黑岱溝露天煤礦拉鏟倒堆工藝過地塹影響區(qū)剝離方案

唐曉騫

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

在現(xiàn)有露天開采相關(guān)研究中，一般認(rèn)為與單斗卡車工藝相比，拉鏟倒堆工藝對(duì)作業(yè)面的要求相對(duì)嚴(yán)格，其主要適用于近水平煤層或緩傾斜煤層，對(duì)于局部地質(zhì)變化劇烈的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)適應(yīng)性差。因此研究學(xué)者往往認(rèn)為拉鏟與常規(guī)挖掘設(shè)備相比是“非機(jī)動(dòng)靈活”類大型礦用機(jī)械[1-2]。黑岱溝露天煤礦經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)10 余年的生產(chǎn)總結(jié)，認(rèn)為有必要對(duì)這種認(rèn)識(shí)在一定程度上進(jìn)行修正，拉鏟倒堆作業(yè)過程中受其體積及結(jié)構(gòu)的限制，其必須始終在平臺(tái)上作業(yè)，因此只要保證拉鏟站立區(qū)域的平整程度達(dá)到要求即可。遇到局部煤層急劇下陷等特殊工程條件時(shí)，單斗－卡車受道路坡度限制難以布置，拉鏟反而具備一定的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)拉鏟作業(yè)程序，同時(shí)深入分析地塹影響區(qū)對(duì)拉鏟作業(yè)影響程度，提出在受地質(zhì)構(gòu)造影響的前提下拉鏟倒堆系統(tǒng)的剝離設(shè)計(jì)方案，并開展工程實(shí)踐。經(jīng)地塹影響區(qū)工程實(shí)踐證明，拉鏟可適應(yīng)一定尺度條件下的地質(zhì)構(gòu)造變化，其研究成果可應(yīng)用于類似工藝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中，極大地?cái)U(kuò)展了拉鏟倒堆工藝的適用范圍。

1 地塹影響區(qū)拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案設(shè)計(jì)

為提高黑岱溝露天煤礦第2 條區(qū)勘查程度，黑岱溝露天煤礦對(duì)第2 條區(qū)的西部進(jìn)行了補(bǔ)充勘探工作。根據(jù)地塹影響區(qū)域補(bǔ)勘地質(zhì)資料可知，地塹影響的2 個(gè)主要斷層為DF5與DF6，其中DF5斷層傾向與拋擲爆破高臺(tái)階坡面方向逆傾，對(duì)高臺(tái)階穩(wěn)定性影響較小，而DF6斷層傾向與拋擲爆破高臺(tái)階坡面方向順傾，對(duì)高臺(tái)階穩(wěn)定性影響較大。

通過對(duì)垂直于高臺(tái)階工作線方向的22 組剖面分析可知：正斷層DF6主要發(fā)育范圍在第3 幅采掘帶剖面5～剖面8 之間與第4 幅采掘帶剖面9～剖面17 之間。

基于22 組剖面分析，統(tǒng)計(jì)DF6斷層面與其所在采掘帶拋擲爆破臺(tái)階坡頂線的距離。在第3 幅，DF6斷層面與高臺(tái)階坡頂線距離38.95～83.24 m，斷層面逐漸遠(yuǎn)離高臺(tái)階坡面，在第4 幅，DF6在第9 剖面處與高臺(tái)階計(jì)劃坡頂線幾乎重合，然后逐漸遠(yuǎn)離高臺(tái)階坡面，至第14 剖面后，由于斷層在平面上出現(xiàn)擺動(dòng)，斷層面又逐漸與高臺(tái)階坡面接近。由于DF6斷層傾向與高臺(tái)階坡面順傾，因此，當(dāng)其所發(fā)育采掘帶的前1 幅形成采空區(qū)后，在失去前方巖土體支擋的情況下，極易沿?cái)鄬悠扑閹Оl(fā)生片幫，嚴(yán)重影響高臺(tái)階下部采剝?cè)O(shè)備作業(yè)安全[3-5]。根據(jù)第3 幅與第4 幅采掘帶DF6斷層面與高臺(tái)階坡頂線的距離分析可知，DF6斷層對(duì)第3、第4 幅采掘帶高臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性均存在影響，但其在第4 幅中與高臺(tái)階坡頂線的距離較?。?～34.32 m），因此，對(duì)第4 幅采掘帶高臺(tái)階穩(wěn)定性的影響更嚴(yán)重。基于上述分析，提出地塹影響區(qū)域拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案。

