武成權(quán)，威 華，郭 帥

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

在露天礦開采過程中，若遇到大的背斜構(gòu)造，將對(duì)生產(chǎn)造成很大的影響。過渡背斜會(huì)導(dǎo)致運(yùn)距和高差逐步增加，大高差提升運(yùn)輸系統(tǒng)布置困難，內(nèi)排土場(chǎng)排棄空間不足等問題。針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了一些研究取得了顯著的成果。一些學(xué)者結(jié)合煤層底板傾角分布和剝離物料流向情況，利用空間在坡度、穩(wěn)定性滿足的條件下實(shí)施對(duì)上部各干道進(jìn)行優(yōu)化改造，在保持運(yùn)輸系統(tǒng)流暢的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)排土空間的創(chuàng)造，有效地降低了提升高度和運(yùn)距[1-2]；通過開采程序、采排工作面布置、運(yùn)輸系統(tǒng)布置等優(yōu)化方式，有效緩解背斜對(duì)露天礦生產(chǎn)帶來的不利影響[3-4]。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于地質(zhì)條件、開采程序、開采現(xiàn)狀等不同條件下，會(huì)產(chǎn)生許多新的問題。因此，通過研究復(fù)雜地質(zhì)條件下采運(yùn)排優(yōu)化，提高露天礦經(jīng)濟(jì)效益具有重要的理論與實(shí)際意義。

1 礦山概況

目前，安家?guī)X露天礦開采遇到蘆子溝背斜，露天礦坑底下部煤層開采已全面進(jìn)入背斜下降影響區(qū)。在背斜影響區(qū)，煤層傾角急劇增大，煤層平均傾角達(dá)8°～12°，局部最大傾角22°，煤層落差達(dá)270 m，地表和基巖面下降50～100 m，傾角變大區(qū)域長(zhǎng)1 200～2 100 m。在推進(jìn)過程中由于遭遇蘆子溝背斜地質(zhì)構(gòu)造，在推進(jìn)生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生穿孔、采裝設(shè)備無法安全高效作業(yè)，排土運(yùn)距增加、高差急劇上升，內(nèi)排無法正常跟進(jìn)，排土空間緊張等一系列問題。因此，如何保障露天礦的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益成為非常緊迫的問題，從而如何確保傾斜工作面安全高效作業(yè)、運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化、增加排土空間就成為急需解決的核心問題。

2 傾斜工作面作業(yè)流程優(yōu)化

受背斜影響，煤層頂?shù)装鍎?shì)必形成傾斜作業(yè)面，大傾角作業(yè)面給穿爆、采運(yùn)設(shè)備作業(yè)帶來很大安全隱患。同時(shí)受設(shè)備對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性的要求，必須對(duì)臺(tái)階劃分方式和開采方法做優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證設(shè)備安全高效作業(yè)。傾斜工作面特殊作業(yè)主要涉及穿爆和采裝2 個(gè)主要環(huán)節(jié)。煤層頂板和煤層下部巖石臺(tái)階穿孔時(shí)，自營(yíng)鉆機(jī)穿孔作業(yè)面最大坡度暫按8.5 %，福建小鉆進(jìn)行穿孔時(shí)作業(yè)面最大坡度暫按15 %，需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定；電鏟采裝作業(yè)時(shí)，作業(yè)面最大坡度不得超過3 %（《煤炭安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化基本要求及評(píng)分辦法》作業(yè)平盤作業(yè)時(shí)橫向坡度不大于2 %，縱向坡度不大于3 %）。

2.1 穿爆工序優(yōu)化

根據(jù)地質(zhì)資料和無人機(jī)航測(cè)資料，對(duì)傾斜煤層傾角按小于3 %、3 %～8.5 %、8.5 %～15 %、大于15 %進(jìn)行大致劃分。作業(yè)區(qū)域傾角小于等于鉆機(jī)最大作業(yè)坡度時(shí)，鉆機(jī)正常穿孔作業(yè)（按每幅40 m 準(zhǔn)備炮區(qū)），正常進(jìn)行穿爆作業(yè)；作業(yè)區(qū)域傾角大于鉆機(jī)最大作業(yè)坡度時(shí)，鉆機(jī)無法站立，需采取特殊炮區(qū)準(zhǔn)備方式；傾斜延深露煤時(shí)，上部平盤寬度大于145～165 m，方可進(jìn)行炮區(qū)準(zhǔn)備和穿孔工作。

