露天煤礦端幫單車道運(yùn)輸設(shè)計(jì)研究

徐長友，劉永杰，趙立春

（國家電投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200）

露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)和邊坡穩(wěn)定是影響安全的重大問題，臺階高度及運(yùn)輸平盤寬度影響邊坡穩(wěn)定程度，而整體邊坡或者局部邊坡穩(wěn)定和合理邊坡形態(tài)對運(yùn)輸安全和經(jīng)濟(jì)效益影響較大，正確處理兩者之間關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)露天礦高效、科學(xué)和安全的發(fā)展。對露天礦運(yùn)輸?shù)缆坊蚨藥瓦吰略O(shè)計(jì)優(yōu)化一直是國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點(diǎn)和重話題之一，學(xué)者們應(yīng)用不同理論對其展開大量研究。賀昌斌等[1]結(jié)合安太堡露天礦煤層底板傾角、開采進(jìn)度、物料流向情況，在保持運(yùn)輸系統(tǒng)穩(wěn)定情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)排土空間的創(chuàng)造，有效地降低了提升高度和運(yùn)距；劉光偉等[2]以開拓定線過程中既定坑線的存留問題為切入點(diǎn)，對露天礦采場內(nèi)采、剝物料的運(yùn)輸線路的演化規(guī)律進(jìn)行了有效分析和描述，提出了一種定量化描述露天采場時(shí)空狀態(tài)演化過程的新方法；胡存虎等[3]根據(jù)哈爾烏素露天礦生產(chǎn)實(shí)際及借鑒其他礦山建立開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出在工作幫和非工作幫之間建立中間橋運(yùn)輸系統(tǒng)的開拓運(yùn)輸方案，使哈爾烏素礦山利益最大化；潘飛亞等[4]提出露天礦運(yùn)輸設(shè)備在運(yùn)輸過程中存在先下后上問題，通過對露天礦垂向反向運(yùn)輸中運(yùn)輸成本的增加值進(jìn)行量化計(jì)算，為露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場管理提供依據(jù)；孫磊等[5]結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，針對采場南端幫坡道移設(shè)已存在滯后問題，對勝利露天礦南端幫運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)；潘朝港等[6]以提升經(jīng)濟(jì)效益為目的，減小了端幫運(yùn)輸平盤寬度，采出了大量煤炭資源，使企業(yè)獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。盡管眾多研究人員對其露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)或端幫開采設(shè)計(jì)的研究取得了一系列成果，但對兩者結(jié)合研究甚少。為此，利用3Dmine 和SLOPE/W 等繪圖計(jì)算軟件，對各運(yùn)輸?shù)缆肺恢?、循環(huán)運(yùn)輸情況及邊坡形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化研究；運(yùn)用極限平衡分析法方法，分析和評價(jià)單循環(huán)運(yùn)輸?shù)缆返慕ㄔO(shè)對邊坡穩(wěn)定的影響。

1 工程概況

扎哈淖爾露天煤礦外排土場容量已飽和，剝離物料全年計(jì)劃流向內(nèi)排土場，隨著采區(qū)轉(zhuǎn)向發(fā)展，需要建立端幫運(yùn)輸系統(tǒng)，從物料運(yùn)距的合理性考慮，可極大地減少反向運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象，同時(shí)規(guī)避自有設(shè)備與外委剝離車輛交叉運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，在成本及安全性上具有重要意義[7-8]。

現(xiàn)有端幫上部運(yùn)輸均為同一平盤雙車道運(yùn)行，中下部運(yùn)輸干線每隔24 m 設(shè)計(jì)雙車道，端幫平盤雙車道示意圖如圖1。

圖1 端幫平盤雙車道示意圖

為了充分利用內(nèi)排空間，避免發(fā)生安全事故，在壓降生產(chǎn)成本的重要基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化端幫邊坡形態(tài)和運(yùn)輸?shù)缆穼挾?、保安平盤及清掃平盤，最大限度采出煤炭資源，提高煤炭資源回采率，同時(shí)保證人員和設(shè)備的安全，有必要研究單車道循環(huán)運(yùn)輸在露天煤礦端幫邊坡設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

2 端幫邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)

