū)段的臺階分成若干組,每1 組在某1 時(shí)間內(nèi)只有1 個(gè)臺階處于工作狀態(tài),并保持著正常作業(yè)的工作平臺寬度,其他臺階處于待工作狀態(tài),并小于正常工作臺階寬度,以達(dá)到縮小剝巖幫的水平投影寬度,這樣即保證了較陡的擴(kuò)幫工作幫坡角,又提供了較多的電鏟工作面,滿足擴(kuò)幫強(qiáng)度的需要。臺階組數(shù)越多,擴(kuò)幫強(qiáng)度越高[5-6]。

        傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法按采剝工作面的推進(jìn)方向分類:①采礦和擴(kuò)幫工作面均垂直礦體走向布置,沿礦體走向推進(jìn),這種布置方式在連續(xù)分期擴(kuò)幫開采工藝?yán)镉玫淖疃?;②擴(kuò)幫工作面垂直礦體走向布置,而采礦工作面沿走向布置,這種方式用于改建擴(kuò)建或者開始分期過渡的礦山;③擴(kuò)幫區(qū)段上部采用平行礦體走向布置工作面,下部采用垂直礦體布置工作面,形成上緩下陡的臨時(shí)剝巖工作幫,適用大中型鐵路運(yùn)輸?shù)牡V山[7]。

        1.2 “扇形”擴(kuò)幫方法

        所謂“扇形”擴(kuò)幫方法,即工作線以某一回轉(zhuǎn)中心沿逆時(shí)針或順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)推進(jìn),推進(jìn)方式類似展扇過程,因此稱為“扇形”擴(kuò)幫[8]。

        扇形擴(kuò)幫方法具有如下特點(diǎn):①由于工作線為扇形發(fā)展,自由面大,爆破效果好;②剝離工作線長,投入設(shè)備多;③運(yùn)輸系統(tǒng)可布置在扇端,占用作業(yè)面少,便于維護(hù);④緩幫速度快,露煤量大。

        扇形擴(kuò)幫是工作線圍繞某個(gè)點(diǎn)(通常是溝道線路與工作面線路的連接點(diǎn))移動,工作線上每個(gè)點(diǎn)的推進(jìn)速度不一樣的擴(kuò)幫的方式。具體步驟是:①陡幫頂部選擇某點(diǎn)下挖掘溝;②工作線垂直掘溝方向推進(jìn);③形成工作面;④工作線圍繞掘溝位置扇形推進(jìn);⑤重復(fù)①至④步,繼續(xù)擴(kuò)幫。扇形擴(kuò)幫示意圖如圖1,扇形擴(kuò)幫實(shí)例圖如圖2。

        圖1 扇形擴(kuò)幫示意圖

        圖2 扇形擴(kuò)幫實(shí)例圖

        哈爾烏素露天煤礦采場中部受征地滯后影響,導(dǎo)致地表工作線無法推進(jìn),采場中部呈“孤島”型,“孤島”南北寬300 m,東西長1000 m,上部地表臺階標(biāo)高+1 080 水平,下部煤頂板標(biāo)高+965 水平,落差115m?!肮聧u”北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)均按到界端幫留設(shè),幫坡角35 °,上下臺階之間沒有運(yùn)輸系統(tǒng),且沒有和采場其他工作幫、端幫相連的運(yùn)輸系統(tǒng),東側(cè)與采場相連。傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法無法滿足哈爾烏素露天煤礦“孤島”區(qū)域的陡幫擴(kuò)幫工程。

        2 扇形擴(kuò)幫在哈爾烏素礦的應(yīng)用

        哈爾烏素露天煤礦水澆地露煤寬80 m,剝離臺階按80 m 留設(shè),擴(kuò)幫量809 m3,其中+995 m 水平以上臺階629 m3,+980 m 水平至煤頂板180 m3。經(jīng)過在圖紙上反復(fù)推演和滾動,建議采用外委加自營的解決方案。