1）煤層或底板巖石較軟。履推將傾斜穿孔作業(yè)面平整成多個(gè)7～8 m 寬的近水平臺(tái)階，鉆機(jī)方可在近水平臺(tái)階上進(jìn)行穿孔作業(yè)，

2）煤層或底板巖石較硬。在傾斜作業(yè)面頂部預(yù)留三角量，履推作業(yè)形成鉆機(jī)站立面（每穿1 排孔需清理炮區(qū)1 次），鉆機(jī)方可在近水平臺(tái)階上進(jìn)行穿孔作業(yè)。

2.2 采裝工序優(yōu)化

對(duì)傾斜煤層傾角按小于3 %、3 %～8.5 %、8.5 %～15 %、大于15 %進(jìn)行大致劃分。作業(yè)區(qū)域傾角小于等于3 %時(shí)，直接露煤采掘見煤頂或者直接采煤見煤底板；作業(yè)區(qū)域傾角大于3 %時(shí)，分多次降深。

先由電鏟在推進(jìn)方向超前按照采寬60 m 掏槽采掘，采高7～8 m（煤層傾角較小時(shí)采高需≥2 m），再由電鏟對(duì)作業(yè)半徑16 m 范圍內(nèi)三角量進(jìn)行采掘，最后剩余三角量由履推推至電鏟作業(yè)半徑范圍內(nèi)，再進(jìn)行采掘（也可由前裝機(jī)配合采掘），第2 次、第3次降深（煤層傾角較小時(shí)需第三次降深，方法同第1次降深），直至形成采煤臺(tái)階或15 m 標(biāo)準(zhǔn)剝離臺(tái)階，延深形成新平盤降深如圖1。

圖1 延伸形成新平盤第1 次降深示意圖

2.3 傾斜工作面安全技術(shù)措施

1）露煤方式。煤層頂部?jī)A斜臺(tái)階采用分段降深掘溝，根據(jù)煤層傾角大小，在保證電鏟、卡車設(shè)備作業(yè)安全的前提下，分2～3 次降深形成15 m 標(biāo)準(zhǔn)巖石剝離臺(tái)階，進(jìn)而逐步出露急劇下降的煤層。

2）穿爆作業(yè)。煤層頂板和煤層下部巖石臺(tái)階穿孔時(shí)，如采用自營(yíng)鉆機(jī)穿孔，當(dāng)作業(yè)面坡度超過8.5%，需采取推土機(jī)、爆破或預(yù)留部分煤層不采的措施來取平作業(yè)面，再進(jìn)行穿孔作業(yè)；采用福建小鉆進(jìn)行穿孔時(shí)，作業(yè)面坡度不宜超過15 %。

3）采裝作業(yè)。電鏟作業(yè)面坡度不得超過8%，若作業(yè)面坡度較大，需采取預(yù)留部分三角量或修墊取平的措施，直至滿足設(shè)備作業(yè)坡度要求時(shí)再作業(yè)；三角量采掘時(shí)需要推土機(jī)配合?？ㄜ囇b車時(shí)，嚴(yán)禁裝偏車，同排輪胎應(yīng)盡量保持水平、最大坡度不得超過3%。

3 運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化

受蘆子溝背斜構(gòu)造影響，煤層急劇下降，采場(chǎng)工作面相對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)在推進(jìn)方向上形成較大的高差，剝離重心不斷下降，導(dǎo)致排棄運(yùn)距、高差急劇增大。在單斗-卡車工藝下，卡車運(yùn)距是決定露天礦生產(chǎn)效益的關(guān)鍵因素之一。因此，在過背斜期間，如何優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)、縮短卡車運(yùn)距，是技術(shù)降本的關(guān)鍵[5-7]。

1）北幫運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化。北幫靠近土場(chǎng)區(qū)域端幫壓煤已采掘完畢，規(guī)劃北部剝離物料就近排棄至掏槽區(qū)域，并從掏槽區(qū)域按最大爬坡能力向西起坡排棄，形成北幫北三、北四、北五3 條直線運(yùn)輸干道，避免物料在土場(chǎng)折返排棄，縮短排棄運(yùn)距450 m。

