姜兆新 徐洪艷 趙國(guó)強(qiáng)

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

興盛露天煤礦位于伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)西北的薩依蘇一帶，露天礦地理坐標(biāo)為東經(jīng)94°36′30″～94°45′00″，北 緯43°55′00″～43°56′45″。礦山海拔280 m～394 m，一般在320 m左右，地勢(shì)較為平緩，高差不大，溝谷寬闊，多為石漠戈壁區(qū)。礦內(nèi)地形較平坦，第四系在興盛露天礦大面積分布，由礫石、砂和亞砂土組成，厚度變化大，在0 m～22.90 m，平均厚5.43 m，其分布特點(diǎn)是在興盛露天礦內(nèi)西厚東薄，一期采區(qū)內(nèi)南厚北薄，巖體呈松散結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈顆粒、碎屑狀，單獨(dú)劃為松散巖組，穩(wěn)固性差，屬不穩(wěn)定固型，露天開(kāi)采時(shí)應(yīng)加大剝離面。侏羅系八道灣組碎屑巖類結(jié)構(gòu)疏松，巖石成熟度低，飽和抗壓強(qiáng)度在100 MPa以下，屬軟弱巖類。目前，查明露天礦構(gòu)造形態(tài)為單斜，地層傾向190°～220°，傾角6°～15°，局部形成東西向短軸向斜。東南發(fā)現(xiàn)落差8 m～48m的斷層5條，煤系地層中未見(jiàn)火成巖，礦田構(gòu)造簡(jiǎn)單。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

礦區(qū)氣候干燥多風(fēng)，降雨量少，年、日溫差較大，夏季較為炎熱，冬季寒冷，是典型的溫帶大陸性氣候。春秋季較短，晝夜溫差大；冷空氣活動(dòng)頻繁，所以春秋多大風(fēng)，年平均氣溫9.9 ℃，6～8月份為高溫季節(jié)，最高氣溫可達(dá)40 ℃以上，一般為25 ℃左右。每年的12月封凍，次年3月解凍，無(wú)霜期僅180 d左右。區(qū)內(nèi)年降水量在11.3 mm左右，多集中在6～7月份，大多為暴雨，蒸發(fā)量為4 615.4 mm。全年大風(fēng)比較多，最高風(fēng)速可達(dá)40 m/s以上，一般風(fēng)速5.6 m/s～7.1m/s，偏西風(fēng)較多。無(wú)常年流水，只在暴雨之后才有短暫洪水徑流。

興盛露天煤礦建設(shè)規(guī)模為3.0 Mt/a，現(xiàn)坑底標(biāo)高+226m，露天煤礦最大已形成7個(gè)剝離臺(tái)階，煤層頂板最低位置在東幫+250水平，東部境界已到界，坑底采煤工作線約在770m，露天煤礦的實(shí)際生產(chǎn)剝采比為2.0 m3/t，剝離平均運(yùn)距為2.0 km。研究區(qū)域的礦山開(kāi)采深度最大在150 m左右，現(xiàn)狀采煤和剝離均采用單斗-卡車工藝，采煤后期采用連續(xù)工藝。采礦工藝完善，推進(jìn)強(qiáng)度高，現(xiàn)狀推進(jìn)速度達(dá)400 m以上，年剝采比最高可達(dá)3 000多萬(wàn)m3。

目前由于礦山首采區(qū)東側(cè)南幫已基本到界，正逐步由向西轉(zhuǎn)向推進(jìn)，轉(zhuǎn)向過(guò)程中，卡車運(yùn)距較大，而且隨著向西推進(jìn)，今后的降段延深后，自卸卡車運(yùn)距還會(huì)增加，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。為了降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益，對(duì)露天礦工作線推進(jìn)方式進(jìn)行優(yōu)化，降低生產(chǎn)剝采比[1]。露天礦生產(chǎn)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 露天礦生產(chǎn)現(xiàn)狀

在現(xiàn)狀采場(chǎng)內(nèi)，采場(chǎng)東側(cè)轉(zhuǎn)向前下部采煤采用的是輪斗-帶式輸送機(jī)連續(xù)工藝，這種工藝系統(tǒng)需要輔助帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，后期朝西轉(zhuǎn)向。為滿足膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸?shù)男枨?，保證采煤作業(yè)的正常進(jìn)行，工作人員認(rèn)為在未將連續(xù)工藝移設(shè)至西幫之前，沒(méi)有搭橋的空間。