        2.1 運(yùn)輸?shù)缆凡贾煤团艞壩恢靡?guī)劃

        計(jì)劃將給南部煤溝自營設(shè)備供電的電纜全部從水澆地位置移設(shè)至南端幫,由原來的水澆地變電站供電改為南端幫變電站供電。計(jì)劃將現(xiàn)水澆地南側(cè)布置的電纜全部移設(shè)至水澆地北側(cè),由水澆地北側(cè)給北部自營設(shè)備供電,同時(shí)將相應(yīng)的供電設(shè)備設(shè)施(變電柜、集裝箱等)移設(shè)至水澆地東側(cè)和北側(cè)。在水澆地1 055 m 水平沿水澆地南側(cè)為剝離運(yùn)輸設(shè)備騰出40 m 寬運(yùn)輸?shù)缆?。須開工前7 d 完成全部工程。

        計(jì)劃在水澆地995 m 水平的北側(cè)送出1 組電纜,為水澆地自營設(shè)備解段做供電準(zhǔn)備。計(jì)劃在開工前,自營設(shè)備在水澆地南側(cè)修筑1 條1 055~1 025 m水平的道路給走外委車輛使用。

        為了提高解段擴(kuò)幫速度和減少外委設(shè)備與自營設(shè)備交叉次數(shù),將水澆地外委擴(kuò)幫剝離物的排棄位置規(guī)劃至1 055、1 025、995、965 m 水平,剝離綜合運(yùn)距3 982 m。煤溝寬按50 m 留設(shè)(水澆地按現(xiàn)狀煤臺階、南部按37 hm2煤臺階),排土場南部可排棄剝離物870 m3,基本滿足水澆地解段擴(kuò)幫時(shí)外委排棄空間。

        2.2 推演過程

        1)前4 d,在水澆地頂面1 075 m 水平安排6 臺套液壓反鏟,下挖作業(yè),剝離黃土(黃土厚5 m),剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 040 m 水平可安排4 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)995端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟10 臺套。4 d 后1 070 m 水平場平至巖石頂板。

        2)再13 d,在水澆地1 055 m 水平安排9 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 040 m 水平可安排3 臺套液壓反鏟,平采;3 臺套液壓反鏟,下挖;剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺套。13 d 后1 055 m 水平場平,1 025 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間17 d。

        3)再12 d,在水澆地1 040 m 水平安排8 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排7 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺套。12 d 后1010 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間29 d。

        4)再15 d,在水澆地1 040 m 水平安排3 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排9 臺套液壓反鏟,下挖;剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場,運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺套。15 d 后995 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間44 d。

        5)再16 d,在水澆地1 040 m 水平安排1 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排3 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場,運(yùn)距約4 km。1010 m 水平可安排4 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場,運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排4 臺套液壓反鏟,平采;3 臺套液壓反鏟,下挖;剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場,運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺套。16 d 后980 m 水平可布置自營電鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間60 d。

        6)再30 d,在水澆地1 040 m 水平安排1 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場,運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場,運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排5 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場,運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排5 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場,運(yùn)距約4 km。980 m 水平可安排1 臺自營電鏟剝離,從北向南沿5#煤頂板剝離;剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場,運(yùn)距約為2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺套,自營剝離電鏟1臺。30 d 后煤頂板可布置自營電鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間90 d。

        7)再15 d,在水澆地(韓留寶)1 040 m 水平安排1 臺套液壓反鏟,平采,剝離物經(jīng)1055 端幫至1055 排土場,運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)1055 端幫至1055 排土場,運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排5 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場,運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排5 臺套液壓反鏟,平采;剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場,運(yùn)距約4 km。980 m 水平可安排1 臺自營電鏟剝離,從北向南沿5#煤頂板剝離;剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場,運(yùn)距約2 km。煤頂板可安排1 臺自營電鏟剝離,從北向南沿6#煤頂板剝離;剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場,運(yùn)距約2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺套,自營剝離電鏟2 臺。15 d 后露煤面積16 000 m2,外委將有效量全部剝離完畢。共計(jì)作業(yè)時(shí)間105 d。

