哈爾烏素露天礦下部開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究＊

胡存虎 羅懷廷，2

（1.哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾市，010300；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

根據(jù)露天采礦設(shè)計(jì)理論可知繞端幫內(nèi)排運(yùn)輸需要設(shè)定端幫運(yùn)輸通道，勢必造成設(shè)計(jì)幫坡角減小，引起補(bǔ)充擴(kuò)幫量，由此造成汽車的運(yùn)距長，運(yùn)輸成本增加，而且由于最下部水平的運(yùn)輸通路造成壓煤，影響開采的經(jīng)濟(jì)效果。因此，考慮在下部水平采用中間搭橋運(yùn)輸系統(tǒng)，以減少運(yùn)距和擴(kuò)幫量，實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 哈爾烏素露天礦概況

準(zhǔn)格爾煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，哈爾烏素露天礦位于薛家灣鎮(zhèn)。哈爾烏素露天礦區(qū)煤田被約30m 厚黃土所覆蓋。礦田可采原煤儲量17.1億t，煤層平均厚度為21.01 m，全礦平均剝采比為6.626 m3／t，設(shè)計(jì)服務(wù)年限79a，首采區(qū)服務(wù)年限32a。首采區(qū)設(shè)計(jì)服務(wù)年限達(dá)27a，平均剝采比3.96 m3／t，基建工程量86.00mm3。

哈爾烏素露天礦區(qū)共含煤12層，其中6＃煤層為主要可采層，屬較穩(wěn)定煤層，其自然厚度0.40～39.54m，平均為21.01m，6＃煤層儲量占露天礦全部可采儲量的80%。哈爾烏素露天礦是大型露天煤礦，產(chǎn)量達(dá)3500 萬t／a，推進(jìn)度為400m／a，首采區(qū)采取沿走向布置工作線，全區(qū)自西向東縱采。工作線長度為2000 m。上部剝離臺階采取水平分層，多排孔微差爆破，北端幫實(shí)現(xiàn)靠幫開采。

2 中間搭橋主要參數(shù)

（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)缆穼挾龋?/p>

式中：Bd——汽車運(yùn)輸?shù)缆穼挾龋琺；

Bc——兩輛汽車交車時的安全距離，m；

Bs——汽車離邊坡的安全距離，m；

Lc——汽車的車體寬度，m。

（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，則：

式中：θ——搭橋的坡面角，（°）；

θa——搭橋剝離物的自然安息角，（°）。

（3）搭橋長度。搭橋橋面的長度是由搭橋高度、坑底寬度決定，計(jì)算式：

式中：Lb——搭橋長度，m；

hi——搭橋高度，m；

α——采場工作幫幫坡角，（°）；

β——排土工作幫幫坡角，（°）。

（4）橋的高度。搭橋最高水平位置的設(shè)置涉及物料垂直方向的運(yùn)輸，同時工程量的大小也影響搭橋高度的設(shè)置。搭橋水平高度越高，剝離物的運(yùn)距會減小，尤其是在接近地表的臺階水平，但搭橋費(fèi)用越高；搭橋水平高度越低，搭橋費(fèi)用越少，剝離物的運(yùn)距越大，這樣就有一個最優(yōu)的水平位置，以搭橋高度hi為自變量，費(fèi)用S 為變量，繪制費(fèi)用的變化趨勢，見圖1。

圖1 搭橋費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用關(guān)系

為求得A 點(diǎn)位置，則取搭橋可以得到的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)，搭橋高度為自變量，搭橋可以得到的經(jīng)濟(jì)效益為：

式中：Sd——搭橋可以獲得的經(jīng)濟(jì)效益，元；

Sy——搭橋節(jié)省的運(yùn)輸費(fèi)用，元；

Sdq——搭橋費(fèi)用，元；

b——剝離物的噸公里運(yùn)費(fèi)，元／m3·km；

r——搭橋單位工程量的費(fèi)用，元／m3；

ΔD——減小的內(nèi)排運(yùn)距，m；

P——搭橋的工程量，m3。搭橋高度為hi，排土臺階數(shù)為n，因此搭橋高度的范圍 ｛h1，h2，…h(huán)n｝，則搭橋工程量為：

式中：P——搭橋工程量；

B——搭橋底部寬度，m；

φ——搭橋邊坡的角度，（°）。

從搭橋上通過的剝離物量為：

減小的內(nèi)排運(yùn)距：

式中：Ld——采場最底寬度，m；

Lp——排土場最底寬度，m；

x——搭橋以下重心高度。

得：

根 據(jù) 式 （10），求 得hi，由 于hi∈｛h1，h2，…h(huán)n｝，若有hj≤hi≤hk，需要求得Sd（hj）和Sd（hk），然后比較兩個值的大小。