2）樹杈式中部搭橋。通過研究背斜地質(zhì)構(gòu)造情況，發(fā)現(xiàn)安家?guī)X露天礦4＃煤頂與內(nèi)排基底水平相差不大。因此，在采場(chǎng)中部形成9＃煤頂-內(nèi)排X1270 土場(chǎng)、4＃煤頂-內(nèi)排X1270 土場(chǎng)的樹杈式中部運(yùn)輸通道，礦坑4＃煤上下部剝離物料通過中部運(yùn)輸通道反向就近內(nèi)排至土場(chǎng)，降低運(yùn)距400 m。一方面由于坑底-9＃煤頂板-4＃煤頂板水平標(biāo)高相近，中部橋采場(chǎng)段可直接在作業(yè)面修墊形成，幾乎不產(chǎn)生二次剝離量，為最大限度利用中部橋，將橋分別搭至4＃煤頂板、9＃煤頂板，4＃煤上、下部3～4 個(gè)剝離臺(tái)階均可經(jīng)中部橋至內(nèi)排土場(chǎng)，擴(kuò)大服務(wù)了范圍；另一方面為保證運(yùn)輸安全，將中部橋?qū)挾仍黾又?0 m，保證2 條運(yùn)輸?shù)缆罚笮?、小型設(shè)備分道路進(jìn)行運(yùn)輸。

3）整體規(guī)劃。將礦坑采掘區(qū)域大致劃分為北、南、中3 部分，北部物料經(jīng)北幫3 條優(yōu)化后運(yùn)輸干道排棄至北部相應(yīng)土場(chǎng)，中部物料經(jīng)新形成中部橋排棄至中部相應(yīng)土場(chǎng)，南部少量物料經(jīng)南幫干道排棄至南部土場(chǎng)，采運(yùn)排整體分區(qū)優(yōu)化，縮短排棄運(yùn)距。

4）通過運(yùn)輸系統(tǒng)整體優(yōu)化，可節(jié)約運(yùn)輸成本約3 179 萬元。

4 排土空間優(yōu)化

當(dāng)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)入背斜軸向下傾斜一側(cè)，由于內(nèi)排基底傾斜，容易造成順層滑坡。一般認(rèn)為，當(dāng)坑底坡度大于10 %（6°）時(shí)就無法實(shí)現(xiàn)正常內(nèi)排。因此，內(nèi)排土場(chǎng)推進(jìn)至坡度大于10 %區(qū)域時(shí)將無法繼續(xù)正常推進(jìn)，造成內(nèi)排空間不足，必須尋找排土空間以滿足排土需要[8-10]。

4.1 相鄰礦區(qū)協(xié)調(diào)排土

為緩解安家?guī)X礦排土空間緊張局面，同時(shí)降低卡車剝離運(yùn)距，提高設(shè)備效率、降低生產(chǎn)成本，利用安太堡礦和安家?guī)X礦南北相鄰的先天條件，創(chuàng)造性的提出了兩礦之間協(xié)調(diào)排土方案，安家?guī)X礦中北部剝離物料經(jīng)協(xié)調(diào)排土運(yùn)輸干道排棄至安太堡礦縮界區(qū)域1300 土場(chǎng)。安太堡礦縮界區(qū)域最上部排土為1270 平盤，排土平盤寬度220 m，具備排棄形成1300 土場(chǎng)條件，隨著后續(xù)排土工作線向北推進(jìn)，上部1300 土場(chǎng)將釋放充足的排棄空間，可滿足安家?guī)X礦排土需求。

1）礦坑外部運(yùn)輸路線規(guī)劃。將礦坑?xùn)|北角1 240～1 225 m 水平坡道向東擴(kuò)寬至40 m，滿足自營(yíng)930E卡車通行，向北留80 m 緩沖平臺(tái)，穿過安家?guī)X礦北幫35 kV 供電線路，形成1270～1250 m 水平坡道與現(xiàn)930 卡車聯(lián)絡(luò)道搭通，繼續(xù)向北降段穿過安太堡礦35 kv 供電線路，排棄至沖溝區(qū)域及安太堡礦縮界區(qū)域。礦坑內(nèi)部運(yùn)輸路線規(guī)劃，在礦坑?xùn)|幫形成1225運(yùn)輸主干道，東北部形成1225～1180 m 水平出入溝，依次由上至下形成1225～1210 m 水平坡道、1210～1195 m 水平坡道、1195～1180 m 水平坡道，各坡道之間留80 m 緩沖平臺(tái)，與礦坑各平盤聯(lián)絡(luò)運(yùn)輸。