1）方案1。為了減小DF5與DF6斷層對(duì)拋擲爆破高臺(tái)階穩(wěn)定性的影響，避免斷層附近破碎帶引起高臺(tái)階大面積片幫或滑坡，確保生產(chǎn)安全，從中部出入溝～第9 剖面，第2、第3 幅采掘帶合并為170 m 拋擲爆破，第9～第17 剖面，第3、第4 幅采掘帶合并為170 m 拋擲爆破。

2）方案2。從中部出入溝～北端幫，第2 幅拋擲爆破寬度135 m（第2 幅85 m＋第3 幅50 m 合并拋擲爆破，爆破寬度135 m 根據(jù)回采DF5上盤下陷部分煤層時(shí)采煤設(shè)備作業(yè)所需要的最小寬度確定），第3 幅拋擲爆破寬度120 m。

3）方案3。第2 幅拋擲爆破寬度調(diào)整為115 m，第3 幅拋擲爆破寬度85 m。按此方案進(jìn)行拋擲爆破，可將DF5與DF6斷層影響區(qū)包含在第2 幅和第3 幅（合計(jì)拋爆寬度200 m）2 個(gè)采掘帶內(nèi)，減少了斷層影響的采掘帶數(shù)量，有利于原煤生產(chǎn)順利接續(xù)和計(jì)劃產(chǎn)量的完成。

4）方案4。根據(jù)黑岱溝露天煤礦采場(chǎng)剝采工程現(xiàn)狀與地塹影響區(qū)斷層產(chǎn)狀特征，在不具備調(diào)整拋擲爆破寬度的時(shí)空條件下，為了確保生產(chǎn)安全與原煤生產(chǎn)接續(xù)，并且不會(huì)使露天礦年度生產(chǎn)剝采比、原煤開采成本等計(jì)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)生較大波動(dòng)，第2 幅采掘帶仍維持正常拋爆寬度85 m，同時(shí)為了避免DF5斷層破碎帶引起高臺(tái)階大規(guī)模片幫或滑坡，第2 幅拋擲爆破高臺(tái)階穿孔時(shí)，后排增加2 排松動(dòng)孔，對(duì)相鄰的第3 幅采掘帶高臺(tái)階邊坡進(jìn)行形態(tài)修整；第9～第17 剖面之間的第3、第4 幅采掘帶合并為170 m 拋擲爆破，以消除DF6斷層對(duì)高臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 地塹影響區(qū)拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案分析

2.1 地塹影響區(qū)拋擲爆破方案剝離量

綜合考慮地塹影響區(qū)域斷層特征及發(fā)育范圍，提出4 種高臺(tái)階及上部單斗臺(tái)階剝離方案，并進(jìn)行拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案。各方案剝離量見表1。

表1 各方案剝離量

由于DF6斷層影響拋擲爆破高臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性，因此，從安全角度考慮，“中部出入溝～第9 剖面，第2、第3 幅采掘帶合并為170 m 拋擲爆破”無疑是最佳的，但是，第2、第3 幅2 個(gè)采掘帶合并拋擲爆破，將導(dǎo)致爆破震動(dòng)大、有效拋擲率降低、單斗－卡車輔助工程量大、生產(chǎn)組織復(fù)雜、年度原煤計(jì)劃產(chǎn)量缺乏保障等問題，尤其受采場(chǎng)采剝現(xiàn)狀影響，時(shí)間和空間條件有限（按自營(yíng)設(shè)備月剝離能力450萬m3/月計(jì)算，至少需要工期3.5 個(gè)月），難以實(shí)現(xiàn)。

考慮滿足DF5上盤下陷部分采煤空間條件的需要，方案2 將第2 幅85 m 與第3 幅50 m 合并為135 m 拋爆，自營(yíng)上部單斗設(shè)備需要完成的剝離工程量約1 247.8 萬m3，按自營(yíng)設(shè)備月剝離能力450萬m3/月計(jì)算，需要工期2.8 個(gè)月，實(shí)現(xiàn)難度也較大。方案3 為第2 幅拋爆寬度調(diào)整為115 m，此方案在高臺(tái)階拋爆后僅保留單斗－卡車最小工作平盤寬度（95 m）的條件下，需要自營(yíng)設(shè)備完成的剝離量為1 109.3 萬m3，考慮到拉鏟檢修期間，上部單斗－卡車自營(yíng)設(shè)備能力不足450 萬m3/月，預(yù)計(jì)工期2.5 個(gè)月，這樣第2 幅拋爆寬度115 m 雖然具備實(shí)施條件，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組織管理能力要求苛刻。

