胡存虎，徐鐘馗，宋卓陽

(神華準能集團有限責任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

目前黑岱溝露天煤礦采煤工作面推進至二采區(qū)煤層斷陷帶。由于斷陷帶的存在，使得拉斗鏟倒堆剝離工藝參數(shù)、高臺階拋擲爆破方案、倒堆作業(yè)方案等不能按正常區(qū)域設(shè)計與施工，因此露天礦迫切需要一套技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的開采方案，以確保礦山未來原煤生產(chǎn)接續(xù)及產(chǎn)能的穩(wěn)定性。針對露天煤礦在開采過程中遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件對礦山工程發(fā)展帶來的問題，國內(nèi)很多學(xué)者都展開了相關(guān)的研究，并取得了一定的成果。安太堡露天煤礦喬云海、黃健等[1]在對安太堡露天煤礦開采境界內(nèi)4條大的逆掩斷層及過斷層對采礦工程造成的不利影響進行深入分析的基礎(chǔ)上，確定了過斷層期間合理開采程序、采煤運輸系統(tǒng)布置、內(nèi)排程序以及斷層煤配采方案。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)董洪亮、張瑞新等[2]對安家?guī)X露天煤礦過陷落柱無煤區(qū)過渡開采方案進行了研究，從優(yōu)化工作線長度、縮短卡車運距以降低剝離運輸費用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出發(fā)，并結(jié)合露天煤礦實際生產(chǎn)情況，對安家?guī)X露天煤礦無煤區(qū)過渡開采方案進行設(shè)計。彭洪閣等[3]通過研究煤層傾角變化條件下拉鏟作業(yè)效率和拋擲爆破拋擲率之間的關(guān)系，確定了在煤層傾角變化的條件下，拉斗鏟合理的開采參數(shù)及作業(yè)方式。馬軍、馬力[4]等對復(fù)合煤層條件下的拉鏟作業(yè)方式進行了研究，馬軍等根據(jù)拉鏟數(shù)量和夾矸層剝離方式的不同，分析了不同拉鏟作業(yè)方式的適用條件，提出了評價拉斗鏟倒堆剝離作業(yè)方式優(yōu)選指標，確定了特定條件下的拉斗鏟最佳作業(yè)方式。然而上述研究基本都是在簡單地質(zhì)條件下進行的，對在斷陷帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響條件下的開采工藝選擇及開采方案設(shè)計等則鮮有研究。

本文以黑岱溝露天煤礦為例，從開采程序、運輸系統(tǒng)布置、工藝開采過程以及技術(shù)經(jīng)濟等方面分析探討復(fù)雜地質(zhì)條件下拋擲爆破剝離工藝、松動爆破間斷剝離工藝實用性及應(yīng)用，提出了斷陷帶區(qū)域內(nèi)高臺階拋擲爆破單斗-卡車工藝開采方案，為黑岱溝露天煤礦過斷陷帶期間的開采方案提供了堅實的技術(shù)依據(jù)與理論支撐，確保礦山過斷陷帶期間原煤生產(chǎn)順利接續(xù)和產(chǎn)能穩(wěn)定，對提高企業(yè)經(jīng)濟效益、完善單斗-卡車工藝設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)體系等具有重要意義。

1 黑岱溝露天煤礦拋擲爆破剝離工藝

20世紀60年代初露天礦拋擲爆破在美國McCoy煤礦進行了嘗試，該礦覆蓋物厚度18～24m，拋擲爆破能將20%～45%的覆蓋物拋擲到采空區(qū)。目前許多國家露天煤礦也采用了拋擲爆破剝離技術(shù)，在我國僅有極少數(shù)露天煤礦應(yīng)用此技術(shù)，經(jīng)過近年的試驗與研究，逐步形成了“拋擲爆破-推土機-電鏟-吊斗鏟”、拋擲爆破-電鏟卡車剝離工藝[5-7]。黑岱溝露天煤礦自2007年3月以來共實施拋擲爆破200余次，并且還成功應(yīng)用了拋擲爆破吊斗鏟以及拋擲爆破單斗—卡車剝離工藝[8]。