露天煤礦端幫邊坡是開挖工程形成的邊坡，在采區(qū)過渡或者轉(zhuǎn)向期間，為了滿足礦山安全生產(chǎn)需求，端幫區(qū)域從設(shè)計(jì)上從上到下要保留運(yùn)輸系統(tǒng)（雙車道運(yùn)輸和單車道運(yùn)輸）、保安平盤和清掃平盤，端幫最終邊坡由上至下是逐漸形成的。上部的和下部的服務(wù)年限不同：上部邊坡區(qū)域邊坡服務(wù)年限較長，長時(shí)期不受內(nèi)排土場壓幫作用，綜合考慮確定該上部邊坡安全儲備系數(shù)選取數(shù)值比較大，偏于保守，致使運(yùn)輸平盤寬度均大于雙車道運(yùn)輸要求；而下部可以考慮內(nèi)排支護(hù)作用，再加上暴露時(shí)間較短，在保證整體邊坡和局部邊坡穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，可合理優(yōu)化邊坡形態(tài)，縮小平寬度，增加煤炭回采率。

2.1 端幫雙車道平盤寬度

端幫運(yùn)輸平盤雙車道寬度參數(shù)圖如圖2

圖2 端幫運(yùn)輸平盤雙車道寬度參數(shù)圖

考慮運(yùn)輸能力和安全生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)雙車道運(yùn)輸平盤寬度Ls至少包括2 條卡車運(yùn)輸通道、中間設(shè)計(jì)隔離帶、排水溝、人工安全擋墻和安全距離，至少保證2 輛卡車同時(shí)通過。雙車道設(shè)計(jì)運(yùn)輸平盤寬度表達(dá)式為：

式中：Ls為雙車道運(yùn)輸平盤寬度，m；A 為卡車寬度，m；B 卡車安全距離寬度，m；C 為設(shè)計(jì)的擋墻寬度，m；D 為設(shè)計(jì)的排水溝寬度，m；E 為邊緣安全距離，m。

2.2 端幫單車道平盤寬度

端幫運(yùn)輸平盤單車道寬度參數(shù)圖如圖3。

圖3 端幫運(yùn)輸平盤單車道寬度參數(shù)圖

隨著扎哈淖爾露天煤礦排土工程的發(fā)展，壓覆部分南北幫邊坡體內(nèi)煤炭資源，在保證南北端幫穩(wěn)定前提下，科學(xué)、合理采出南北端邊幫體內(nèi)剝采比較低、經(jīng)濟(jì)效益較高的煤炭資源是需要重點(diǎn)研究的問題，同時(shí)在開采過程不影響正常生產(chǎn)作業(yè)。從安全和最大限度采出煤炭資源角度出發(fā)，再加上運(yùn)距的合理性考慮，減少反向運(yùn)輸為目標(biāo)，規(guī)避設(shè)備之間交叉運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，以單循環(huán)運(yùn)輸?shù)缆窚p小運(yùn)輸平盤寬度，提高整體和局部端幫邊坡角為目的，通過端幫邊坡穩(wěn)定性確定、內(nèi)排發(fā)展位置，同水平運(yùn)輸系統(tǒng)建立、開采程序研究、采排時(shí)空間控制等在內(nèi)的關(guān)鍵問題研究，提高資源采出率，優(yōu)化設(shè)計(jì)后端幫采用單循環(huán)運(yùn)輸平盤，優(yōu)化設(shè)計(jì)后端幫單車道運(yùn)輸平盤寬度表達(dá)為：

式中：Ld為單車道運(yùn)輸平盤寬度，m；A 為卡車寬度，m；B 卡車安全距離寬度，m；C 為設(shè)計(jì)的擋墻寬度，m；D 為設(shè)計(jì)的排水溝寬度，m；E 為邊緣安全距離，m。

3 端幫邊坡穩(wěn)定性

通過工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探和開采過程揭露情況，端幫邊坡體自上而下巖層分布為新生界第四系和新近系，中生界白堊系風(fēng)化泥巖、煤層及煤泥巖、砂巖互層。巖、煤體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖、煤體物理力學(xué)指標(biāo)

巖性、構(gòu)造組合復(fù)雜，煤巖力學(xué)強(qiáng)度普遍較低，再加上部分煤層頂板底板存在弱層，將端幫邊坡劃分為2 個(gè)階段：①ⅠA 煤頂板以上②ⅠA 煤底板煤頂板～ⅣC 煤底板。

國際上通用的比較成熟的極限平衡法是Morgenstern 法，它既考慮了力的平衡方程，也考力矩的平衡方程，可以用于搜索圓弧滑面滑動面也可以用于搜索任意形狀滑動面[9-10]。