針對(duì)露天礦山的具體情況，確保企業(yè)效益的最大化，一直以來(lái)就是公司關(guān)注和思考的重心。

礦山企業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，設(shè)備和工藝已日漸成熟，市場(chǎng)規(guī)劃更合理，以往那種單單靠提高產(chǎn)能來(lái)提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)不適用于現(xiàn)代礦山的發(fā)展，必須要從整體系統(tǒng)出發(fā)進(jìn)一步做到降本增效。在考慮爆破環(huán)節(jié)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還要考慮采運(yùn)排環(huán)節(jié)，才能做到綜合降低成本。以下將從2個(gè)方面研究興盛露天煤礦降本增效的措施。

2 剝離優(yōu)化措施

2.1 車鏟比優(yōu)化

在“單斗-自卸卡車”工藝系統(tǒng)中，運(yùn)輸成本一直居高不下。運(yùn)輸方式之中，自卸卡車運(yùn)輸?shù)膰嵐镔M(fèi)用最高，運(yùn)輸成本占開(kāi)采成本的比例較大，其中采區(qū)工作線長(zhǎng)短和總的運(yùn)輸系統(tǒng)遠(yuǎn)近，決定了自卸卡車運(yùn)輸距離的遠(yuǎn)近，因此如何合理地優(yōu)化運(yùn)輸線路和優(yōu)化車鏟匹配問(wèn)題，做到既降低運(yùn)輸距離，又提高自卸卡車的效率，可以進(jìn)一步的降低成本，成為研究重點(diǎn)。

目前礦山采用的剝離設(shè)備為斗容5.0 m3的單斗挖掘機(jī)，運(yùn)輸設(shè)備為70 t的自卸卡車。目前剝離工作面1臺(tái)鏟車配5～6輛自卸卡車進(jìn)行剝離作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)挖掘機(jī)裝載車和卡車的作業(yè)循環(huán)時(shí)間，見(jiàn)表1。

表1 車鏟作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表（單位：min）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，裝載周期為3.29min，運(yùn)輸周期為14.58min。車鏟匹配的最優(yōu)化計(jì)算：N=14.58/3.29=4.43輛/臺(tái)，因此礦山車鏟最優(yōu)比為4∶1～5∶1?，F(xiàn)場(chǎng)施工靠近東幫運(yùn)距較近的工作面由于運(yùn)距較近，1臺(tái)鏟配套4輛卡車，靠近西幫位置1臺(tái)鏟配5輛卡車，這樣可以減少卡車的等待裝卸時(shí)間，提高挖裝效率；現(xiàn)場(chǎng)管理人員，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)配車輛，保證剝離作業(yè)的正常進(jìn)行。

2.2 水孔爆破作業(yè)優(yōu)化

由于受到地下水位的影響，興盛露天煤礦在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，鉆孔無(wú)水，在形成24 h后，水深可達(dá)鉆孔深度的一半以上，這就給爆破作業(yè)帶來(lái)了以下問(wèn)題：1）由于孔內(nèi)有水，按常規(guī)的爆破方式，必須采用防水炸藥進(jìn)行爆破，而常用的成品乳化密度大，延米裝藥量大，導(dǎo)致爆破成本高。2）由于孔內(nèi)有水，在混裝車裝藥過(guò)程中，孔底裝藥時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員的工作水平不一致，往往在孔底不能形成密實(shí)裝藥，這種裝藥方式屬于不耦合裝藥，導(dǎo)致爆破完成后形成大量根底，需要二次爆破，降低現(xiàn)場(chǎng)挖裝效率。3）孔內(nèi)裝藥導(dǎo)致孔內(nèi)水位上升，再進(jìn)行填孔作業(yè)時(shí)，常規(guī)鉆屑填孔填不密實(shí)，后期爆破多出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，為了避免出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，就需要篩選戈壁料進(jìn)行填充，導(dǎo)致成本增加。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，提出采用防靜電的特制PVC管先進(jìn)行封裝，在鉆孔形成后就下特制管，并固定嚴(yán)實(shí)。這樣就可以避免上述3個(gè)問(wèn)題，同時(shí)由于管內(nèi)無(wú)水，可以采用密度較小的巖石膨化炸藥進(jìn)行作業(yè)，相對(duì)于混裝乳化，延米裝藥量只有后者的1/3～1/2，這樣就節(jié)省了大量的炸藥成本，降低了單耗，節(jié)約成本。