黑岱溝露天煤礦位于準格爾煤田中東部，井田面積50km2，可采儲量14.98億t。采用分區(qū)開采方式進行采掘，共劃分為三個采區(qū)。首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向工作已于2017年5月全部完成，現(xiàn)有設(shè)備全部轉(zhuǎn)入二采區(qū)進行生產(chǎn)，二采區(qū)工作線長度約2300m。該露天礦主采煤層為6#復(fù)煤層，屬于近水平單一巨厚煤層，傾角3°，平均厚度30m。目前覆蓋物厚度約200m，均衡生產(chǎn)剝采比約5m3/t，核定生產(chǎn)能力3400萬t/a，年推進度約350m?，F(xiàn)采用的開采工藝有：單斗-卡車間斷工藝、拋擲爆破-吊斗鏟無運輸?shù)苟压に?、采煤半連續(xù)工藝。目前該礦采場上部(約150m)采用松動爆破單斗-卡車剝離工藝，剝離物通過兩側(cè)端幫環(huán)坑運輸線路進入內(nèi)排土場；中部巖石(45m)采用“拋擲爆破-吊斗鏟-無運輸?shù)苟选惫に?，剝離物通過吊斗鏟直接倒堆至內(nèi)排土場；下部煤炭(約30m)采用半連續(xù)工藝[6]。

2 開采工藝分析研究

2.1 松動爆破單斗-卡車工藝過程及特點

1)開采工藝過程。黑岱溝露天煤礦剝離、采煤全部采用松動爆破單斗-卡車間斷開采工藝時，采用水平分層方式劃分臺階，需要12個剝離臺階，3個采煤臺階，臺階高度15m，平盤寬度100m，端幫布置原則為2個臺階1條端幫路，路寬40m；每個臺階設(shè)置保安平盤，寬度10m。工作線橫向布置，采場沿露天礦縱向推進，剝離物全部進入內(nèi)排土場排棄。

2)運輸系統(tǒng)布置。運輸系統(tǒng)由采掘工作面道路，端幫運輸?shù)缆芳芭磐翀鲞\輸?shù)缆方M成，剝離物由采掘工作面，繞行端幫道路進入內(nèi)排土場。

3)松動爆破單斗-卡車開采工藝過程。露天煤礦在開采過程中需要剝離煤層的上覆巖層。電鏟采裝前需要對礦巖預(yù)先爆破。臺階工作線劃分為準備區(qū)、穿孔爆破區(qū)、采裝區(qū)。推土機在準備區(qū)內(nèi)為鉆機整平工作面，鉆機在穿孔區(qū)穿孔爆破為電鏟準備爆破量，電鏟在采裝區(qū)裝載剝離物。剝離物由采掘工作面、經(jīng)端幫道路進入內(nèi)排土場直接排棄或推土機排棄。

4)松動爆破單斗-卡車開采工藝特點。在我國松動爆破單斗-卡車開采工藝應(yīng)用最為廣泛，主要優(yōu)點是工藝系統(tǒng)機動靈活，穩(wěn)定性強[8]。但由于臺階數(shù)量多，工作幫坡角緩，采場與排土場直線距離增加，采場開口尺寸大，加之工作線長度較大，所以卡車繞行端幫道路時運距大，運輸成本高。另外由于端幫運輸?shù)缆范啵斐啥藥蛪好毫看?，資源回收率低。

2.2 拋擲爆破單斗-卡車工藝

拋擲爆破單斗-卡車工藝結(jié)合了拋擲爆破及單斗-卡車工藝的雙重優(yōu)點。由于拋擲爆破單斗-卡車工藝可以將高臺階剝離物直接拋擲到采空區(qū)，可以減少剝離運費；采用高臺階拋擲爆破也可以提高工作幫坡腳，減少生產(chǎn)剝采比，提高經(jīng)濟效益[9]。以往拋擲爆破配合拉斗鏟作業(yè)，但在面對復(fù)雜地質(zhì)條件時，拉斗鏟倒堆剝離工藝參數(shù)、高臺階拋擲爆破方案、倒堆作業(yè)方案等不能按正常區(qū)域設(shè)計與施工，拉斗鏟作業(yè)困難，難以保證露煤速度。但單斗-卡車工藝具有靈活作業(yè)的特點，受地質(zhì)條件影響小，可以保證剝離進度，保障全礦經(jīng)濟效益。

拋擲爆破單斗-卡車開采工藝只對煤層頂板上部約45m厚的巖石剝離中應(yīng)用，需要形成一個拋擲爆破高臺階。

2.2.1 拋擲爆破單斗-卡車工藝開采程序

拋擲爆破單斗-卡車開采程序：將工作線平均分為兩區(qū)段：一區(qū)進行穿孔拋擲爆破單斗-卡車剝離，揭露煤層；另一區(qū)回采煤炭資源，如圖1所示。兩區(qū)交替作業(yè)，保證了剝離及采煤接續(xù)，工作線推進。高臺階厚度45m，采掘帶寬度85m。

