扇形擴(kuò)幫方法在露天礦的應(yīng)用

侯占山

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司哈爾烏素露天礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

我國(guó)采用較多的露天開(kāi)采方法有：掘坑外排法，主要用于金屬、非金屬礦山和早期的露天煤礦(1949—1980 年建設(shè))；倒堆內(nèi)排法：主要用于1980年以后建設(shè)的絕大多數(shù)大型露天煤礦；石料開(kāi)采法、疏浚開(kāi)采法：主要用于開(kāi)采建筑業(yè)使用的砂石等集料；水力沖采法，主要用于開(kāi)采沖擊類礦床如砂金礦、錫礦等[1-2]。

目前,在大中型硬巖露天礦開(kāi)采中普遍使用擴(kuò)幫開(kāi)采法。擴(kuò)幫開(kāi)采法的實(shí)質(zhì)是首先在礦體開(kāi)采條件簡(jiǎn)單,品位較富的礦段上,以較陡的工作幫坡角和以成斜條狀的擴(kuò)幫帶,自上而下依次向外推進(jìn)。這樣,臨時(shí)境界不斷地向外和向下擴(kuò)展,進(jìn)而形成最終境界。露天礦擴(kuò)幫開(kāi)采法與其它方法比較,具有基建剝離量小，基建投資少，所用設(shè)備少，達(dá)產(chǎn)快，經(jīng)濟(jì)效果好，特別是初期經(jīng)濟(jì)效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。但是，擴(kuò)幫開(kāi)采技術(shù)在露天礦坑的局部位置進(jìn)行引用卻很少見(jiàn)，但隨著我國(guó)露天礦山受征地影響嚴(yán)重的現(xiàn)象出現(xiàn)，露天礦坑局部出現(xiàn)陡幫的情況常見(jiàn)，所以采場(chǎng)局部位置擴(kuò)幫方法的研究會(huì)有較大的前景。

1 擴(kuò)幫方法

1.1 陡幫擴(kuò)幫方法

所謂陡幫擴(kuò)幫方法是與緩幫開(kāi)采比較而言，其特點(diǎn)是：①擴(kuò)幫臨時(shí)工作幫坡角一般在20～25 °，有時(shí)也可能達(dá)到40 °；②采場(chǎng)分成采礦區(qū)和擴(kuò)幫剝巖區(qū)，并分別在不同標(biāo)高各自進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)；③其間留有較陡的工作幫，并保證采礦和剝巖相適應(yīng)[3-4]。

傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法按擴(kuò)幫臺(tái)階的組合形式劃分：①分條帶自上而下的逐層擴(kuò)幫法：是指在1 個(gè)開(kāi)采分期里，把擴(kuò)幫區(qū)段沿傾斜方向分成1 個(gè)或幾個(gè)條帶，每個(gè)條帶都采用自上而下逐個(gè)臺(tái)階進(jìn)行擴(kuò)幫的方式，只有在最上1 個(gè)臺(tái)階安設(shè)采掘運(yùn)輸設(shè)備；②組合臺(tái)階陡幫擴(kuò)幫法:當(dāng)采用分條帶自上而下逐層擴(kuò)幫法在設(shè)備類型和擴(kuò)幫作業(yè)面積均滿足不了擴(kuò)幫強(qiáng)度要求的條件下，沿陡坡剝巖方向，把擴(kuò)幫區(qū)段的臺(tái)階分成若干組，每1 組在某1 時(shí)間內(nèi)只有1 個(gè)臺(tái)階處于工作狀態(tài)，并保持著正常作業(yè)的工作平臺(tái)寬度，其他臺(tái)階處于待工作狀態(tài)，并小于正常工作臺(tái)階寬度，以達(dá)到縮小剝巖幫的水平投影寬度，這樣即保證了較陡的擴(kuò)幫工作幫坡角，又提供了較多的電鏟工作面，滿足擴(kuò)幫強(qiáng)度的需要。臺(tái)階組數(shù)越多，擴(kuò)幫強(qiáng)度越高[5-6]。

傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法按采剝工作面的推進(jìn)方向分類：①采礦和擴(kuò)幫工作面均垂直礦體走向布置，沿礦體走向推進(jìn)，這種布置方式在連續(xù)分期擴(kuò)幫開(kāi)采工藝?yán)镉玫淖疃?；②擴(kuò)幫工作面垂直礦體走向布置，而采礦工作面沿走向布置，這種方式用于改建擴(kuò)建或者開(kāi)始分期過(guò)渡的礦山；③擴(kuò)幫區(qū)段上部采用平行礦體走向布置工作面，下部采用垂直礦體布置工作面，形成上緩下陡的臨時(shí)剝巖工作幫，適用大中型鐵路運(yùn)輸?shù)牡V山[7]。

1.2 “扇形”擴(kuò)幫方法

所謂“扇形”擴(kuò)幫方法，即工作線以某一回轉(zhuǎn)中心沿逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)推進(jìn)，推進(jìn)方式類似展扇過(guò)程，因此稱為“扇形”擴(kuò)幫[8]。

扇形擴(kuò)幫方法具有如下特點(diǎn)：①由于工作線為扇形發(fā)展，自由面大，爆破效果好；②剝離工作線長(zhǎng)，投入設(shè)備多；③運(yùn)輸系統(tǒng)可布置在扇端，占用作業(yè)面少，便于維護(hù)；④緩幫速度快，露煤量大。

扇形擴(kuò)幫是工作線圍繞某個(gè)點(diǎn)（通常是溝道線路與工作面線路的連接點(diǎn)）移動(dòng)，工作線上每個(gè)點(diǎn)的推進(jìn)速度不一樣的擴(kuò)幫的方式。具體步驟是：①陡幫頂部選擇某點(diǎn)下挖掘溝；②工作線垂直掘溝方向推進(jìn)；③形成工作面；④工作線圍繞掘溝位置扇形推進(jìn)；⑤重復(fù)①至④步，繼續(xù)擴(kuò)幫。扇形擴(kuò)幫示意圖如圖1，扇形擴(kuò)幫實(shí)例圖如圖2。

圖1 扇形擴(kuò)幫示意圖

圖2 扇形擴(kuò)幫實(shí)例圖

哈爾烏素露天煤礦采場(chǎng)中部受征地滯后影響，導(dǎo)致地表工作線無(wú)法推進(jìn)，采場(chǎng)中部呈“孤島”型，“孤島”南北寬300 m，東西長(zhǎng)1000 m，上部地表臺(tái)階標(biāo)高+1 080 水平，下部煤頂板標(biāo)高+965 水平，落差115m?！肮聧u”北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)均按到界端幫留設(shè)，幫坡角35 °，上下臺(tái)階之間沒(méi)有運(yùn)輸系統(tǒng)，且沒(méi)有和采場(chǎng)其他工作幫、端幫相連的運(yùn)輸系統(tǒng)，東側(cè)與采場(chǎng)相連。傳統(tǒng)的陡幫擴(kuò)幫方法無(wú)法滿足哈爾烏素露天煤礦“孤島”區(qū)域的陡幫擴(kuò)幫工程。

2 扇形擴(kuò)幫在哈爾烏素礦的應(yīng)用

哈爾烏素露天煤礦水澆地露煤寬80 m，剝離臺(tái)階按80 m 留設(shè)，擴(kuò)幫量809 m3，其中+995 m 水平以上臺(tái)階629 m3，+980 m 水平至煤頂板180 m3。經(jīng)過(guò)在圖紙上反復(fù)推演和滾動(dòng)，建議采用外委加自營(yíng)的解決方案。

2.1 運(yùn)輸?shù)缆凡贾煤团艞壩恢靡?guī)劃

計(jì)劃將給南部煤溝自營(yíng)設(shè)備供電的電纜全部從水澆地位置移設(shè)至南端幫，由原來(lái)的水澆地變電站供電改為南端幫變電站供電。計(jì)劃將現(xiàn)水澆地南側(cè)布置的電纜全部移設(shè)至水澆地北側(cè)，由水澆地北側(cè)給北部自營(yíng)設(shè)備供電，同時(shí)將相應(yīng)的供電設(shè)備設(shè)施（變電柜、集裝箱等）移設(shè)至水澆地東側(cè)和北側(cè)。在水澆地1 055 m 水平沿水澆地南側(cè)為剝離運(yùn)輸設(shè)備騰出40 m 寬運(yùn)輸?shù)缆?。須開(kāi)工前7 d 完成全部工程。

