西灣露天煤礦原煤與剝離運(yùn)輸系統(tǒng)提升改造

李宏飛

（陜西神延煤炭有限責(zé)任公司 西灣露天煤礦，陜西 榆林 719000）

目前我國(guó)絕大部分近水平露天煤礦為了減少外排土場(chǎng)占地、降低剝離運(yùn)輸距離、提高經(jīng)濟(jì)效益，均盡可能提前實(shí)現(xiàn)內(nèi)排作業(yè)，因此常出現(xiàn)原煤運(yùn)輸系統(tǒng)與內(nèi)排剝離系統(tǒng)相互交叉的問題。因原煤運(yùn)輸車輛與剝離車輛車型不同，在外形尺寸、噸位、視距、盲區(qū)均相差較大，平面交叉通行帶來(lái)極大的安全隱患，并影響通行能力[1]。一些露天煤礦為了避免原煤運(yùn)輸與剝離運(yùn)輸?shù)慕徊妫ＷC安全，剝離采用單環(huán)運(yùn)輸?shù)姆绞健５?dāng)單循環(huán)運(yùn)輸距離過長(zhǎng)時(shí)，致使剝離運(yùn)輸成本居高不下，嚴(yán)重影響露天礦的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，全部剝離車輛向單循環(huán)運(yùn)輸，引起單側(cè)運(yùn)輸?shù)缆奋嚵髅芏却?，事故常有發(fā)生，給露天礦生產(chǎn)組織帶來(lái)困難。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞原煤運(yùn)輸系統(tǒng)與剝離運(yùn)輸系統(tǒng)立體交叉，開展了大量的研究工作，隨著立交工程的逐步推廣和應(yīng)用，困擾著大型露天礦的原煤與剝離運(yùn)輸系統(tǒng)交叉問題得以解決。

1 西灣露天礦概況

西灣露天煤礦位于神木市西南及榆陽(yáng)區(qū)的東北部。井田面積76.56 km2，可采煤層4 層（2-2、3-1、4-3、5-3），資源量總計(jì)15.7 億t。西灣露天煤礦僅開采2-2煤層，井田開采面積50.77 km2，可采原煤量6.48 億t，設(shè)計(jì)產(chǎn)能1 000 萬(wàn)t/a，服務(wù)年限58.9 年。2-2煤層平均厚度11.13 m，平均剝采比8.29 m3/t，主要煤質(zhì)指標(biāo)：灰分6.92%、水分10%、硫分0.62%、發(fā)熱量26.22 MJ/kg，是非常適宜液化的原料煤。露天礦剝離采用單斗-卡車間斷工藝，采煤采用單斗-卡車-地面半固定破碎站+帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝；土、巖運(yùn)輸設(shè)備為50 t 級(jí)以上非公路自卸卡車，煤炭運(yùn)輸設(shè)備隨著礦采煤工程自營(yíng)，由原50 t 級(jí)以上非公路自卸卡車變?yōu)?20 t 級(jí)礦用自卸卡車。

2 運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 原煤運(yùn)輸系統(tǒng)和剝離運(yùn)輸系統(tǒng)

1）原煤運(yùn)輸系統(tǒng)。西灣露天礦采煤采用半連續(xù)開采工藝：原煤由工作面電鏟采掘后裝入運(yùn)輸卡車，運(yùn)輸卡車由工作平盤經(jīng)過東北部端幫主出入溝運(yùn)輸至地面半固定破碎站，經(jīng)破碎后由地面帶式輸送機(jī)運(yùn)至儲(chǔ)煤倉(cāng)[2]。原煤運(yùn)輸?shù)缆窂墓ぷ髅嬉苿?dòng)坑線至1110 平盤，經(jīng)端幫固定坑線至地表，從地面運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)道路至破碎站，西灣露天礦采場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖如圖1。

圖1 西灣露天礦采場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)輸系統(tǒng)現(xiàn)狀示意圖

2）剝離運(yùn)輸系統(tǒng)。西灣露天礦目前已實(shí)現(xiàn)剝離全內(nèi)排，剝離黃土及巖石由剝離工作面移動(dòng)坑線經(jīng)過西南端幫和東北端幫半固定運(yùn)輸平盤至內(nèi)排土場(chǎng)排棄[3]。但出于安全考慮，盡量避免剝離運(yùn)輸系統(tǒng)與原煤運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生平面交叉，絕大部分剝離運(yùn)輸車輛走西南端幫，因此，西灣露天礦主要?jiǎng)冸x運(yùn)輸系統(tǒng)為單環(huán)運(yùn)輸。

2.2 存在問題

為提高運(yùn)輸安全性和可靠性，剝離運(yùn)輸系統(tǒng)與原煤運(yùn)輸系統(tǒng)一般是相互分離的?；ハ喾蛛x的運(yùn)輸系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致了外包剝離運(yùn)距的急劇增大。為了使剝離運(yùn)輸系統(tǒng)不與運(yùn)煤系統(tǒng)發(fā)生平面交叉，工作幫東部剝離物需要向西跨過整個(gè)工作平盤后沿西部端幫運(yùn)輸，向南運(yùn)至內(nèi)排土場(chǎng)。剝離物運(yùn)距達(dá)到4.5 km以上，運(yùn)輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，致使露天礦外包運(yùn)輸成本較高，影響露天礦的經(jīng)濟(jì)效益。