從采用PVC特制管進(jìn)行水孔作業(yè)以來(lái)，一共用去PVC管1850根（實(shí)際起作用1574根，其余因密封、破損問(wèn)題仍使用的乳化炸藥），爆破方量61.8萬(wàn)m3。1）PVC管爆破方案使用各類炸藥合計(jì)129.06 t，其中非抗水類炸藥100.98t（混裝銨油炸藥63.83 t，膨化炸藥37.15 t），成品乳化炸藥28.08t。2）采用PVC管綜合成本增加30.2萬(wàn)元；使用膨化炸藥裝填PVC管約723根，節(jié)省成本32.5萬(wàn)元；使用混裝銨油炸藥裝填PVC管約851根，節(jié)省成本23.3萬(wàn)元，合計(jì)節(jié)省55.8萬(wàn)元；實(shí)際節(jié)省爆破成本25.6萬(wàn)元，核0.41元/m3。按現(xiàn)場(chǎng)每年水孔爆破方量500萬(wàn)m3計(jì)算，一年企業(yè)僅在水孔爆破方面可節(jié)約成本207.12萬(wàn)元。

水孔特制管裝藥爆破技術(shù)是一種新型爆破施工技術(shù)，是將不防水工業(yè)炸藥應(yīng)用于水孔爆破中，是不防水工業(yè)炸藥的發(fā)展、延伸，為露天礦水孔低成本爆破積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在同類工程中具有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

3 排土方案規(guī)劃

由于礦山目前正處于轉(zhuǎn)向階段，而下部采煤作業(yè)采用了輪斗-帶式輸送機(jī)連續(xù)工藝，因此興盛露天礦山的剝離與排棄存在一定的影響。

3.1 搭橋內(nèi)排方案

采用搭橋內(nèi)排方案，需要搭橋前將采煤的連續(xù)工藝移至西工作幫，這樣搭橋內(nèi)排不會(huì)干擾到連續(xù)采煤作業(yè)。受到煤層產(chǎn)狀的影響，采場(chǎng)中部水平的工作線長(zhǎng)度只有760 m，東幫只有200 m的工作線，因此橋體宜設(shè)在采場(chǎng)中部。這樣的話就會(huì)縮短剝離物運(yùn)距。剝離物內(nèi)排時(shí)，平均運(yùn)距可以縮短至1.1 km。與之前相比，排土方案運(yùn)距可以節(jié)省近0.9 km，按雪峰爆破工程有限公司每年的剝離工程量估算，可以節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用約2 000萬(wàn)元，但是受到排土橋的影響，需要斷中間橋才能保證資源全部采出。內(nèi)排土橋的參數(shù)確定如下。

3.1.1 橋面寬度

橋面寬度根據(jù)汽車運(yùn)輸所需要的寬度，汽車運(yùn)輸?shù)缆穼挾鹊挠?jì)算如公式（1）所示。

式中：Bc—2輛汽車的交車時(shí)的安全距離，m；Bs—汽車離邊坡的安全距離，m；Lc—汽車的車體寬度。

3.1.2 搭橋的坡面角

搭橋的坡面角主要取決于剝離物的自然安息角，如公式（2）所示。

式中：θa—搭橋剝離物的自然安息角，°。

3.1.3 搭橋長(zhǎng)度

搭橋橋面的長(zhǎng)度是由搭橋高度、坑底寬度決定的，其計(jì)算公式如公式（3）所示。

式中：Lb—搭橋長(zhǎng)度，m。hi—搭橋高度，m。α—采場(chǎng)工作幫幫坡角。β—排土工作幫幫坡角。D—坑底寬度。

3.1.4 橋的高度

受到露天礦山剝離臺(tái)階水平分布和總的剝離工程量的影響，應(yīng)該合理設(shè)置搭橋高度[2-3]。搭橋位置的最高水平越高，相應(yīng)運(yùn)距會(huì)降低，但搭橋費(fèi)用同時(shí)增高；如果降低搭橋高度，則礦山運(yùn)距增大，而相應(yīng)搭橋費(fèi)用降低[2-6]。這樣就有一個(gè)最優(yōu)的搭橋高度，其費(fèi)用變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2（圖中A為排土橋的最優(yōu)高度）。

