孫 盛 閆永富 王文才 趙永崗 曹 宇

（1.包鋼（集團）公司白云鄂博鐵礦；2.包鋼巴潤礦業(yè)分公司；3.內蒙古科技大學礦業(yè)研究院）

在中國北方的露天礦山，一般的掘溝工程都是安排在氣溫適宜的4—5月份，這是考慮到5月份凍土已融化，且雨季沒有到來，地下水補給不足等因素。但是由于受到生產組織等因素的限制，有時也會在9月底進行掘溝，此時需要加快施工進度，搶在天氣冷凍之前完成掘溝工程。因此，針對掘溝工程受作業(yè)空間限制難以快速掘溝的實際情況，需要對掘溝工藝進行系統(tǒng)性的優(yōu)化，以便能以最快的速度實施掘溝工程的穿、爆、采、運，進而提高掘溝速度。

本次優(yōu)化對象以某大型金屬露天礦山掘溝工程為背景，按照臺階高度12～14 m，礦山具備大型牙輪鉆和潛孔鉆穿孔的條件，電動輪自卸汽車運輸為基本條件進行掘溝工程優(yōu)化。

1 掘溝工程優(yōu)化

1.1 掘溝參數

1.1.1 溝底最小寬度

掘溝的寬度以及深度，是由礦山所采用的臺階高度、所使用的采掘設備以及生產工藝所決定的。

（1）按汽車運輸要求計算。為了加快掘溝速度，調車方式采用回返式調車，其溝底的最小寬度［1］為

式中，b為溝底的最小寬度，m；R為汽車最小轉彎半徑，m；b0為汽車寬度，m；e0為電動輪汽車至溝幫底線的安全距離，m，一般為3 m。

選取e0=3 m，選用172 t級電動輪運礦汽車運輸，其R=13.6 m、b0=7.3 m。由式（1）求得b=40.5 m。

（2）按電鏟工作參數要求計算。

式中，m為電鏟最大挖掘半徑，m；r為電鏟鏟棚尾部與其中心軸的距離，m；e1為電鏟至溝幫底線的安全距離，一般為3 m。

選取e1=3 m，選用WK-10B型電鏟采裝，其m=18.5 m、r=7.35 m。由式（2）求得b=31.85 m。

以上2個限制條件，兩者的最大值為40.5 m。

由于掘溝部位是深凹露天礦的最深部，掘溝時要進行排水，因而需予留鋪設排水管的寬度為4~5 m；此外，掘溝采裝中遇到的大塊需要擱置一邊進行二次破碎處理。因此，確定溝底最小寬度為50 m。

1.1.2 溝深

深凹露天礦的出入溝和開段溝均為雙壁溝，其出入溝的深度是零至臺階高度，開段溝的深度等于臺階全高度（12～14 m）。

1.1.3 溝幫坡面角

它取決于溝幫巖石的物理力學性質和溝幫坡面保留時間的長短。當采用固定坑線開拓時，靠近最終邊坡一側的溝幫坡面角按最終邊坡要求的角度予以保留，另一側采用工作臺階坡面角；當采用移動坑線開拓時，兩側溝幫坡面角均為工作臺階坡面角。

1.1.4 出入溝縱向坡度

出入溝的縱向坡度根據掘溝的運輸設備類型確定。當采用公路運輸開拓，運輸設備為172 t級電動輪汽車時，出入溝縱向坡度i可為8%。

開段溝一般是水平的，但有時為了排水方便，可設置3‰左右的縱向坡度。

1.1.5 出入溝和開段溝長度

出入溝是聯通上、下臺階的通道，其長度取決于出入溝縱向坡度和臺階高度。

式中，L為出入溝長度，m；h為臺階高度，m；i為出入溝縱向坡度，%。

當h=12～14 m、i=8%時，由式（3）求得L=150～175 m。

開段溝的長度與掘溝工程的采掘工藝、裝運工藝以及礦山的生產能力有關，應根據具體礦山條件確定。對于大型深凹露天礦，一般可確定為50 m。

1.2 穿爆方案

由于深凹露天礦底部涌水較大，且大型深凹露天礦新水平準備的掘溝（出入溝和開段溝）長度一般在200～225 m，為了保證穿孔的成孔率，一般采用大型牙輪鉆機進行穿孔。

如圖1所示，將掘溝區(qū)域分為2～3個爆區(qū)進行穿爆，第一區(qū)為掘溝的掏槽區(qū)，只有1個自由面，采用中心掏槽眼方形布孔，普通毫秒延期雷管導爆索起爆方式進行爆破。爆破之后電鏟由設計的坡頂處開始采掘。此時，鉆機在爆區(qū)后方的第二區(qū)進行穿孔；若有富余鉆機，第2臺鉆機可在爆區(qū)后方的第三區(qū)同時進行穿孔，這樣，第二區(qū)和第三區(qū)就可合區(qū)爆破。

