某大型深凹露天礦新水平掘溝工程優(yōu)化*

孫 盛 閆永富 王文才 趙永崗 曹 宇

（1.包鋼（集團(tuán)）公司白云鄂博鐵礦；2.包鋼巴潤礦業(yè)分公司；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)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(bǔ)給不足等因素。但是由于受到生產(chǎn)組織等因素的限制，有時也會在9月底進(jìn)行掘溝，此時需要加快施工進(jìn)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(jìn)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(yùn)，進(jìn)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(yùn)輸為基本條件進(jìn)行掘溝工程優(yōu)化。

1 掘溝工程優(yōu)化

1.1 掘溝參數(shù)

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(shè)備以及生產(chǎn)工藝所決定的。

（1）按汽車運(yùn)輸要求計算。為了加快掘溝速度，調(diào)車方式采用回返式調(diào)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(zhuǎn)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(yùn)礦汽車運(yùn)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(shù)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(jìn)行排水，因而需予留鋪設(shè)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(jìn)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(xué)性質(zhì)和溝幫坡面保留時間的長短。當(dāng)采用固定坑線開拓時，靠近最終邊坡一側(cè)的溝幫坡面角按最終邊坡要求的角度予以保留，另一側(cè)采用工作臺階坡面角；當(dāng)采用移動坑線開拓時，兩側(cè)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(jù)掘溝的運(yùn)輸設(shè)備類型確定。當(dāng)采用公路運(yùn)輸開拓，運(yùn)輸設(shè)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(shè)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(lián)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(dāng)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(yùn)工藝以及礦山的生產(chǎn)能力有關(guān)，應(yīng)根據(jù)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(zhǔn)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(jī)進(jìn)行穿孔。

如圖1所示，將掘溝區(qū)域分為2～3個爆區(qū)進(jìn)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(dǎo)爆索起爆方式進(jìn)行爆破。爆破之后電鏟由設(shè)計的坡頂處開始采掘。此時，鉆機(jī)在爆區(qū)后方的第二區(qū)進(jìn)行穿孔；若有富余鉆機(jī)，第2臺鉆機(jī)可在爆區(qū)后方的第三區(qū)同時進(jìn)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(shè)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(jìn)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(jù)礦山微差爆破經(jīng)驗及有關(guān)研究資料［2-4］，V形排間延期時間間隔設(shè)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(jù)出入溝坡度和長度挖掘鏟裝形成設(shè)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(diǎn)是穿孔、爆破作業(yè)簡單，當(dāng)出入溝位置需要移動時，可避免在斜坡道上穿孔、裝藥；缺點(diǎn)是一次穿孔量大，路面質(zhì)量差，影響汽車的運(yùn)行效率，加重了汽車輪胎的磨損。

不等深孔爆破是根據(jù)出入溝的設(shè)計坡度，按不同的孔深穿爆，爆堆挖掘鏟裝結(jié)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(diǎn)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(diǎn)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(chǎn)影響最大的就是爆破警戒工作，爆破進(jìn)行警戒時，需要警戒范圍內(nèi)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(shù)才是最好的解決爆破警戒對生產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行采裝及運(yùn)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(shè)計的坡度向溝底方向進(jìn)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(yán)重，其采裝及運(yùn)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(shè)備的安全風(fēng)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(jī)械鏟為掘溝采裝電鏟，根據(jù)之前該鏟的運(yùn)行數(shù)據(jù)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(yùn)輸設(shè)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(shù)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(shù)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(nèi)，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(jìn)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(jìn)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(dāng)可調(diào)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(jìn)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(dāng)?shù)谝慌_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(jìn)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?，掘溝時雙鏟分層采裝作業(yè)可提高掘溝進(jìn)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(yùn)輸量，從而提高了采裝和運(yùn)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(yīng)用效果

在某礦12 m臺階高度的新水平準(zhǔn)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(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用表明，合區(qū)爆破、雙鏟分層采裝的一次成型掘溝技術(shù)，有效提高了電鏟采裝和汽車運(yùn)輸?shù)男?，其掘溝速度較原來的分區(qū)爆破、單產(chǎn)溝底采裝有較大的提高。

3 總 結(jié)

（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(dāng)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(jìn)度慢，嚴(yán)重制約著露天礦的生產(chǎn)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(yùn)輸量，從而提高了采裝和運(yùn)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(dāng)使用2臺鉆機(jī)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(chǎn)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(jìn)速度，因此要嚴(yán)密組織，確保掘溝電鏟不待車。