計(jì)劃在水澆地995 m 水平的北側(cè)送出1 組電纜，為水澆地自營(yíng)設(shè)備解段做供電準(zhǔn)備。計(jì)劃在開(kāi)工前，自營(yíng)設(shè)備在水澆地南側(cè)修筑1 條1 055～1 025 m水平的道路給走外委車輛使用。

為了提高解段擴(kuò)幫速度和減少外委設(shè)備與自營(yíng)設(shè)備交叉次數(shù)，將水澆地外委擴(kuò)幫剝離物的排棄位置規(guī)劃至1 055、1 025、995、965 m 水平，剝離綜合運(yùn)距3 982 m。煤溝寬按50 m 留設(shè)（水澆地按現(xiàn)狀煤臺(tái)階、南部按37 hm2煤臺(tái)階），排土場(chǎng)南部可排棄剝離物870 m3，基本滿足水澆地解段擴(kuò)幫時(shí)外委排棄空間。

2.2 推演過(guò)程

1）前4 d，在水澆地頂面1 075 m 水平安排6 臺(tái)套液壓反鏟，下挖作業(yè)，剝離黃土（黃土厚5 m），剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 040 m 水平可安排4 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)995端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟10 臺(tái)套。4 d 后1 070 m 水平場(chǎng)平至巖石頂板。

2）再13 d，在水澆地1 055 m 水平安排9 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 040 m 水平可安排3 臺(tái)套液壓反鏟，平采；3 臺(tái)套液壓反鏟，下挖；剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺(tái)套。13 d 后1 055 m 水平場(chǎng)平，1 025 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間17 d。

3）再12 d，在水澆地1 040 m 水平安排8 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排7 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺(tái)套。12 d 后1010 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間29 d。

4）再15 d，在水澆地1 040 m 水平安排3 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排9 臺(tái)套液壓反鏟，下挖；剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺(tái)套。15 d 后995 m 水平可布置液壓反鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間44 d。

5）再16 d，在水澆地1 040 m 水平安排1 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排3 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至965 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1010 m 水平可安排4 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排4 臺(tái)套液壓反鏟，平采；3 臺(tái)套液壓反鏟，下挖；剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。共安排液壓反鏟15 臺(tái)套。16 d 后980 m 水平可布置自營(yíng)電鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間60 d。

6）再30 d，在水澆地1 040 m 水平安排1 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排5 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排5 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。980 m 水平可安排1 臺(tái)自營(yíng)電鏟剝離，從北向南沿5#煤頂板剝離；剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約為2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺(tái)套，自營(yíng)剝離電鏟1臺(tái)。30 d 后煤頂板可布置自營(yíng)電鏟。共計(jì)作業(yè)時(shí)間90 d。

7）再15 d，在水澆地（韓留寶）1 040 m 水平安排1 臺(tái)套液壓反鏟，平采，剝離物經(jīng)1055 端幫至1055 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 025 m 水平可安排4臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)1055 端幫至1055 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。1 010 m 水平可安排5 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)1025 端幫至1025 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。995 m 水平可安排5 臺(tái)套液壓反鏟，平采；剝離物經(jīng)995 端幫至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約4 km。980 m 水平可安排1 臺(tái)自營(yíng)電鏟剝離，從北向南沿5#煤頂板剝離；剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約2 km。煤頂板可安排1 臺(tái)自營(yíng)電鏟剝離，從北向南沿6#煤頂板剝離；剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺(tái)套，自營(yíng)剝離電鏟2 臺(tái)。15 d 后露煤面積16 000 m2，外委將有效量全部剝離完畢。共計(jì)作業(yè)時(shí)間105 d。