第一區(qū)爆破后，在電鏟按照設定的位置和坡度向下采裝到爆區(qū)邊界時，電鏟退出作業(yè)面，進行下一區(qū)爆破，如此循環(huán)作業(yè)1～2次，出入溝和開段溝即可形成。

第一區(qū)之后的爆破采用高精度毫秒延期雷管，根據礦山微差爆破經驗及有關研究資料［2-4］，V形排間延期時間間隔設置為80 ms。該種起爆方案充分考慮了爆破延期時間對爆破效果的影響，并且利用到了高精度毫秒延期雷管精確控制延期時間［5］，以確保毫秒延期爆破效果。

掘溝爆破可分為全溝等深孔爆破與沿出入溝斜坡道的不等深孔爆破［6］。

全溝等深孔爆破是按臺階的全段高穿爆，然后根據出入溝坡度和長度挖掘鏟裝形成設計的出入溝，其溝底留有一半的爆破量，多用于移動坑線開拓的露天礦掘溝；優(yōu)點是穿孔、爆破作業(yè)簡單，當出入溝位置需要移動時，可避免在斜坡道上穿孔、裝藥；缺點是一次穿孔量大，路面質量差，影響汽車的運行效率，加重了汽車輪胎的磨損。

不等深孔爆破是根據出入溝的設計坡度，按不同的孔深穿爆，爆堆挖掘鏟裝結束后，出入溝自然形成。這種方法較多用于固定坑線開拓的露天礦掘溝，其優(yōu)點是爆破振動對下部基巖的破壞作用和邊坡的穩(wěn)定性影響較小，缺點是不同的孔深對施工要求高，穿孔效率低，掘溝速度慢。

爆破作業(yè)對采場生產影響最大的就是爆破警戒工作，爆破進行警戒時，需要警戒范圍內的車輛與人員停止作業(yè)，撤離到安全區(qū)域，直至撤除警戒為止［7］。只有放大爆破規(guī)模，減少爆破次數才是最好的解決爆破警戒對生產影響的辦法。合區(qū)爆破掘溝工藝只需要組織最多2次的警戒工作，可以減少爆破警戒對生產的影響，減少電鏟在出入溝斜坡道上的移位避炮。

1.3 分層采裝

掘溝爆破完成后，需要進行采裝及運輸。

1.3.1常規(guī)的單鏟不分層采裝作業(yè)分析

通常采用單鏟不分層采裝作業(yè)，如圖2所示。它是電鏟由掘溝位置的坡頂處開始按照設計的坡度向溝底方向進行采裝。由于電鏟長時間處于傾斜作業(yè)場地，不僅電鏟“中軸”磨損嚴重，其采裝及運輸效率也低。另外，下一區(qū)爆破時電鏟的斜坡道移位避炮也增加了設備的安全風險。

電鏟在出入溝斜坡道上的作業(yè)效率很低［8］。以某礦鏟斗容積為10 m3的太重機械鏟為掘溝采裝電鏟，根據之前該鏟的運行數據統(tǒng)計，該型號電鏟在出入溝斜坡道的作業(yè)能力平均為Ac=3 000 m3/d，正常平臺的作業(yè)能力為Ap=4 800 m3/d。

臺階高度為12 m，溝底最小寬度50 m，雙壁溝的溝幫坡面角均為65°，出入溝縱向坡度為8%，運輸設備為172 t級電動輪汽車，開段溝長度為50 m。移動坑線開拓，全溝等深孔爆破。一般硬巖的碎脹系數為1.4～1.5［9］，本次計算分析中取為1.5。

（1）12 m臺階高度的開端溝斷面積為12×（50+12/tan65°）=667.15 m2，開段溝體積為V1=667.15×50=33 357 m3；出入溝水平投影長12/0.08=150 m，出入溝體積為V2=667.15×150/2=50 036 m3。