圖1 拋擲爆破單斗-卡車開采程序

作業(yè)順序按照圖1中的序號進行：①南部采煤區(qū)：煤炭資源分3層進行回采；②北部拋擲爆破電鏟作業(yè)區(qū)：負責揭露煤層；③北部待爆區(qū)：為剝離電鏟準備爆破量；④南部穿孔區(qū)：鉆機穿孔準備拋擲爆破；⑤南部準備區(qū)：推土機為鉆機準備工作面。

2.2.2 拋擲爆破單斗-卡車開采工藝運輸系統(tǒng)布置

拋擲爆破單斗-卡車開采工藝運輸系統(tǒng)布置方式是通過搭橋的方式將剝離物運輸至內(nèi)排土場。高臺階兩層采掘，電鏟采掘上分層時，剝離物由采掘工作面經(jīng)A橋送至排土場；采掘下分層時，剝離物由工作面經(jīng)頂板、經(jīng)B橋送至排土場，拋擲爆破高臺階布置如圖2所示。

圖2 拋擲爆破高臺階布置

2.2.3 拋擲爆破單斗-卡車開采工藝剝離過程

拋擲爆破單斗-卡車開采工藝過程：①拋擲爆破前高臺階形態(tài)如圖3(a)所示；②拋擲爆破后爆堆形態(tài)如圖3(b)所示；③電鏟剝離上分層，如圖3(c)所示，剝離物通過圖2中A橋進入排土場A處；④電鏟開采第二分層及清理排土線一側(cè)巖石，避免壓覆三角煤，剝離物通過圖2中B橋進入排土場B處，如圖3(d)所示；⑤壓煤巖石與煤層一起采出，通過運煤道路分運至排土場C處，如圖3(e)所示；⑥電鏟開采6下回采煤，開采結(jié)束，如圖3(f)所示。

圖3 拋擲爆破單斗-卡車開采工藝過程

2.2.4 拋擲爆破單斗-卡車開采工藝特點

1)黑岱溝露天煤礦煤層厚度30m，拋擲爆破單斗-卡車工藝與松動爆破單斗-卡車工藝相比，端幫幫坡角可由原來的28°提升至32°，實現(xiàn)端幫陡幫開采，增加端幫靠幫采煤寬度30m，如圖4所示，單側(cè)端幫提高端幫資源回收V回收。

V回收=S回收×L采區(qū)×γ=9450000t

(1)

式中，V回收為端幫資源回收量，t；S回收為端幫資源回收截面積，m2；L采區(qū)為采區(qū)長度，取7000m；γ為煤容重，取1.5t/m3。

圖4 拋擲爆破單斗-卡車工藝與松動爆破單斗工藝下端幫臺階布置(m)

2)根據(jù)黑岱溝露天煤礦現(xiàn)有電鏟、卡車設(shè)備數(shù)量及設(shè)備能力，煤層上部45m實體高臺階采用拋擲爆破單斗-卡車剝離工藝無需添加新的開采設(shè)備，就能保證其煤層露煤速度。

3)拋擲爆破單斗-卡車工藝，采用高臺階拋擲爆破技術(shù)可縮短采場和內(nèi)排土場的距離，可有效減少剝離量，降低剝采比。以黑岱溝露天煤礦為例：煤層賦存深度H=180m，工作線長度L=2300m。拋擲爆破高臺階高度45m，平盤寬度160m；單斗臺階高度15m，平盤寬度100m，如圖5所示。由圖5可以看出，拋擲爆破單斗-卡車開采工藝截面積S1=101491m2，松動爆破單斗-卡車工藝截面積S2=167220m2，經(jīng)過計算得到拋擲爆破單斗-卡車開采工藝超前剝離量比松動爆破單斗-卡車工藝超前剝離量減少(S2-S1)×L=(167220-101491)×2300=15118萬m3。推進度縮短355m即采場至排土場直線距離縮短355m。

圖5 拋擲爆破單斗-卡車與松動爆破單斗-卡車工作幫布置

4)煤層頂板上部45m實體高臺階，當采用松動爆破單斗-卡車開采工藝需要劃分為3個水平剝離臺階，其3個臺階松動爆破費用及采裝運輸費用總和為P1。

P1=P松動+P采裝+P運輸

P松動=V松動×q

V松動=S×l平均×n

P采裝=V松動×i×d1

P運輸=V松動×i×l運距×d2

(2)