（1）如果Sd（hj）≥Sd（hk），則取搭橋設(shè)置高度hj；

（2）如果Sd（hj）≤Sd（hk），則取搭橋設(shè)置高度hk。

3 搭橋位置的選擇

3.1 橋體平面位置的選擇

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析，后期北幫+1085 運(yùn)輸平臺進(jìn)行陡幫開采，故+1085以下的剝離物通過采場中部土橋運(yùn)往排土場。如圖2所示建立直角坐標(biāo)系，取+1085m 運(yùn)輸平盤為Y 軸，采場底部+990m 平盤 （煤層底板）為X 軸。

圖2 采場示意圖

采場+1085m 水平的開采臺階和排土臺階簡化圖如圖3所示，則排棄土巖從開采臺階到排土臺階運(yùn)輸距離：

即：

式中：x——南端幫開采臺階到搭橋的距離，m；

y——北端幫開采臺階到搭橋距離，m；

m——南端幫排土臺階到搭橋的距離，m；

n——北端幫排土臺階到搭橋距離，m；

A——橋長，與內(nèi)排空間有關(guān)，m；

（x+y）——開采臺階工作線長度，此后開采過程中基本保持不變，m；

（m+n）——排土工作線長度，此后開采過程中也基本保持不變，m。

由此得出，搭橋后內(nèi)排運(yùn)距基本保持不變?？紤]到搭橋兩次排土運(yùn)距的有效均衡，故將橋體設(shè)置在靠近開采臺階和排土臺階中間位置。

圖3 開采臺階和排土臺階簡化圖

3.2 橋體空間位置的選擇

選取采場空間某一截面，建立如圖4所示橋體空間位置計(jì)算模型：

圖4 橋體空間位置

圖中：α——內(nèi)排土場邊坡角，（°）；

β——工作幫幫坡角，（°）；

h1——煤層厚度，m；

h2——工作幫臺階總高度，m；

h3——排土臺階總高度，m；

x——排土臺階橋頭離內(nèi)排土臺階坡腳距離，m；

y——排土臺階橋頭離排土臺階坡頂線距離，m；

a——工作幫橋頭離煤面傾斜坡面距離，m；

b——工作幫橋頭離工作幫坡頂線距離，m。

規(guī)定工作幫每個剝離臺階產(chǎn)出巖石排棄到相應(yīng)排土臺階。則巖石排棄的加權(quán)平均運(yùn)距：

式中：ni——煤層上部第i個剝離臺階的巖石產(chǎn)出量，m3。

若不考慮重車、輕車、上坡和下坡能量的轉(zhuǎn)化，由式 （13）可以估算出橋體搭接在工作幫 （a+b）／2位置和非工作幫 （x+y）／2 位置附近運(yùn)距最小。

4 搭橋方案

根據(jù)采場現(xiàn)有情況，采場和排土場連接橋的搭接方案有兩種。

4.1 沿6＃煤層頂板水平搭橋方案 （方案一）

采場中部剖面如圖5所示，工作幫已開采6＃煤層底板水平+980m，煤層平均厚度30m，煤面水平+1010 m，內(nèi)排土臺階下部水平選取+1030 m，采用在+1010 m 水平到+1030 m 水平搭橋。橋體水平距離327.15m。同時，工作幫+1010 m水平以上的運(yùn)輸?shù)缆房梢岳^續(xù)使用。排棄的巖石通過水平橋到達(dá)排土場+1030 m 水平以后繼續(xù)向更高水平，運(yùn)輸排棄過程中需要在排土臺階直接修筑斜坡道才能到達(dá)更高水平排棄臺階進(jìn)行排棄。

