疏浚开采法在露天煤矿中的应用

2020-09-02蔡忠超张继平

露天采矿技术 2020年4期

蔡忠超，张继平

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

露天采矿方法的选择主要受制于矿体的赋存特征、地形条件、可供选择的开采工艺系统及设备制造能力、国家对于矿山开采的环境保护法规规定等诸多因素[1]。目前，常用的露天采矿方法主要有：掘坑外排开采法、倒堆内排开采法、石料开采法、顶帮开采法、疏浚开采法、水力冲采法、溶浸开采法等。疏浚开采方法经常用于清理或扩建水上航道，也可有效开采水下的有益矿物，如采砂、河卵石、铁矿石、锡矿石等，但利用此方法开采煤炭却较为少见，对露天煤矿开采领域来说还是一个较新的课题[2]。

1 开采条件概述

研究区距离当地市中心约11 km，占地面积为40 km2，属温带大陆性气候和地中海式气候。四季分明，夏季炎热，7—8 月气温最高35 ℃，平均气温为25～28 ℃。春、秋气候宜人，平均气温15 ℃，但春季相对较短。冬季1—2 月气温最低-10 ℃左右，平均气温约0～5 ℃。雨量充沛，年均降雨量平原地区为660～880 mm，山区为880～1 200 mm。

研究区紧邻1 条较大的河流，地表海拔高度平均约67～73 m，地表水资源丰富。矿田煤层以上的地层以砂岩为主，局部夹杂少量砾岩地层，煤层以上基本为完整的联通含水地层，由地表下挖1 m 就有水出现。地下水直接接受河水补给，水位与河水水位基本一致，地下水资源极为丰富。

露天矿煤层赋存连续且大部分较平缓，共有3 个煤层，自上而下煤层平均厚度分别为2.37、6.9、2.41 m，煤层中含有少量夹矸层，夹矸层厚度较小。研究区域内煤炭资源储量合计约为2 亿t，其中埋深在55 m以上的煤炭储量约为1.39 亿t。煤层上部覆盖层为渗透性好的砂子和砾石。

2 疏浚开采法

目前，露天矿常用的开采工艺有单斗-卡车间断式开采工艺、单斗-卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺、单斗-自移式破碎机-带式输送机半连续开采工艺、轮斗连续开采工艺和拉斗铲倒堆开采工艺，上述开采工艺均属于传统的“干式”开采工艺，即：露天开采工作几乎都是在“干燥”的采掘场里进行，一般情况下，为了确保采掘场的“干燥”需要通过疏干工程将地下水位降低至正常的采掘施工作业面以下。

研究区煤层以上都是含水层，地层结构以砂岩为主，渗透性极好，受河水从各个方向直接补给，很难建立有效的隔水措施，同时由于含水层补给速度极快，直接疏干排水的速度必须超过补给速度，造成疏干排水成本过大。同时该地区地层结构以砂岩为主，地层稳定性较差，即使布置降水孔，并设套管防护，在实际施工过程中也很可能产生塌孔、废孔，进一步增加了疏干降水孔的施工成本，即使成功安装的降水孔也随时有侧滑的可能，运营风险较大。

对于一个露天矿而言，如何因矿制宜确定合适的开采方法尤为重要[3]。当降水孔疏干排水方法已经无法满足传统的“干式”露天开采的技术要求时，项目开发需要理念的创新，谋求更适合的开采方式，即采用疏浚开采法。该方法使用的开采设备通常有采挖船、链斗挖掘机，轮斗挖掘机、抓斗铲等，废弃物料直接排弃于水体中，有用矿产转载至船体中，然后运至陆地进一步处理主要开采赋存于水体下的矿产资源。疏浚开采法能够适应项目区的实际开采条件，提高生产率、降低生产成本、避免了露天煤矿“干式”开采中的疏干排水问题，同时在开采过程中受暴雨和洪水的影响较小。

3 疏浚开采主要工艺流程

疏浚设备可以分为机械疏浚船和液压疏浚船：①链斗船、抓斗船、反铲船属于机械疏浚船；②普通吸泥船、绞吸船、耙吸船则属于液压疏浚船。对疏浚作业常用的绞吸式、耙吸式、抓斗式3 种不同类型挖泥船相比较，在同等疏浚效率下，绞吸挖泥船对环境的影响及其产生悬浮发生量较小[4]，因此采用绞吸船进行煤层开采。

