哈爾烏素露天煤礦應(yīng)用中部溝的研究

侯占山，張 慧

（中國(guó)神華哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

出入車(chē)溝是露天礦開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是整個(gè)開(kāi)采體系中的一個(gè)重要組成部分，它與開(kāi)采方法、開(kāi)拓運(yùn)輸方式等密切有關(guān)。在大型深凹露天礦中，為保證將露天礦不同時(shí)期開(kāi)采的礦石與巖石經(jīng)濟(jì)的拉運(yùn)到地表卸車(chē)站及輸運(yùn)地點(diǎn)，采用不同的出入車(chē)溝方式。中部溝是出入車(chē)溝的一部分，目前廣泛應(yīng)用于拋擲爆破-吊斗鏟倒堆工藝中。

在哈爾烏素露天煤礦初步設(shè)計(jì)中中部溝應(yīng)用在拋擲爆破-吊斗鏟倒堆工藝下，由于生產(chǎn)需要，哈爾烏素露天煤礦一直沒(méi)有使用拋擲爆破-吊斗鏟倒堆工藝。因此，中部溝在哈爾烏素露天煤礦的應(yīng)用也停留在了理論階段。隨著礦石開(kāi)采與土地資源間的矛盾越演越烈，征地問(wèn)題已經(jīng)成為了哈爾烏素露天煤礦最大的難題，它阻礙了礦山企業(yè)的健康發(fā)展，直接影響礦山開(kāi)采參數(shù)和程序，原有的運(yùn)輸系統(tǒng)逐漸不能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，不得不與時(shí)俱進(jìn)采用一些安全、可靠、技術(shù)上可行的開(kāi)采方法。

1 礦山概況

哈爾烏素露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，東臨黃河，北鄰黑岱溝露天煤礦。礦區(qū)面積67 km2，原煤儲(chǔ)量1 719.39 Mt，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力35.0 Mt，服務(wù)年限49 年，是目前世界單坑產(chǎn)能最大的露天煤礦之一。上部黃土覆蓋層平均厚度40 m，中部巖石層平均厚度100 m，下部煤層平均厚度21 m，平均剝采比6.6 m3/t，煤質(zhì)為中灰、低硫、特低磷優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，平均發(fā)熱量19.7 MJ/kg，因其污染小，適用面廣，被譽(yù)為“綠色煤炭”。

哈爾烏素露天煤礦于2006 年5 月18 日開(kāi)工建設(shè)，2008 年1 月9 日正式成立。采場(chǎng)劃分為3 個(gè)條區(qū)，工作線長(zhǎng)度2 km，開(kāi)采工藝采用單斗－卡車(chē)間斷工藝。自2009 年年底開(kāi)始實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，同時(shí)東擴(kuò)幫工程開(kāi)始實(shí)施，為首采區(qū)轉(zhuǎn)向奠定基礎(chǔ)，2010 年、2011年全面進(jìn)行內(nèi)排，截止2011 年底，首采區(qū)的轉(zhuǎn)向工作全面結(jié)束。

哈爾烏素露天煤礦采煤運(yùn)輸系統(tǒng)主要由煤臺(tái)階、端幫和排土場(chǎng)系列坡道組成。受征地影響，工作幫已形成陡幫，短期內(nèi)無(wú)法完成緩幫繼續(xù)露煤，生產(chǎn)接續(xù)非常困難。為了更好接續(xù)煤炭生產(chǎn)和應(yīng)對(duì)因征地帶來(lái)的困難。提出了中部溝技術(shù)在哈爾烏素露天煤礦單斗－卡車(chē)工藝系統(tǒng)的應(yīng)用，該技術(shù)也為國(guó)內(nèi)單斗－卡車(chē)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用中部溝回采煤炭技術(shù)的提供了技術(shù)保障。

2 中部溝的研究與應(yīng)用

2.1 中部溝的組成及特點(diǎn)