（2）采用全溝等深孔爆破，其出入溝爆破后破碎巖塊體積D=667.15×150×1.5=150 109 m3。由于巖石的碎脹系數為1.5，出入溝隆起于掘溝場地平面之上巖塊的體積為V0=D-2V=50 037 m3，出入溝斜坡道之上破碎巖塊的體積為V1=V0+V2=100 073 m3。出入溝水平投影長0～75 m范圍內，隆起于掘溝場地平面之上巖塊的體積為V2=V0/2=25 018 m3。

開段溝隆起于掘溝場地平面之上巖塊的體積為W0=W×（1.5-1）=16 679 m3，整個開段溝破碎巖塊的體積為W1=W0+W=50 036 m3。

（3）常規(guī)單鏟不分層掘溝采裝作業(yè)的采裝時間為t0=V1/Ac+W1/Ap=44 d。

1.3.2 單鏟分層采裝作業(yè)分析

單鏟分層采裝作業(yè)，即電鏟首先將爆破后位于掘溝場地平面之上隆起的巖塊進行采裝，采裝完畢后退回到需要掘出入溝位置開始采裝并修筑出入溝斜坡道。

其采裝時間為ta=V/Ac+（W1+V0）/Ap=38 d。

可見，掘溝時單鏟分層采裝作業(yè)可提高掘溝進度約t0-ta=6 d。

1.3.3 雙鏟分層采裝作業(yè)分析

如圖3所示，當可調配電鏟有2臺時，2臺電鏟可分別從掘溝場地平面之上的2個位置進行采裝，其中1臺在掘溝位置處開始采裝，另1臺在出入溝長度方向一半位置（即距離掘溝位置75 m）處開始掘溝。

當第一臺電鏟將出入溝長度方向一半位置以上的隆起爆堆采掘完畢后，該臺電鏟退回到需要掘出入溝的位置，開始采裝修筑出入溝斜坡道；第二臺電鏟繼續(xù)對隆起于掘溝場地平面之上的剩余巖塊進行采裝，見圖4。

雙鏟分層采裝時，第一臺電鏟采裝時間t1=V2/Ap+V/Ac+W/Ap=29 d；第二臺電鏟采裝時間t2=（0.5V0+W0）/Ap=9 d。因此，雙鏟分層采裝時間tc=max{t1，t2}=29 d?？梢姡驕蠒r雙鏟分層采裝作業(yè)可提高掘溝進度約t0-tc=15 d。

由此可以看出，掘溝時電鏟分層采裝作業(yè)方式，極大程度地利用了作業(yè)空間，減少了電鏟在斜坡道上的作業(yè)工作量，減少了汽車在溝底的運輸量，從而提高了采裝和運輸效率，提高了掘溝速度。同時，作業(yè)中要注重鏟車匹配，并及時給掘溝電鏟配車，是又一提高電鏟分層采裝效率的有效手段［10］。

2 應用效果

在某礦12 m臺階高度的新水平準備中，采用了出入溝和開段溝合區(qū)爆破、雙鏟分層采裝的一次成型現場應用。應用表明，合區(qū)爆破、雙鏟分層采裝的一次成型掘溝技術，有效提高了電鏟采裝和汽車運輸的效率，其掘溝速度較原來的分區(qū)爆破、單產溝底采裝有較大的提高。

3 總 結

（1）大型露天礦臺階高度大（通常12～14 m），其出入溝和開段溝長度長（通常200～225 m），當采用移動坑線開拓時，一般采用全溝等深孔爆破。其爆后爆堆較為松散，向上隆起5～6 m，此時常規(guī)的單鏟不分層采裝掘溝時間較長，掘溝進度慢，嚴重制約著露天礦的生產能力。

（2）掘溝時采用電鏟分層采裝作業(yè)方式，可極大程度地利用了作業(yè)空間，減少了電鏟在斜坡道上的作業(yè)工作量，減少了汽車在溝底的運輸量，從而提高了采裝和運輸效率，提高了掘溝速度。尤其是雙鏟分層采裝掘溝方式，其掘溝速度更高。

（3）當使用2臺鉆機同時穿孔、掘溝工程合區(qū)爆破的一次成型方法時，可以減少避炮警戒對生產的影響，減少電鏟在出入溝斜坡道上較大避炮距離的避炮，有利于提高掘溝速度。

（4）及時給掘溝電鏟配車，是加快掘溝速度的重要環(huán)節(jié)。尤其是溝中作業(yè)的電鏟，因其場地狹窄、地面水多，掘出入溝時在斜坡上作業(yè)，因而其直接制約著掘溝工程的整體掘進速度，因此要嚴密組織，確保掘溝電鏟不待車。