哈尔乌素露天煤矿应用中部沟的研究

2020-07-02侯占山

露天采矿技术 2020年3期

侯占山，张慧

（中国神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

出入车沟是露天矿开拓运输系统中的一个重要环节，也是整个开采体系中的一个重要组成部分，它与开采方法、开拓运输方式等密切有关。在大型深凹露天矿中，为保证将露天矿不同时期开采的矿石与岩石经济的拉运到地表卸车站及输运地点，采用不同的出入车沟方式。中部沟是出入车沟的一部分，目前广泛应用于抛掷爆破-吊斗铲倒堆工艺中。

在哈尔乌素露天煤矿初步设计中中部沟应用在抛掷爆破-吊斗铲倒堆工艺下，由于生产需要，哈尔乌素露天煤矿一直没有使用抛掷爆破-吊斗铲倒堆工艺。因此，中部沟在哈尔乌素露天煤矿的应用也停留在了理论阶段。随着矿石开采与土地资源间的矛盾越演越烈，征地问题已经成为了哈尔乌素露天煤矿最大的难题，它阻碍了矿山企业的健康发展，直接影响矿山开采参数和程序，原有的运输系统逐渐不能发挥其优势，不得不与时俱进采用一些安全、可靠、技术上可行的开采方法。

1 矿山概况

哈尔乌素露天煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，东临黄河，北邻黑岱沟露天煤矿。矿区面积67 km2，原煤储量1 719.39 Mt，设计年生产能力35.0 Mt，服务年限49 年，是目前世界单坑产能最大的露天煤矿之一。上部黄土覆盖层平均厚度40 m，中部岩石层平均厚度100 m，下部煤层平均厚度21 m，平均剥采比6.6 m3/t，煤质为中灰、低硫、特低磷优质动力煤，平均发热量19.7 MJ/kg，因其污染小，适用面广，被誉为“绿色煤炭”。

哈尔乌素露天煤矿于2006 年5 月18 日开工建设，2008 年1 月9 日正式成立。采场划分为3 个条区，工作线长度2 km，开采工艺采用单斗－卡车间断工艺。自2009 年年底开始实现内排，同时东扩帮工程开始实施，为首采区转向奠定基础，2010 年、2011年全面进行内排，截止2011 年底，首采区的转向工作全面结束。

哈尔乌素露天煤矿采煤运输系统主要由煤台阶、端帮和排土场系列坡道组成。受征地影响，工作帮已形成陡帮，短期内无法完成缓帮继续露煤，生产接续非常困难。为了更好接续煤炭生产和应对因征地带来的困难。提出了中部沟技术在哈尔乌素露天煤矿单斗－卡车工艺系统的应用，该技术也为国内单斗－卡车系统内应用中部沟回采煤炭技术的提供了技术保障。

2 中部沟的研究与应用

2.1 中部沟的组成及特点

中部沟一般由3 条运输系统组成，其中中间运输系统的标高较两侧底，服务下部物料运输；两侧系统标高基本一致，分别服务左右两侧的中、上部物料运输；3 条系统坡顶标高一致，并汇聚到1 条运输系统上。3 条系统构成1 个完整的运输系统，任意2 条运行时可移设第3 条，循环前进；同时可减少被采物料上下层之间的联络系统，可以在狭小的空间内连续采出更多物料[1]。

2.2 中部沟的形成过程

哈尔乌素的中部沟由3 部分组成[2]，分别是中间的6#下路，服务南北两侧6#下煤的运输；北侧的6#中路，服务北侧6#中煤和6#上煤的运输；南侧6#中路，服务南侧6#中煤和6#上煤的运输。中部沟的设计位置示意图如图1。

图1 哈尔乌素露天煤矿中部沟的设计位置示意图

哈尔乌素露天煤矿中部沟的搭建顺序是先6#下路、再北侧6#中路和南侧6#中路。搭建物料全部来自采场南部和中部的剥离物[3]。整个工期预计需要2 月，总剥离量2.2 Mm3，预计投入电铲2 台，推土机3 台。详细步骤如下：

1）形成6#下路运输系统。南部995 水平剥离量0.9 Mm3，经995 端帮路排弃到990 至945 坡道位置，运距1.8 km。电铲能力按30 000 m3/d 计算，电铲作业时间30 d；穿孔爆破时间和推土机修筑坡道时间10 d；预计40 d 形成6#下路运输系统。

2）形成北侧6 中路运输系统。南部980 m 水平剥离量0.7 Mm3，经995 端帮路排弃到990 至960 坡道位置，运距2.2 km。电铲能力按30 000 m3/d 计算，电铲作业时间24 d；穿孔爆破时间和推土机修筑坡道时间6 d；预计30 d 形成北侧6#中路运输系统。

3）形成南侧6#中路运输系统。水浇地北侧夹矸量0.6 Mm3，经995 端帮路排弃到990 至960 坡道位置，运距3.2 km。电铲能力按30 000 m3／d 计算，电铲作业时间20 d；穿孔爆破时间和推土机修筑坡道时间5 d；预计25 d 形成南侧6#中路运输系统。北6#中路和南6#中路可同时施工，形成6#下路、北6#中路和南6#中路总用时约2 月[4－5]。