為了縮短剝離車輛運(yùn)輸距離，實(shí)現(xiàn)雙循環(huán)運(yùn)輸，剝離運(yùn)輸系統(tǒng)必然會(huì)與原煤運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生交叉，隨著后期220 t 級(jí)原煤運(yùn)輸自卸卡車的投入使用，與原50～70 t 級(jí)的剝離物運(yùn)輸卡車在噸位、視距、盲區(qū)、車型相差較大，平面交叉通行存在的安全隱患大，并影響通行能力[4]。針對(duì)該問題，提出了采用立體交叉來(lái)實(shí)現(xiàn)西灣露天剝離雙循環(huán)運(yùn)輸。通過優(yōu)化調(diào)整運(yùn)輸組織，特別是在關(guān)鍵線路上立體交叉點(diǎn)的合理選擇，提高立交工程使用效率，提高運(yùn)輸通行能力，提高經(jīng)濟(jì)效益[5]。

3 運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 交叉位置選擇

實(shí)施立交工程的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車流立體交叉，剝離車輛與原煤運(yùn)輸?shù)V用自卸卡相互獨(dú)立、互不影響，需要遵循以下原則：①實(shí)現(xiàn)露天礦原煤與剝離“雙環(huán)”運(yùn)輸；②立交位置的選擇應(yīng)具有前瞻性，能夠最大程度的提高交叉使用周期，降低立交工程拆設(shè)頻率；③具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性。

根據(jù)西灣露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)情況，提出南側(cè)和東側(cè)2 種立體交叉點(diǎn)位置選擇方案，分別為1#位置和2#位置。

1）1#位置方案。原煤卡車經(jīng)工作面沿東幫固定坑線至地表，剝離車輛經(jīng)工作面、端幫固定坑線至內(nèi)排土場(chǎng)。在南側(cè)內(nèi)排土場(chǎng)與原煤卡車線路交叉并設(shè)置立交。1#位置方案模型如圖2。1#位置方案原煤卡車不用繞行，短時(shí)期效果較好。但隨著西灣露天礦采掘面和排土場(chǎng)的推進(jìn)，由于1#位置無(wú)法及時(shí)跟進(jìn)，導(dǎo)致內(nèi)排土場(chǎng)工作面形成“凵”形，占用內(nèi)排空間，增大剝離車輛運(yùn)距，直接影響內(nèi)排土場(chǎng)向北推移，經(jīng)濟(jì)效益低[6]。

圖2 1#位置方案模型

2）2#位置立交方案。將立體交叉點(diǎn)設(shè)在露天礦東幫靠近工作面的位置，其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)無(wú)影響，且增加了立交工程使用時(shí)間，缺點(diǎn)是前期原煤卡車需向北繞行[7]，增加了前期運(yùn)距。2#位置方案雖然存在前期運(yùn)距增加的缺點(diǎn)，但該立交工程建成后使用時(shí)間較長(zhǎng)，且避開了高填方段，投資較省，立交結(jié)構(gòu)形式后可選方案多，根據(jù)目前西灣露天礦開采情況，2#位置為最適宜的立體交叉位置，2#位置方案模型如圖3。

圖3 2#位置方案模型

3.2 交叉位置使用時(shí)間

結(jié)合西灣露天礦開采推進(jìn)速度和立交工程建設(shè)時(shí)間，初步確定2#位置在各個(gè)規(guī)劃年度使用情況，運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃及與各工作線距離情況見表1。

表1 運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃及與各工作線距離情況

由表1 可知，2#位置預(yù)計(jì)在2021 年7 月建成通車。通車后內(nèi)排土場(chǎng)1200 平臺(tái)距2#立交位置880 m。隨著內(nèi)排場(chǎng)以每年360 m 的速度向北推進(jìn)，預(yù)計(jì)在2023 年12 月內(nèi)排土場(chǎng)1200 平臺(tái)與2#位置基本平齊，超過該位置后，車輛將產(chǎn)生折返運(yùn)輸。因此，立交工程預(yù)計(jì)最佳使用周期為2.5 年。