        8)再15 d,外委設(shè)備在995、1 010、1 025、1 040、1 055 m 水平均衡推進(jìn),經(jīng)995、1025、1055 端幫至965、995、1025、1055 排土場。980 m 水平可安排1 臺自營電鏟剝離,從西向東沿5#煤頂板剝離;剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場,運(yùn)距約2 km。煤頂板可安排1 臺自營電鏟剝離,從北向南沿6#煤頂板剝離;剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場,運(yùn)距約2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺套,自營剝離電鏟2 臺。15 天后露煤面積59 800 m2。共計(jì)作業(yè)時(shí)間120 d。

        外委每臺套設(shè)備月能力按12 m3,自營每臺剝離電鏟月能力按60 m3。每揭露1 個(gè)長×寬大于2 000 m2的作業(yè)面開始布置1 臺套外委設(shè)備,自營剝離電鏟工作線不小于300 m。按照滾動計(jì)劃推演,2 個(gè)月后可布置自營電鏟作業(yè),4 個(gè)月后露煤寬80 m。

        2.3 擴(kuò)幫邊坡穩(wěn)定性分析

        邊坡穩(wěn)定系數(shù)是一個(gè)與內(nèi)摩擦系數(shù)、黏聚力、邊坡的巖層構(gòu)成、分布、地下水的水位、地震等因素有關(guān)的值,它沒有解析解,只有數(shù)值解,且因涉及的因素眾多,邊坡穩(wěn)定系數(shù)是多極值的,在這種情況下,求最小值是一個(gè)工作量比較繁重的工作。且在這種情況下,任何簡化造成的誤差都是不可估計(jì)的。一般,求極值分為2 種情況:①是蒙特卡洛式的隨機(jī)求解方法,如:0.618 法和網(wǎng)格法;②是數(shù)值法中的最優(yōu)化方法,如:單純形法和方向加速法。

        蒙特卡洛式的方法就是取大量的點(diǎn)進(jìn)行試算,從中選出最小值的點(diǎn),這種方法的算法簡單,但結(jié)果的準(zhǔn)確程度是隨著計(jì)算點(diǎn)數(shù)量增加而提高的,且計(jì)算量過于龐大,時(shí)間長,且不能充分利用已有的計(jì)算結(jié)果。數(shù)值法中的最優(yōu)化法是先給出幾個(gè)初始點(diǎn),根據(jù)幾個(gè)初始點(diǎn)的結(jié)果,選取下一步的計(jì)算值,這樣最終可計(jì)算出極小值。這一方法編程復(fù)雜,但計(jì)算量小,充分利用了已有的結(jié)果,但在多峰值的情況下,不易求到最值[9-10]。

        哈爾烏素露天礦邊坡煤巖互層,巖體整體強(qiáng)度較高,根據(jù)現(xiàn)有的工程地質(zhì)資料,在采掘場未發(fā)現(xiàn)明顯的弱層,因此采掘場邊坡滑坡模式是純圓弧滑動。隨著緩幫作業(yè)的推進(jìn),采場邊坡角逐漸緩和,邊坡越來越趨于穩(wěn)定。

        3 結(jié)語

        1)哈爾烏素露天煤礦中部并段臺階應(yīng)用扇形擴(kuò)幫方法安全、快速地完成了擴(kuò)幫,擴(kuò)幫剝離量減少400 萬m3,擴(kuò)幫時(shí)間縮短1.5 個(gè)月,有效保證了露天礦生產(chǎn)接續(xù)、完成了全年煤炭生產(chǎn)任務(wù)。

        2)大型露天開采過程中,在同等區(qū)域、同等剝離量條件下,通過應(yīng)用扇形擴(kuò)幫技術(shù),較分條帶自上而下的逐層擴(kuò)幫法減少約1/3 擴(kuò)幫量,較組合臺階擴(kuò)幫法提高30 %效率。

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