8）再15 d，外委設(shè)備在995、1 010、1 025、1 040、1 055 m 水平均衡推進(jìn)，經(jīng)995、1025、1055 端幫至965、995、1025、1055 排土場(chǎng)。980 m 水平可安排1 臺(tái)自營(yíng)電鏟剝離，從西向東沿5#煤頂板剝離；剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約2 km。煤頂板可安排1 臺(tái)自營(yíng)電鏟剝離，從北向南沿6#煤頂板剝離；剝離物經(jīng)中間橋至995 排土場(chǎng)，運(yùn)距約2 km。共安排外委液壓反鏟15 臺(tái)套，自營(yíng)剝離電鏟2 臺(tái)。15 天后露煤面積59 800 m2。共計(jì)作業(yè)時(shí)間120 d。

外委每臺(tái)套設(shè)備月能力按12 m3，自營(yíng)每臺(tái)剝離電鏟月能力按60 m3。每揭露1 個(gè)長(zhǎng)×寬大于2 000 m2的作業(yè)面開(kāi)始布置1 臺(tái)套外委設(shè)備，自營(yíng)剝離電鏟工作線不小于300 m。按照滾動(dòng)計(jì)劃推演，2 個(gè)月后可布置自營(yíng)電鏟作業(yè)，4 個(gè)月后露煤寬80 m。

2.3 擴(kuò)幫邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定系數(shù)是一個(gè)與內(nèi)摩擦系數(shù)、黏聚力、邊坡的巖層構(gòu)成、分布、地下水的水位、地震等因素有關(guān)的值，它沒(méi)有解析解，只有數(shù)值解，且因涉及的因素眾多，邊坡穩(wěn)定系數(shù)是多極值的，在這種情況下，求最小值是一個(gè)工作量比較繁重的工作。且在這種情況下，任何簡(jiǎn)化造成的誤差都是不可估計(jì)的。一般，求極值分為2 種情況：①是蒙特卡洛式的隨機(jī)求解方法，如：0.618 法和網(wǎng)格法；②是數(shù)值法中的最優(yōu)化方法，如：?jiǎn)渭冃畏ê头较蚣铀俜ā?/p>

蒙特卡洛式的方法就是取大量的點(diǎn)進(jìn)行試算，從中選出最小值的點(diǎn)，這種方法的算法簡(jiǎn)單，但結(jié)果的準(zhǔn)確程度是隨著計(jì)算點(diǎn)數(shù)量增加而提高的，且計(jì)算量過(guò)于龐大，時(shí)間長(zhǎng)，且不能充分利用已有的計(jì)算結(jié)果。數(shù)值法中的最優(yōu)化法是先給出幾個(gè)初始點(diǎn)，根據(jù)幾個(gè)初始點(diǎn)的結(jié)果，選取下一步的計(jì)算值，這樣最終可計(jì)算出極小值。這一方法編程復(fù)雜，但計(jì)算量小，充分利用了已有的結(jié)果，但在多峰值的情況下，不易求到最值[9-10]。

哈爾烏素露天礦邊坡煤巖互層，巖體整體強(qiáng)度較高，根據(jù)現(xiàn)有的工程地質(zhì)資料，在采掘場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯的弱層，因此采掘場(chǎng)邊坡滑坡模式是純圓弧滑動(dòng)。隨著緩幫作業(yè)的推進(jìn)，采場(chǎng)邊坡角逐漸緩和，邊坡越來(lái)越趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

1）哈爾烏素露天煤礦中部并段臺(tái)階應(yīng)用扇形擴(kuò)幫方法安全、快速地完成了擴(kuò)幫，擴(kuò)幫剝離量減少400 萬(wàn)m3，擴(kuò)幫時(shí)間縮短1.5 個(gè)月，有效保證了露天礦生產(chǎn)接續(xù)、完成了全年煤炭生產(chǎn)任務(wù)。

2）大型露天開(kāi)采過(guò)程中，在同等區(qū)域、同等剝離量條件下，通過(guò)應(yīng)用扇形擴(kuò)幫技術(shù)，較分條帶自上而下的逐層擴(kuò)幫法減少約1/3 擴(kuò)幫量，較組合臺(tái)階擴(kuò)幫法提高30 %效率。