3.3 通行方案選擇

3.3.1 設(shè)計(jì)方案

1）通行方案1。220 t 級(jí)礦用自卸卡車在涵頂通行，70 t 級(jí)非公路自卸卡車在管涵內(nèi)通行。參照徐工XDE200 t 礦用自卸卡車車寬8.7 m，干線道路雙車道標(biāo)準(zhǔn)，雙車道路路面寬度為32 m，涵頂?shù)缆仿坊鶎挾葹?4 m。涵內(nèi)行車道采用四類車寬3.5 m，二級(jí)道路單車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，單車道行車道寬度6.0 m，涵內(nèi)道路總寬度為7.5 m。涵內(nèi)道路凈空高度最少滿足70 t 級(jí)非公路自卸卡車堆裝安全通行及適應(yīng)回填土不良地質(zhì)條件，鋼波紋管涵采用閉合型馬蹄結(jié)構(gòu)，由3 個(gè)不同半徑圓構(gòu)成，其波紋管寬度為10 m，高度為9.2 m。鋼波紋管采用Q345 熱軋鋼板，選取波高380 mm、波距140 mm，鋼板厚度10 mm，管壁周圍采用加肋加強(qiáng)，管涵兩側(cè)均采用碎石土分層壓實(shí)回填，最優(yōu)覆土高度6m。通行方案1 總投資估算2 050 萬(wàn)元。方案1 鋼波紋管涵立面圖如圖4。

圖4 方案1 鋼波紋管涵立面圖

2）通行方案2。70 t 級(jí)礦用自卸卡車在涵頂通行，220 t 級(jí)非公路自卸卡車在管涵內(nèi)通行。涵頂70 t 級(jí)非公路自卸卡車雙車道路路面寬度為14 m，道路路基寬度為22 m。涵內(nèi)220 t 級(jí)大型礦用卡車道路寬度布置，參照300 t 大型礦用卡車寬8.7 m，聯(lián)絡(luò)道路單車道標(biāo)準(zhǔn)，單車道行車道寬度14.0 m，兩側(cè)路緣帶寬度為0.75 m，涵內(nèi)道路總寬度為15.5 m，涵內(nèi)道路凈空高度需滿足9.55 m。選用的鋼波紋管涵采用閉合型馬蹄結(jié)構(gòu)，由3 個(gè)不同半徑圓構(gòu)成，其波紋管寬度為19 m，高度16.5 m。鋼波紋管采用Q345熱軋鋼板，選取波高500 mm、波距237 mm，鋼板厚度10 mm，管壁采用鋼混組合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，管涵兩側(cè)均采用碎石土分層壓實(shí)回填，最優(yōu)覆土高度4 m。通行方案2 總投資估算2 808 萬(wàn)元。方案2 鋼波紋管涵立面圖如圖5。

圖5 方案2 鋼波紋管涵立面圖

3.3.2 方案比選

1）通行方案1。優(yōu)點(diǎn)：孔徑小，實(shí)施相對(duì)容易，投資低，小車在涵管內(nèi)通行相對(duì)安全性高。缺點(diǎn)：①管頂通行車輛荷載大，對(duì)波紋管結(jié)構(gòu)要求較高；②形成立體交叉需要高差達(dá)15 m 以上，大車道路較為固定，并爬升能力有限，故在交叉位置選擇方面不夠靈活。

2）通行方案2。優(yōu)點(diǎn)：較為適應(yīng)目前礦排土運(yùn)輸?shù)缆吩谏?，煤炭及巖石運(yùn)輸在下的交叉形式。缺點(diǎn)：因大車管內(nèi)通行，要求孔徑大，波紋管斷面采用了鋼混結(jié)構(gòu)，實(shí)施難度高，周期長(zhǎng)，投資高。

綜上所述，從節(jié)約投資、實(shí)施可靠性等方面考慮，推薦采用通行方案1，初步擬定立交位置在1140平臺(tái)上。

4 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

根據(jù)剝離場(chǎng)、排土場(chǎng)及外部運(yùn)輸?shù)缆返钠矫婕案叱剃P(guān)系，確定西幫端和走立交橋東幫的運(yùn)距。立交通道剝離運(yùn)輸示意圖如圖6。結(jié)合2020 年剝離規(guī)劃，2 種運(yùn)輸線路運(yùn)距對(duì)比見表2。

圖6 立交通道剝離運(yùn)輸示意圖

表2 2 種運(yùn)輸線路運(yùn)距對(duì)比

按照運(yùn)輸單價(jià)土層1.0 元/（m3·km），巖石1.3元/（m3·km），根據(jù)2020 年排土及剝離量規(guī)劃，按年排土量1 300 萬(wàn)m3考慮，運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化后節(jié)省運(yùn)距2.05 km，年度節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用2 600 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

西灣露天礦原煤與剝離運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化后，解決了西灣露天礦不同噸位運(yùn)輸車輛，因運(yùn)輸系統(tǒng)平面交叉帶來(lái)的安全問題，同時(shí)縮短了剝離運(yùn)距，其社會(huì)效益明顯[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

西灣露天礦剝離運(yùn)輸與原煤運(yùn)輸系統(tǒng)通過立體交叉，實(shí)現(xiàn)了“雙環(huán)”運(yùn)輸，與露天礦之前的“單環(huán)”運(yùn)輸方式相比，大大降低了礦山交通安全事故的發(fā)生概率和運(yùn)營(yíng)成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。為露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的模式創(chuàng)新起到了示范作用。