3.1 上部端幫單車道循環(huán)與邊坡穩(wěn)定性分析

上部端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖如圖4。

圖4 上部端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖

考慮ⅠA 煤頂板弱層和單車道循環(huán)運(yùn)輸平盤對上部端幫邊坡穩(wěn)定性的影響，利Morgenstern 法優(yōu)化了端幫邊坡形態(tài)，設(shè)計(jì)前臺階高度12 m，臺階坡面角70°，平盤寬度為40 m 時(shí)上部剛好滿足安全儲備系數(shù)1.2 的要求，為了減少剝離量，基于內(nèi)排超前內(nèi)排原理，減少上部端幫邊坡下部4 個(gè)運(yùn)輸平盤寬度，由原來雙車道運(yùn)行，更改為單車道循環(huán)運(yùn)行，每個(gè)雙車道平盤減少16 m，運(yùn)輸平盤寬度總共減少64 m，優(yōu)化后端幫邊坡臺階高度12 m，臺階坡面角70°，整體端幫邊坡角度25°，不超初步設(shè)計(jì)27°要求。

3.2 中下部端幫單車道循環(huán)與邊坡穩(wěn)定性分析

中下部端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖如圖5。

圖5 中下部端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖

考慮ⅣC 底板板弱層和單車道循環(huán)運(yùn)輸平盤對中下部端幫邊坡穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用軟件中Morgenstern 法計(jì)算了邊坡典型剖面深部（ⅠA 煤頂板以下）邊坡破壞模式與形態(tài)優(yōu)化結(jié)果為了減少剝離量，基于內(nèi)排超前內(nèi)排原理，減少中下部端幫邊坡下部4 個(gè)運(yùn)輸平盤寬度，由原來雙車道運(yùn)行，更改為單車道循環(huán)運(yùn)行，每個(gè)雙車道平盤減少16 m，運(yùn)輸運(yùn)輸平盤寬度總共減少60 m，優(yōu)化后端幫邊坡臺階高度12 m，臺階坡面角70°，上部運(yùn)輸平盤寬度不變，優(yōu)化后整體端幫邊坡角度26°，不超初步設(shè)計(jì)27°要求。

3.3 整體端幫單車道循環(huán)與邊坡穩(wěn)定性分析

整體端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖如圖6。

圖6 整體端幫單車道循環(huán)與邊坡設(shè)計(jì)結(jié)果圖

考慮單車道循環(huán)運(yùn)輸平盤對整體端幫邊坡穩(wěn)定性的影響。利用Morgenstern 法計(jì)算了邊坡典型剖面整體端幫邊坡破壞模式與形態(tài)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)臺階高度12 m，臺階坡面角70°，為了減少剝離量，基于內(nèi)排超前內(nèi)排原理，減少上部端幫邊坡下部和中下部端幫邊坡下部4 個(gè)運(yùn)輸平盤寬度，由原來雙車道運(yùn)行，更改為單車道循環(huán)運(yùn)行，運(yùn)輸運(yùn)輸平盤寬度總共減少128 m，設(shè)計(jì)后整體端幫邊坡和ⅣC 底板以上至ⅠA 煤頂板剛好滿足安全儲備系數(shù)1.05 的要求，優(yōu)化后整體端幫邊坡角度27°，不超初步設(shè)計(jì)27°要求。

4 結(jié)語

1）合理優(yōu)化單車道循環(huán)運(yùn)輸位置，可減少上部端幫邊坡4 個(gè)運(yùn)輸平盤寬度和下部端幫邊坡下部4個(gè)運(yùn)輸平盤寬度分別為64 m 和60 m，端幫整體邊坡運(yùn)輸平盤寬度共減少128 m。

2）基于剛體極限平衡計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)ⅠA 煤層上部端幫邊坡下部4 個(gè)單車道運(yùn)輸平盤寬度，端幫整體邊坡角和ⅠA 煤層以上局部邊坡角分別提高2°和5°；優(yōu)化設(shè)計(jì)ⅣC 煤層至ⅠA 煤層中下部端幫邊坡下部4 個(gè)單車道運(yùn)輸平盤寬度，端幫整體邊坡角和優(yōu)化設(shè)計(jì)ⅣC 煤層至ⅠA 煤層分別提高3°和5°；優(yōu)化ⅣC 煤層至地表8 個(gè)單車道運(yùn)輸平盤寬度，端幫整體邊坡角可提高4°。

3）實(shí)行單車道循環(huán)運(yùn)輸，優(yōu)化ⅠA 煤層上部端幫邊坡下部設(shè)計(jì)可多采出煤炭資源231.1 萬t，優(yōu)化ⅣC 煤層至ⅠA 煤層中下部端幫邊坡設(shè)計(jì)可多采出煤炭資源106.1 萬t，優(yōu)化ⅣC 煤層至地表整體端幫邊坡設(shè)計(jì)可多采出煤炭資源300.4 萬t；優(yōu)化不同階段端幫邊坡單車道位置，可多采出煤炭資源，創(chuàng)造明顯經(jīng)濟(jì)效益。