2.3 采煤接续推演

中部沟应用后的采煤接续示意图如图2～图4。

图2 北6 上采掘位置图

图3 北6 中采掘位置图

图4 北6 下采掘位置图

假设煤底板标高为水平面[6]，煤层厚度与哈尔乌素露天煤矿现状一致按33 m，采场剥离台阶和排土场排弃台阶高度均与哈尔乌素露天煤矿现状一致，分别为15 m 和30 m。中部沟应用后，将煤台阶以中部沟分为南北2 部分，南北工作线循环推进。采煤应用分层开采方式，6#上煤、6#中煤、6#下煤台阶高度分别为12、6、15 m。

1）采掘北部6#上煤。北6#中路排弃至煤顶板以下15 m 处，采煤设备经6#中路至煤岩交接位置，升采至6#上煤底板（6#上煤台阶高12 m），先采掘6#下路正前方切口位置的6#上煤，然后向北采掘，煤量经北6#中路和排土场至破碎站。北6#上采掘位置如图2（＋21 区域）。

2）采掘北部6#中煤。北6#上煤工作线向北推进100 m 后，北6#中煤从6#中路开始采掘，6#中煤追踪6#上煤煤开采，连接6#中煤和6#上煤的坡道布置在煤台阶上，向北迈步式移动。北6#中采掘位置如图3（＋15 m 区域）。

3）采掘北部6#下煤。北6#上煤工作线向北推进200 m 后，北6#下煤追踪北6#中煤向北采掘，北6#下采煤工作线向北推进时在排土场一侧留设30 m宽煤柱，煤柱连接6#中路，煤柱服务6#中煤和6#上煤的煤量运输。北6#下煤采掘位置如图4（煤底板区域）。北部6#上煤、6#中煤全部采掘完毕后，将煤柱回采。

2.4 边坡稳定性计算

哈尔乌素露天区构造与整个煤田构造特征基本一致，仍为构造简单区，地层倾角均小于10°，一般为5°左右。内排土场基底较平缓，基底岩性为砂岩或砂质泥岩，强度较高。排弃物的内摩擦角为23°，黏聚力为30 kPa，密度为1.8 t/m3。

2.4.1 稳定性影响因素

边坡稳定性是露天矿安全生产的重要组成部分，其稳定性主要受排弃物自身物理力学性质、排土场基底承载性能、弱层形成及其它自然因素的影响[7]。

1）排弃物料因素。排弃物岩性、颗粒组成、风化崩解特性、透水性、压缩性及其它物理力学性质及工程特性是影响边坡稳定性的主要因素[8]。

2）基底（承载力及变形）因素。排土场基底因素包括排土场基底的岩性（基底物料）、岩层结构、岩层倾角。主要考察内排土场基底岩石力学性质、塑形变形及渗透性、外排土场的基底与排弃物接触面的工程地质特性等。

3）自然因素。除边坡自身形态及岩土体自身特征外，降雨、降雪、冻融也是影响排土场边坡稳定的重要条件。大量工程实践表明，在长时间降雨或暴雨条件下，因降雨引起岩土体强度降低、有效应力降低、水压力增大等因素影响，引起边坡突然失稳，造成人员伤亡及财产损失。降雪主要是通过荷载的形式影响边坡的稳定性。冻融则是由于冬季降水由于无法入渗、以冰的形式在地表附近累积、气温升高后由于岩土体消融后孔隙率变大，大量吸收水分，导致含水率上升，强度降低，从而导致边坡稳定性降低。

2.4.2 计算方法

中部沟位于排土场，其发生滑坡的模式以“坐落－滑移式”为主，其主要受弱层控制，即滑坡后缘圆弧剪切（通过搜寻计算，可确定最危险的滑坡后缘），底部沿弱层滑动，并在坡角处剪出，其滑动面是由软弱层面和切层部分的圆弧面组成的复合滑面，滑坡模式的基本计算方法如下：

运用最优化理论计算滑坡稳定系数Fs：

式中：c 为黏聚力，MPa；ρ 为岩石密度，t/m3；h为条块高，m；φ 为内摩擦角，(°)；λ 为条块儿的比值；α 为条块底面和水平面间夹角，(°)；ΔX 为条块分条宽度，m。

式（1）是进行优化计算最危险复合滑动面的基本目标函数表达式[9]。

2.4.3 计算结果

通过对哈尔乌素露天矿中部沟的边坡的数值计算分析可知，中部沟整体较为安全，因为中部沟位于内排土场，其变形主要是排弃物本身在重力作用下的固结压实。该边坡滑移破坏面为不规则圆弧形。在边坡稳定计算时，在强震地区需要考虑地震力。滑体承受的地震力F 如下：

式中：m 为滑体的质量，kg；Ko为地震系数，取0.8；

经计算分析，稳定系数为1.25，可保持基本稳定。

2.5 效益分析

哈尔乌素露天煤矿目前采煤方式是分层开采方式，分6＃上、6＃中和6＃下3 个台阶，每个台阶平盘宽40～60 m，上下层之间的联络坡道全部布置在煤台阶上，煤台阶之间的联络坡道宽不足40 m，煤台阶和煤台阶之间的联络坡道共有煤量约7.2 Mt。应用中部沟后，依然采用分采开采的方式，中部沟运输系统可以代替原留设在煤台阶的运输系统，煤台阶和6 上煤与6#中煤的联络坡道共有煤量1.2 Mt。应用中部沟后的运煤系统与原运煤系统比较，可提前采出6.0 Mt 已露煤量。对完成哈尔乌素露天煤矿生产任务和水浇地征地完成后的生产接续具有非常重要的意义。