中部溝一般由3 條運(yùn)輸系統(tǒng)組成，其中中間運(yùn)輸系統(tǒng)的標(biāo)高較兩側(cè)底，服務(wù)下部物料運(yùn)輸；兩側(cè)系統(tǒng)標(biāo)高基本一致，分別服務(wù)左右兩側(cè)的中、上部物料運(yùn)輸；3 條系統(tǒng)坡頂標(biāo)高一致，并匯聚到1 條運(yùn)輸系統(tǒng)上。3 條系統(tǒng)構(gòu)成1 個(gè)完整的運(yùn)輸系統(tǒng)，任意2 條運(yùn)行時(shí)可移設(shè)第3 條，循環(huán)前進(jìn)；同時(shí)可減少被采物料上下層之間的聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，可以在狹小的空間內(nèi)連續(xù)采出更多物料[1]。

2.2 中部溝的形成過(guò)程

哈爾烏素的中部溝由3 部分組成[2]，分別是中間的6#下路，服務(wù)南北兩側(cè)6#下煤的運(yùn)輸；北側(cè)的6#中路，服務(wù)北側(cè)6#中煤和6#上煤的運(yùn)輸；南側(cè)6#中路，服務(wù)南側(cè)6#中煤和6#上煤的運(yùn)輸。中部溝的設(shè)計(jì)位置示意圖如圖1。

圖1 哈爾烏素露天煤礦中部溝的設(shè)計(jì)位置示意圖

哈爾烏素露天煤礦中部溝的搭建順序是先6#下路、再北側(cè)6#中路和南側(cè)6#中路。搭建物料全部來(lái)自采場(chǎng)南部和中部的剝離物[3]。整個(gè)工期預(yù)計(jì)需要2 月，總剝離量2.2 Mm3，預(yù)計(jì)投入電鏟2 臺(tái)，推土機(jī)3 臺(tái)。詳細(xì)步驟如下：

1）形成6#下路運(yùn)輸系統(tǒng)。南部995 水平剝離量0.9 Mm3，經(jīng)995 端幫路排棄到990 至945 坡道位置，運(yùn)距1.8 km。電鏟能力按30 000 m3/d 計(jì)算，電鏟作業(yè)時(shí)間30 d；穿孔爆破時(shí)間和推土機(jī)修筑坡道時(shí)間10 d；預(yù)計(jì)40 d 形成6#下路運(yùn)輸系統(tǒng)。

2）形成北側(cè)6 中路運(yùn)輸系統(tǒng)。南部980 m 水平剝離量0.7 Mm3，經(jīng)995 端幫路排棄到990 至960 坡道位置，運(yùn)距2.2 km。電鏟能力按30 000 m3/d 計(jì)算，電鏟作業(yè)時(shí)間24 d；穿孔爆破時(shí)間和推土機(jī)修筑坡道時(shí)間6 d；預(yù)計(jì)30 d 形成北側(cè)6#中路運(yùn)輸系統(tǒng)。

3）形成南側(cè)6#中路運(yùn)輸系統(tǒng)。水澆地北側(cè)夾矸量0.6 Mm3，經(jīng)995 端幫路排棄到990 至960 坡道位置，運(yùn)距3.2 km。電鏟能力按30 000 m3／d 計(jì)算，電鏟作業(yè)時(shí)間20 d；穿孔爆破時(shí)間和推土機(jī)修筑坡道時(shí)間5 d；預(yù)計(jì)25 d 形成南側(cè)6#中路運(yùn)輸系統(tǒng)。北6#中路和南6#中路可同時(shí)施工，形成6#下路、北6#中路和南6#中路總用時(shí)約2 月[4－5]。