圖2 搭橋費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用關(guān)系

3.2 反向內(nèi)排方案

由于受到轉(zhuǎn)向的影響，后期在采場(chǎng)西南位置，勢(shì)必會(huì)形成這一位置內(nèi)排空間富裕，這就會(huì)造成前期內(nèi)排運(yùn)距增大，而后期內(nèi)排空間跟進(jìn)不足。同時(shí)采煤的連續(xù)工藝也會(huì)造成排土不便管理，因此結(jié)合礦山的實(shí)際情況，建議礦山在原有膠帶干線上方布置鋼筋混凝土橋涵，然后合理規(guī)劃，在膠帶上方排土，可以充分地利用內(nèi)排空間，也使排土工作更有規(guī)劃性，方便管理作業(yè)。

同時(shí)為進(jìn)一步縮短運(yùn)距修建反向內(nèi)排土橋，即內(nèi)排土場(chǎng)發(fā)展方向與正常情況下內(nèi)排土場(chǎng)的發(fā)展方向相反。反向內(nèi)排方案為興盛露天煤礦轉(zhuǎn)向時(shí)期的臨時(shí)措施，該方案可以在礦山轉(zhuǎn)向期間縮短西工作幫剝離物的內(nèi)排運(yùn)輸距離，同時(shí)也對(duì)轉(zhuǎn)向完成后，剝離的正常作業(yè)帶來(lái)有利的影響。

對(duì)于疆納礦山，如果后期采煤系統(tǒng)在新采區(qū)端幫留溝，作為永久運(yùn)煤通道，那么露天礦則不能選用采區(qū)間搭橋方案。因?yàn)榇顦驎?huì)切斷運(yùn)煤干道，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)，需要將輪斗-帶式輸送機(jī)移至搭橋一側(cè)進(jìn)行采煤，另一側(cè)采用單斗-卡車工藝系統(tǒng)。

需要提前將礦山西南角煤炭資源迅速剝離采出，推進(jìn)到采場(chǎng)設(shè)計(jì)境界；在新采區(qū)南幫開(kāi)始延深時(shí)，修筑一個(gè)坡道，剝離物從坡道運(yùn)出，直接從煤底板向東、向北在采空區(qū)進(jìn)行高段排土；隨著270平盤(pán)的推進(jìn)，逐漸向上建立各反向排土平盤(pán)[7-8]。最終反向內(nèi)排方案的初始示意圖如圖3所示。

圖3 反向排土方案示意圖

該方案前期可以暫時(shí)不對(duì)輪斗-帶式輸送機(jī)進(jìn)行移設(shè)，但是由于反向內(nèi)排會(huì)使內(nèi)排場(chǎng)進(jìn)一步靠近膠帶所在的線路，為了增大內(nèi)排量，縮短運(yùn)距，可在修建反向內(nèi)排初始位置處預(yù)留鋼筋混凝土橋涵，同時(shí)在原膠帶線路上方布置鋼筋混凝土橋涵，橋涵橫穿反向內(nèi)排土場(chǎng)，不僅可服務(wù)目前采區(qū)，也可以繼續(xù)服務(wù)礦山轉(zhuǎn)向后的煤炭開(kāi)采。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)興盛露天煤礦賦存條件和采剝現(xiàn)狀進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)礦山車鏟匹配、爆破工藝的優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合采礦工藝，對(duì)排土方案做了簡(jiǎn)單的規(guī)劃，可以使礦山達(dá)到降本增效的目的。結(jié)論包括以下3點(diǎn)：1）興盛露天煤礦剝離車鏟比匹配為1∶4～1∶5，靠近端幫位置可以按1∶4匹配，西幫位置按1∶5匹配。并要求現(xiàn)場(chǎng)管理人員，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)配車輛，保證剝離作業(yè)的正常進(jìn)行。2）水孔特制管裝藥爆破技術(shù)可以在該礦山原爆破技術(shù)的基礎(chǔ)上，節(jié)省0.41元/m3，進(jìn)一步節(jié)省成本。3）在轉(zhuǎn)向區(qū)連接處設(shè)置內(nèi)排土橋，使礦山的剝離系統(tǒng)規(guī)劃更加合理，采剝系統(tǒng)干擾小，便于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的管理，從而降低企業(yè)的各類成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。