在上述調(diào)整第2 幅拋爆寬度170、135、115 m 方案均難以實(shí)現(xiàn)的情況下，只能考慮第2 幅仍按正常寬度85 m 拋爆，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程現(xiàn)狀限制，拋爆后拋擲爆破高臺(tái)階頂盤保留95 m 寬時(shí)，自營(yíng)設(shè)備需要完成的剝離工程量為916.0 萬m3，需要工期仍要超過2.0 個(gè)月，只能考慮將部分剝離任務(wù)交由外委施工單位完成，以解決由于自營(yíng)剝離設(shè)備能力不足的問題。與方案1、方案2、方案3 相比，方案4 的安全性差，無法滿足安全生產(chǎn)需要。

因此，對(duì)于第9 剖面～第17 剖面之間的第3、第4 幅采掘帶，“2 幅合并170 m 拋擲爆破”方案無疑是最佳的，但是，考慮到北端幫又原煤破碎站群與剝離運(yùn)輸通道，為了降低大規(guī)模拋爆對(duì)北端幫的不利影響，可將第2、第3 幅合并爆破寬度調(diào)整為115 m，剝離此部分拋爆爆堆時(shí)，在下1 幅高臺(tái)階坡底保留部分剝離物（寬度30 m）作為安全緩沖區(qū)，以預(yù)防高臺(tái)階片幫影響下部采剝作業(yè)安全，因此方案3 為最佳方案。

2.2 剝離工藝

為準(zhǔn)確地分析過地塹影響區(qū)域?qū)P作業(yè)的影響，必須建立一套清晰分明，有依有據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)。研究以拉鏟典型作業(yè)工程條件與地塹影響區(qū)域特殊工程條件的差異性分析為基礎(chǔ)，依據(jù)工程條件對(duì)“拉鏟走行作業(yè)、作業(yè)安全性、拋擲爆破效果”的影響將地塹影響分為“無影響、輕微影響、中等影響、嚴(yán)重影響”4 個(gè)級(jí)別。工程條件對(duì)拉鏟作業(yè)影響程度分析見表2。

表2 工程條件對(duì)拉鏟作業(yè)影響程度分析

通過對(duì)地塹影響斷層特征分析，地塹影響區(qū)對(duì)拉鏟影響程度為中等，因此擬定采用如下2 種方案：①方案1：地塹影響區(qū)域所有采掘帶采用拉鏟倒堆工藝；②方案2：地塹影響區(qū)域第2、第4 幅采掘帶采用拉鏟倒堆工藝，第3 幅采用單斗－卡車工藝。

2.2.1 原煤損失量

地塹影響區(qū)域DF5斷層落差較大，導(dǎo)致煤層嚴(yán)重下陷，下陷后的煤層開采存在較大困難。

黑岱溝露天煤礦拉鏟作業(yè)時(shí)，是將煤層頂板以上一定厚度的剝離物倒堆排棄至上1 幅采掘帶的采空區(qū)[6]。受拉鏟作業(yè)規(guī)格、采場(chǎng)空間條件及原煤生產(chǎn)接續(xù)時(shí)間的限制，當(dāng)?shù)貕q影響區(qū)域所有采掘帶均采用拉鏟倒堆工藝時(shí)，將導(dǎo)致部分煤炭資源無法采出[7-8]，剖面5 第3 幅拋爆后拉鏟作業(yè)示意圖如圖1。

圖1 剖面5 第3 幅拋爆后拉鏟作業(yè)示意圖

基于所構(gòu)建的三維礦床地質(zhì)模型，計(jì)算地塹影響區(qū)域第3 幅采用拉鏟倒堆工藝時(shí)，受DF5斷層影響損失的煤炭資源量約98.78 萬t，按噸煤銷售利潤(rùn)100 元/t 粗略計(jì)算，將導(dǎo)致企業(yè)直接銷售利潤(rùn)損失9 878 萬元。DF5斷層影響損失煤量見表3。

表3 DF5 斷層影響損失煤量

2.2.2 拉鏟倒堆作業(yè)量

地塹影響區(qū)域斷層導(dǎo)致煤層下陷（DF5、DF6形成地塹區(qū)域），局部最大落差達(dá)到31.93 m（垂直于吊斗鏟倒堆工作線剖面5），若地塹影響區(qū)域采用吊斗鏟倒堆工藝，為了減少煤炭資源損失，則拉鏟倒堆后形成的排土堆應(yīng)盡可能不壓覆下陷煤層[9-10]。

按上述原則，同時(shí)考慮拉鏟倒堆作業(yè)規(guī)格、升降段走行坡度限制等因素，基于垂直于拉鏟倒堆工作線的第3～第14 剖面，設(shè)計(jì)過地塹影響區(qū)域第3 幅采掘帶拉鏟倒堆站立水平高度。