圖5 采場中部搭橋位置

中部搭橋方案優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）可以在兩端幫進(jìn)行陡幫開采時保持土巖排棄通路的暢通，可以保證礦山生產(chǎn)正常進(jìn)行。

（2）在礦巖運(yùn)輸過程中，因?yàn)橥翈r運(yùn)輸車輛在煤層頂板經(jīng)過，較大限度地減少了其長時間接觸煤層的機(jī)會，降低了土巖運(yùn)輸對煤質(zhì)的影響。

（3）在進(jìn)行土巖運(yùn)輸時，能在較大程度上減少土巖繞端幫時的運(yùn)輸距離。

（4）橋體將原來一個采煤工作面分割為兩側(cè)。因此，隨著礦山工程的進(jìn)行，兩側(cè)的煤炭要設(shè)立獨(dú)立的運(yùn)輸通路進(jìn)行運(yùn)輸。

（5）由于橋面位于較低水平 （+1010 m～+1030m），而煤層上部巖石臺階從+1010m 水平到+1085m 水平 （+1085m 水平以上的礦巖通過北幫+1085 m 運(yùn)輸平盤排棄）需要通過搭橋排棄，故會引起一部分反高程運(yùn)輸，增加了運(yùn)輸成本。

（6）橋體的土巖會造成二次剝離，需要支付額外的費(fèi)用。

4.2 工作幫不動，內(nèi)排臺階修筑斜坡道進(jìn)行內(nèi)排（方案二）

6＃煤層頂板以上需要排棄的巖石通過位于工作幫的運(yùn)煤移動坑線向坑底運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)?980m的煤層底板后，通過位于內(nèi)排土臺階上的斜坡道爬升到較高水平進(jìn)行排棄。

此方案的優(yōu)點(diǎn)不需在坑底設(shè)置土橋，避免了二次剝離，后期端幫+1085m、以及+1055m 運(yùn)輸通道建立之后，可與此方案中的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)相配合進(jìn)行礦巖的運(yùn)輸，由于設(shè)立了兩套運(yùn)巖系統(tǒng)，在進(jìn)行陡幫開采過程中可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)。

缺點(diǎn)為在進(jìn)行陡幫開采過程中，端幫+1085 m 水平掘斷后，所有物料必須全部運(yùn)到坑底然后再向上運(yùn)往相應(yīng)的排土平臺，出現(xiàn)了較大的反高程運(yùn)輸，使運(yùn)輸成本顯著增加。且坑底空間有限，斜坡道的設(shè)置會造成更大的運(yùn)距。

圖6 排土臺階移動線路示意圖

4.3 兩種方案有關(guān)參數(shù)對比

將方案一與方案二的特性進(jìn)行對比，見表1。

表1 兩種方案特性對比

由表1看出兩個方案各有優(yōu)劣，需要在方案實(shí)施時結(jié)合具體的條件進(jìn)行綜合考慮，衡量運(yùn)量、運(yùn)能、搭橋工程量對于陡幫開采及煤質(zhì)的影響，同時要計(jì)算方案的具體經(jīng)濟(jì)效益。在權(quán)衡各個方面的因素之后，選擇最優(yōu)的方案進(jìn)行實(shí)施。

5 結(jié)論

（1）以哈爾烏素露天礦為實(shí)例，充分考慮到生產(chǎn)實(shí)際，建立中間橋模型，確定了露天礦采場搭設(shè)中間橋的橋?qū)?、橋長、橋體坡面角、橋高等參數(shù)。

（2）提出了能在最大程度上節(jié)省汽車運(yùn)距、減少運(yùn)輸成本及實(shí)現(xiàn)靠幫開采的兩種下部運(yùn)輸方案，并對兩種方案各項(xiàng)特性進(jìn)行了比對分析。

［1］ 洛中洲.露天采礦學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990

［2］ 楊榮新.露天采礦學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990

［3］ 車兆學(xué).安家?guī)X露天煤礦內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007 （4）

［4］ 才慶祥，姬長生.大型露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996 （4）

［5］ 周偉，才慶祥，尚濤.大型近水平露天煤礦轉(zhuǎn)向期間開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008（4）