2）東幫工作面移動(dòng)坑線優(yōu)先布置。在礦坑最東北角區(qū)域，并逐步向下延伸，確保物料直線運(yùn)輸至安太堡內(nèi)排土場(chǎng)；然后根據(jù)采場(chǎng)推進(jìn)及東幫各平盤靠界情況，將移動(dòng)坑線逐步向南移設(shè)，實(shí)現(xiàn)既不影響礦坑?xùn)|北角正?？拷?，又能盡最大能力節(jié)約運(yùn)距的效果，同時(shí)也可以避免端幫留溝造成下部原煤185 萬t無法采出的情況。協(xié)調(diào)排土實(shí)施方案如圖2。

圖2 相鄰礦區(qū)協(xié)調(diào)排土示意圖

3）安家?guī)X礦東北部剝離物料排棄至安太堡礦縮界區(qū)域。有效緩解了安家?guī)X礦過背斜期間內(nèi)排空間不足的局面，增加排土空間約4 000 萬m3；物料較排棄至礦內(nèi)排1390 土場(chǎng)可縮短運(yùn)距1.2 km、降低高差60 m，可節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用約7 824 萬元；東幫形成1 條運(yùn)輸干道，有效緩減北幫運(yùn)輸系統(tǒng)壓力，降低車流密度，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的安全可靠性。

4.2 背斜區(qū)域特殊方式排土

為縮短剝離排棄運(yùn)距、降低高差，規(guī)劃在礦坑背斜傾角較大區(qū)域進(jìn)行偽傾斜+端幫支撐排土，增加內(nèi)排土場(chǎng)排土空間。根據(jù)11＃煤底板的坡度分布情況以及傾角大小，在傾角較大區(qū)域采用麻面爆破方式處理基底，并在11＃煤底板傾角為12°以上區(qū)域的坡底位置傾斜基底上留設(shè)梯形煤柱。采用偽傾斜的排土方案進(jìn)行排棄形成排土場(chǎng)運(yùn)輸坡道，并在開采11＃煤時(shí)對(duì)基底泥巖層進(jìn)行小麻面爆破，排土工作線推進(jìn)至12°區(qū)域時(shí)，在12°區(qū)域坡底平行排土工作線留設(shè)11＃煤巖防滑煤柱，傾斜排棄區(qū)坡底做合格的安全擋墻。4＃煤頂板、4 下1 及4 下2 平盤剝離物料就近排棄至該區(qū)域。經(jīng)計(jì)算，2021 年X1240 及以下土場(chǎng)排棄量約400 萬m3，運(yùn)距較排棄X1330 土場(chǎng)縮短約1.7 km。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過對(duì)傾斜工作面穿孔工序、采裝工序的優(yōu)化，明確了傾斜煤層或底板巖石較軟、底板巖石較硬時(shí)穿孔流程，采掘延伸形成新平盤降深流程，確保傾斜工作面采礦設(shè)備安全高效作業(yè)。

2）針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下運(yùn)輸系統(tǒng)布置困難和運(yùn)距高差逐步增加的問題，對(duì)北幫運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，形成3 條直線運(yùn)輸干道，避免物料在土場(chǎng)折返，縮短運(yùn)距；應(yīng)用樹杈式中部搭橋，形成多環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)，采運(yùn)排整體分區(qū)布置，縮短排棄運(yùn)距；可節(jié)約運(yùn)輸成本約3 179 萬元。

3）利用安太堡礦和安家?guī)X礦南北相鄰的先天條件，提出了兩礦之間協(xié)調(diào)排土方案，安家?guī)X礦中北部剝離物料經(jīng)協(xié)調(diào)排土運(yùn)輸干道排棄至安太堡礦縮界區(qū)域1300 土場(chǎng)，有效緩解了安家?guī)X礦過背斜期間內(nèi)排空間不足的局面，增加排土空間約4 000 萬m3。同時(shí)通過實(shí)施協(xié)調(diào)排土，可縮短排棄運(yùn)距1.2 km，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。