2.3 采煤接續(xù)推演

中部溝應(yīng)用后的采煤接續(xù)示意圖如圖2～圖4。

圖2 北6 上采掘位置圖

圖3 北6 中采掘位置圖

圖4 北6 下采掘位置圖

假設(shè)煤底板標(biāo)高為水平面[6]，煤層厚度與哈爾烏素露天煤礦現(xiàn)狀一致按33 m，采場(chǎng)剝離臺(tái)階和排土場(chǎng)排棄臺(tái)階高度均與哈爾烏素露天煤礦現(xiàn)狀一致，分別為15 m 和30 m。中部溝應(yīng)用后，將煤臺(tái)階以中部溝分為南北2 部分，南北工作線循環(huán)推進(jìn)。采煤應(yīng)用分層開(kāi)采方式，6#上煤、6#中煤、6#下煤臺(tái)階高度分別為12、6、15 m。

1）采掘北部6#上煤。北6#中路排棄至煤頂板以下15 m 處，采煤設(shè)備經(jīng)6#中路至煤巖交接位置，升采至6#上煤底板（6#上煤臺(tái)階高12 m），先采掘6#下路正前方切口位置的6#上煤，然后向北采掘，煤量經(jīng)北6#中路和排土場(chǎng)至破碎站。北6#上采掘位置如圖2（＋21 區(qū)域）。

2）采掘北部6#中煤。北6#上煤工作線向北推進(jìn)100 m 后，北6#中煤從6#中路開(kāi)始采掘，6#中煤追蹤6#上煤煤開(kāi)采，連接6#中煤和6#上煤的坡道布置在煤臺(tái)階上，向北邁步式移動(dòng)。北6#中采掘位置如圖3（＋15 m 區(qū)域）。

3）采掘北部6#下煤。北6#上煤工作線向北推進(jìn)200 m 后，北6#下煤追蹤北6#中煤向北采掘，北6#下采煤工作線向北推進(jìn)時(shí)在排土場(chǎng)一側(cè)留設(shè)30 m寬煤柱，煤柱連接6#中路，煤柱服務(wù)6#中煤和6#上煤的煤量運(yùn)輸。北6#下煤采掘位置如圖4（煤底板區(qū)域）。北部6#上煤、6#中煤全部采掘完畢后，將煤柱回采。

2.4 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

哈爾烏素露天區(qū)構(gòu)造與整個(gè)煤田構(gòu)造特征基本一致，仍為構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)，地層傾角均小于10°，一般為5°左右。內(nèi)排土場(chǎng)基底較平緩，基底巖性為砂巖或砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較高。排棄物的內(nèi)摩擦角為23°，黏聚力為30 kPa，密度為1.8 t/m3。

2.4.1 穩(wěn)定性影響因素

邊坡穩(wěn)定性是露天礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，其穩(wěn)定性主要受排棄物自身物理力學(xué)性質(zhì)、排土場(chǎng)基底承載性能、弱層形成及其它自然因素的影響[7]。

1）排棄物料因素。排棄物巖性、顆粒組成、風(fēng)化崩解特性、透水性、壓縮性及其它物理力學(xué)性質(zhì)及工程特性是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素[8]。

2）基底（承載力及變形）因素。排土場(chǎng)基底因素包括排土場(chǎng)基底的巖性（基底物料）、巖層結(jié)構(gòu)、巖層傾角。主要考察內(nèi)排土場(chǎng)基底巖石力學(xué)性質(zhì)、塑形變形及滲透性、外排土場(chǎng)的基底與排 棄物接觸面的工程地質(zhì)特性等。

3）自然因素。除邊坡自身形態(tài)及巖土體自身特征外，降雨、降雪、凍融也是影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的重要條件。大量工程實(shí)踐表明，在長(zhǎng)時(shí)間降雨或暴雨條件下，因降雨引起巖土體強(qiáng)度降低、有效應(yīng)力降低、水壓力增大等因素影響，引起邊坡突然失穩(wěn)，造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。降雪主要是通過(guò)荷載的形式影響邊坡的穩(wěn)定性。凍融則是由于冬季降水由于無(wú)法入滲、以冰的形式在地表附近累積、氣溫升高后由于巖土體消融后孔隙率變大，大量吸收水分，導(dǎo)致含水率上升，強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。