式中，P1為松動爆破費用及采裝運輸費用總和；P松動為松動爆破費用，元；P采裝為采裝費用，元；P運輸為運輸費用，元；V松動為松動爆破前臺階體積，m3；S為單個臺階截面積，取85×15m2；l平均為臺階平均長度，取2315m；n為臺階數(shù)量；q為松動爆破炸藥單耗，取0.4元/m3；i為松動爆破后巖石松散系數(shù)，取1.25；d1為采裝單位成本，取1.8元/m3；d2為運輸單位成本，取1.9元/m3/km；l運距為松動爆破剝離平均加權(quán)運距，取2.1km。

經(jīng)過計算得到松動爆破費用及采裝運輸費用總和P1約為6763萬元。

當采用拋擲爆破單斗-卡車工藝時只需一個45m高臺階即可，其拋擲爆破費用及采裝運輸費用總和為P2。

經(jīng)過計算得到拋擲爆破費用及采裝運輸費用總和P2約為3470萬元。

采用高臺階拋擲爆破單斗-卡車工藝由于剝離運距小，比采用松動爆破單斗-卡車工藝節(jié)省約3293萬元。

5)拋擲爆破技術(shù)可將高臺階30%～50%的物料直接拋入采空區(qū)，減少采剝設(shè)備作業(yè)量。2007年以來，黑岱溝露天煤礦已成功進行了200余次的拋擲爆破拋擲爆總量3.2億m3，有效拋擲量1.09億m3，相當于該礦1年的剝離總量，平均拋擲率達33%，見表1。

表1 黑岱溝露天煤礦拋擲爆破統(tǒng)計表

2.3 拋擲爆破吊斗鏟倒堆工藝

拋擲爆破吊斗鏟無運輸?shù)苟压に囬_采程序與拋擲爆破單斗-卡車工藝開采程序相同，都需要布置拋擲爆破高臺階對煤層頂板以上45m巖石進行拋擲爆破，采煤與剝離分區(qū)進行，一區(qū)負責采煤作業(yè)，另一區(qū)剝離露煤。

2.3.1 拋擲爆破吊斗倒堆工藝運輸系統(tǒng)布置

由于吊斗鏟可將剝離物直接倒堆至采空區(qū)，所以吊斗鏟工作面無需布置運輸?shù)缆?。但需要為其布置換區(qū)走鏟的“8”字形運輸?shù)缆?，如圖6所示。北部作業(yè)區(qū)：入溝作業(yè)①—正常作業(yè)②—出溝作業(yè)③—去南部作業(yè)區(qū)入溝通道④。南部作業(yè)區(qū)：入溝作業(yè)①′—正常作業(yè)②′—出溝作業(yè)③′—去北部作業(yè)區(qū)入溝通道④′。

圖6 吊斗鏟作業(yè)流程走鏟示意圖

2.3.2 拋擲爆破吊斗倒堆工藝開采基本參數(shù)

拋擲爆破吊斗鏟倒堆工藝工作面主要參數(shù)如圖7所示，圖中，H巖為實體高臺階巖石高度，約28～45m；H煤為煤層厚度，約30m；H倒為拉斗鏟倒堆站立平盤高度，取10～20m；L超為超前溝寬度，約74m；H排為倒土堆高度，H排<72.5m；B為吊斗鏟倒堆站立平盤寬度，取100～160m；b為采掘帶寬度，取85m；α為煤層坡面角，取75°；β為實體高臺階坡面角，取65°；γ為巖土自然安息角，取38°。

圖7 吊斗鏟倒堆工藝工作面主要參數(shù)

2.3.3 拋擲爆破-吊斗鏟倒堆作業(yè)工藝基本流程

拋擲爆破-吊斗鏟倒堆作業(yè)工藝基本流程如下：①倒堆臺階預(yù)先拋擲爆破；②液壓反鏟、推土機平整爆堆作業(yè)；③單斗—卡車輔助拓展平臺作業(yè)；④拉斗鏟倒堆作業(yè)；⑤拉斗鏟跨區(qū)移設(shè)。黑岱溝露天煤礦吊斗鏟無運輸?shù)苟炎鳂I(yè)如圖8所示。

圖8 黑岱溝露天煤礦吊斗鏟無運輸?shù)苟炎鳂I(yè)

2.3.4 拋擲爆破吊斗鏟倒堆工藝特點及適宜性

目前我國僅黑岱溝露天煤礦在應(yīng)用吊斗鏟，2007年投入使用。2018年吊斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)生產(chǎn)成本約10元/m3，單斗-卡車工藝系統(tǒng)生產(chǎn)成本約12元/m3?？梢缘玫降醵风P倒堆工藝系統(tǒng)生產(chǎn)成本比單斗-卡車工藝系統(tǒng)生產(chǎn)成本具有優(yōu)越性。