在地塹影響區(qū)域拉鏟倒堆站立水平設(shè)計(jì)平面圖（圖略）基礎(chǔ)上，確定各剖面拉鏟站立水平高度、倒堆作業(yè)截面積及單斗－卡車輔助剝離斷面積，經(jīng)計(jì)算地塹影響區(qū)域第3 幅采掘帶拉鏟倒堆作業(yè)量（形成的排土堆不壓煤情況下）約78.0 萬m3，單斗－卡車輔助剝離量約192.5 萬m3（非擴(kuò)展平盤量）。按上述方法，依次設(shè)計(jì)第3～第15 剖面壓煤情況下拉鏟站立水平高度，并計(jì)算各剖面倒堆作業(yè)截面積及單斗－卡車剝離斷面積，經(jīng)計(jì)算地塹影響區(qū)域第3 幅采掘帶拉鏟倒堆作業(yè)量（形成的排土堆壓煤情況下）約139.2 萬m3，單斗－卡車輔助剝離量約106.1 萬m3（非擴(kuò)展平盤量）。

3 地塹影響區(qū)拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案確定

綜上分析，若第2，第3 幅合并170 m 爆破，自營(yíng)設(shè)備需要完成的剝離工程量1 574.9 萬m3，若第2幅爆破寬度135 m，自營(yíng)設(shè)備需要完成的剝離工程量為1 247.8 萬m3，結(jié)合采場(chǎng)現(xiàn)狀工程位置、自營(yíng)剝離設(shè)備能力、采煤接續(xù)等方面分析，在時(shí)間、空間上均難以實(shí)現(xiàn)。若第2 幅按85 m 寬度爆破，自營(yíng)設(shè)備需要完成的剝離工程量916.0 萬m3，該方案由于安全性較低，因此不進(jìn)行考慮。第2 幅爆破寬度115 m，自營(yíng)設(shè)備需要完成的剝離工程量為1 109.3 萬m3，雖然仍存在一定的困難，但如果加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織管理，方案的可行性較高。第3 幅拋擲爆破高臺(tái)階如果采用拉鏟倒堆工藝，在確保拉鏟倒排形成的排土堆不壓煤的情況下，拉鏟倒堆作業(yè)量約78.0 萬m3，單斗－卡車剝離量192.5 萬m3，但由于斷層導(dǎo)致煤層下陷嚴(yán)重，在兼顧拉鏟卸載高度、作業(yè)效率及倒排空間限制的情況下，拉鏟站立水平局部平均厚度僅3.5 m，并且需要沿工作線方向多次升降段作業(yè)，拉鏟作業(yè)條件惡化，嚴(yán)重影響原煤生產(chǎn)接續(xù)；若不考慮回收下陷部分的煤炭資源，拉鏟按正常區(qū)域倒堆作業(yè)，拉鏟倒堆作業(yè)量約139.2 萬m3，單斗－卡車輔助剝離量月106.2 萬m3，但將造成約98.8 萬t 原煤無法采出，經(jīng)濟(jì)損失巨大。如果采用單斗－卡車工藝，則能充分發(fā)揮單斗－卡車工藝機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，基本上能夠?qū)F5斷層下陷部分的煤炭資源全部采出，經(jīng)濟(jì)效益顯著。故推薦高臺(tái)階拋擲爆破采用方案3。

4 結(jié)語(yǔ)

1）采用剖面分析法，確定地塹影響區(qū)域斷層與拋擲爆破高臺(tái)階空間位置關(guān)系，從高臺(tái)階穩(wěn)定性的角度，提出了4 種地塹影響區(qū)域拋擲爆破高臺(tái)階剝離方案。并對(duì)4 種高臺(tái)階剝離方案其對(duì)應(yīng)的上部單斗剝離系統(tǒng)超前剝離工程量及剝離工期進(jìn)行分析，確定了第2 幅采用拋爆寬度115 m 的高臺(tái)階拋擲爆破方案。

2）研究考慮到地塹區(qū)域，其采用不同的工藝對(duì)其煤層回采影響較大，因此對(duì)第3 幅采用拉鏟工藝及單斗卡車工藝進(jìn)行對(duì)比分析，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定了地塹影響區(qū)域第2 幅、第3 幅采掘帶拋擲爆破寬度115 m、85 m ＋第3 幅采掘帶以單斗－卡車剝離工藝為主的地塹影響區(qū)域高臺(tái)階剝離方案。

3）以拉鏟典型作業(yè)工程條件與地塹影響區(qū)域特殊工程條件的差異性分析為基礎(chǔ)，將地塹影響進(jìn)行了分級(jí)，確定拉鏟適用區(qū)域。同時(shí)充分考慮拉鏟與單斗卡車工藝間的靈活配合，拉鏟可適應(yīng)一定尺度條件下的地質(zhì)構(gòu)造變化，極大的擴(kuò)展的拉鏟倒堆工藝的適用范圍。