2.4.2 計(jì)算方法

中部溝位于排土場(chǎng)，其發(fā)生滑坡的模式以“坐落－滑移式”為主，其主要受弱層控制，即滑坡后緣圓弧剪切（通過(guò)搜尋計(jì)算，可確定最危險(xiǎn)的滑坡 后緣），底部沿弱層滑動(dòng)，并在坡角處剪出，其滑動(dòng)面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復(fù)合滑面，滑坡模式的基本計(jì)算方法如下：

運(yùn)用最優(yōu)化理論計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fs：

式中：c 為黏聚力，MPa；ρ 為巖石密度，t/m3；h為條塊高，m；φ 為內(nèi)摩擦角，(°)；λ 為條塊兒的比值；α 為條塊底面和水平面間夾角，(°)；ΔX 為條塊分條寬度，m。

式（1）是進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算最危險(xiǎn)復(fù)合滑動(dòng)面的基本目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式[9]。

2.4.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)哈爾烏素露天礦中部溝的邊坡的數(shù)值計(jì)算分析可知，中部溝整體較為安全，因?yàn)橹胁繙衔挥趦?nèi)排土場(chǎng)，其變形主要是排棄物本身在重力作用下的固結(jié)壓實(shí)。該邊坡滑移破壞面為不規(guī)則圓弧形。在邊坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，在強(qiáng)震地區(qū)需要考慮地震力?；w承受的地震力F 如下：

式中：m 為滑體的質(zhì)量，kg；Ko為地震系數(shù)，取0.8；

經(jīng)計(jì)算分析，穩(wěn)定系數(shù)為1.25，可保持基本穩(wěn)定。

2.5 效益分析

哈爾烏素露天煤礦目前采煤方式是分層開(kāi)采方式，分6＃上、6＃中和6＃下3 個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階平盤(pán)寬40～60 m，上下層之間的聯(lián)絡(luò)坡道全部布置在煤臺(tái)階上，煤臺(tái)階之間的聯(lián)絡(luò)坡道寬不足40 m，煤臺(tái)階和煤臺(tái)階之間的聯(lián)絡(luò)坡道共有煤量約7.2 Mt。應(yīng)用中部溝后，依然采用分采開(kāi)采的方式，中部溝運(yùn)輸系統(tǒng)可以代替原留設(shè)在煤臺(tái)階的運(yùn)輸系統(tǒng)，煤臺(tái)階和6 上煤與6#中煤的聯(lián)絡(luò)坡道共有煤量1.2 Mt。應(yīng)用中部溝后的運(yùn)煤系統(tǒng)與原運(yùn)煤系統(tǒng)比較，可提前采出6.0 Mt 已露煤量。對(duì)完成哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)任務(wù)和水澆地征地完成后的生產(chǎn)接續(xù)具有非常重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)哈爾烏素露天礦地質(zhì)條件、開(kāi)采工藝及生產(chǎn)現(xiàn)狀的分析，研究了哈爾烏素露天煤礦應(yīng)用中部溝運(yùn)輸系統(tǒng)，運(yùn)用理論分析、滾動(dòng)推演、技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法對(duì)哈爾烏素露天煤礦應(yīng)用中部溝系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。

1）目前在中部水澆地影響下，哈爾烏素露天煤礦工作線長(zhǎng)度約1000 m，滿足中部溝的布設(shè)要求。

2）對(duì)哈爾烏素露天煤礦采場(chǎng)排土場(chǎng)中部溝進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，認(rèn)為技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，安全要求滿足，實(shí)施過(guò)程較簡(jiǎn)易。

3）當(dāng)受征地影響嚴(yán)重和內(nèi)排土場(chǎng)緊張時(shí)，采用中部溝運(yùn)輸系統(tǒng)，可緩解這一困難局面。