黑岱溝吊斗鏟倒堆系統(tǒng)由一臺斗容90m3吊斗鏟(購置吊斗鏟投資約5億元)、1臺WK-55、4臺卡車、5臺推土機組成。若采用拋擲爆破單斗-卡車工藝則僅需3臺WK-55、15臺卡車、2臺推土機即可。因此拋擲爆破吊斗鏟無運輸?shù)苟严到y(tǒng)不僅投資極高，不符合煤礦輕資產(chǎn)的管理理念，同時需專門設(shè)備，備品備件需進口，維修保養(yǎng)難度大，設(shè)備規(guī)格大，作業(yè)條件要求高，輔助設(shè)備作業(yè)工程量大，時空關(guān)系制約性強，操作使用靈活性差，復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性差，不具備普遍適用性[10]。而采用拋擲爆破單斗-卡車工藝由于無需投入新設(shè)備，且兼顧工藝靈活性及成本低的特點，應(yīng)用前景廣泛。

3 剝離工藝系統(tǒng)對比及適用于條件

目前松動爆破單斗-卡車開采工藝應(yīng)用最為廣泛，其工藝機動靈活，可以克服復(fù)雜地質(zhì)條件帶來的影響。但剝離作業(yè)時卡車繞行端幫道路時運距大，運輸成本高；另外端幫運輸?shù)缆范啵斐啥藥蛪好毫看?，資源回收率低。拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝是集采掘、運輸、排土于一體的一種先進的生產(chǎn)工藝。剝離成本低，效率高，但一般研究中往往將拉斗鏟劃歸為“非機動靈活”類大型礦用機械，與常規(guī)挖掘設(shè)備相比，拉斗鏟對工作面平整程度要求相對較為苛刻，同時還要求煤層近水平或緩傾斜賦存，且對于局部劇烈變化的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。目前黑岱溝露天煤礦采煤工作面推進至二采區(qū)煤層斷陷帶。由于斷陷帶的存在，使得原本的拉斗鏟倒堆剝離作業(yè)極其困難，但為了保證過斷陷帶期間的剝離進度，產(chǎn)能持續(xù)穩(wěn)定，本文提出了拋擲爆破單斗-卡車工藝，從該工藝的方案設(shè)計中可以看出由于高臺階拋擲爆破后需搭建A橋、B橋，建立采場與排土場的聯(lián)系，可以極大的縮短剝離運距，降低運費；同時該工藝也克服了松動爆破單斗-卡車運距遠、運費高、端幫壓煤、資源回收率低等缺點。因為單斗-卡車工藝靈活，即使是在斷陷帶區(qū)域也依舊能保證露煤速度，進而保證產(chǎn)能持續(xù)穩(wěn)定。根據(jù)上述工藝特點對比分析，得到每種工藝適用條件，見表2。

表2 三種工藝適用條件分析

目前僅有黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦等少數(shù)幾家露天煤礦采用或嘗試使用拋擲爆破單斗-卡車工藝[12-14]。其適用于煤層傾角小于15°的水平或緩傾斜煤層，覆蓋物具有一定厚度(一般大于10m)，裂隙層理不發(fā)育的露天煤礦[15]。從我國露天煤礦整體賦存條件來看，拋擲爆破單斗-卡車工藝可在多數(shù)露天煤礦進行推廣[16]，如：西灣露天煤礦、長灘露天煤礦、魏家峁露天煤礦等這些煤礦均屬于水平近水平煤層，且覆蓋物厚度較大。

4 結(jié) 論

1)高臺階拋擲爆破工藝布置對于正在生產(chǎn)的露天煤礦，可以起到降低生產(chǎn)剝采比，縮短卡車運距，端幫陡幫開采提高資源回收率方面等的作用；對于基建期的露天煤礦，則可起到減少基建剝離量，提前實現(xiàn)內(nèi)排的作用。黑岱溝露天煤礦已經(jīng)成功實施了200余次的拋擲爆破，為拋擲爆破的推廣奠定了理論與實踐雙重基礎(chǔ)。

2)黑岱溝露天煤礦在吊斗鏟故障期間，已成功實施了10余次“拋擲爆破+單斗-卡車”開采方式，證明該工藝的應(yīng)用是完全成熟。

3)綜合全國露天煤礦覆存條件，“拋擲爆破+單斗-卡車”工藝是具備推廣價值，且前景廣闊。