若采煤能力达到6.00 Mt/a，则需要剥离30.00 Mm3/a，需采用1 条绞吸船开挖煤层，3 条链斗船开挖覆盖层剥离物。链斗船所采剥离物初期运往地面规划的外排土场进行排弃，随着采掘工作面的推进，上覆剥离物逐渐实现内排。开采方式示意图如图1。

图1 开采方式示意图

煤层挖掘条带宽45 m，开采后的煤炭经漂浮在水面的输送管道运往地面，由于煤炭的密度相对较低，使水力管道传送虽然高效但成本却较低。到达地面的煤炭通过筛分脱水和沉淀池脱水相结合的方式，达到脱水要求。煤泥沉淀池示意图如图2。

图2 煤泥沉淀池示意图

筛分脱水设备近年来使用较多的是固定筛、振动筛。筛分脱水主要用于粒度大于0.5 mm 的煤，沉淀池脱水主要用于粒度小于0.5 mm 的煤的煤泥水。煤泥水进入排水沟后通过不同的闸门控制调节使其进入不同的沉淀池内进行沉淀，经过沉淀后上部清水通过池内控制闸门排往澄清水池，最后通过水泵将清水排放至指定位置。沉淀池侧设有煤泥堆放场，用于沉淀池内的煤泥堆放。

4 应用疏浚开采的关键性要求

1）采深对设备的要求。根据疏浚工程的特点，目前绞吸挖泥船最大挖深一般可达30 m，我国自主研制的亚洲最大绞吸挖泥船“天鲲号”的最大挖深可达35 m。采掘场的绞吸挖泥船的船体结构要比同类型海上作业的船体结构简单，目前通用的疏浚施工技术可以承担开挖煤层的任务，但研究区有部分埋深达55 m 的煤层，需要设计建造专用绞吸挖泥船以满足大采深要求。

2）煤的物理性质变化对设备的要求。随着水深的不同，煤的压缩力也将发生变化，在深水中煤的压缩力很大，煤变得相对坚硬，在吸走或开挖之前需要对煤进行切割和破碎，这将给挖掘带来很大障碍，虽然中型或大型的绞吸船均具有这种切割和破碎的能力，但在采用绞吸式挖泥船进行开采施工时，定位桩是常用的施工设备，如果定位桩液压系统出现故障将会直接对疏浚施工造成影响[5]，这对绞吸船的定位桩系统提出了较高的要求。

3）煤层精确开采的要求。在露天矿煤层开采过程中常常会遇到矸石赋存的情况，需要对煤层及夹矸精确开采，从而减小煤损及混矸[6]。矿区煤层含有少量夹矸层，开采时主要煤沙分离工作在煤层和沙层的交界面发生，交界面需要分离的煤量约占总煤量的6.5%。在水下开采煤层时要实施精确开采，在满足电厂对混入杂质可接受程度的前提下，尽量减少混入矸石或沙。这需要在地质资料基础上，做出精确的开采模型并最终形成指导开挖的控制模型，同时绞吸式挖泥船的疏浚监控系统的校验工作与施工生产是密不可分的[7]，这对采煤绞吸船的水平控制系统、垂直控制系统及监控系统提出了较高的要求。

4）脱水系统的要求。煤炭脱水是露天煤矿向电厂输煤过程中的关键环节，露天矿6.00 Mt/a 的生产规模，需要其有1 个庞大的脱水系统来满足电厂每日的煤炭消耗，因此对脱水系统的高效与可靠性提出了较高要求。

5）褐煤的泥化。泥化是年轻褐煤煤矿常见的问题，产生泥化现象的原因一般是煤和矸石在水浸的情况下，由于物理运动和碰撞的原因，使煤和矸石颗粒产生裂缝或者将原来的小裂缝扩大，从而使颗粒变小。或颗粒本身内生裂隙比较发达，或煤本身就比较软，经过机械运动，煤粒相互碰撞而产生裂隙现象。褐煤的泥化问题对于筛分脱水生产工艺产生的影响较小，对煤矿开采可能产生的影响是在煤沙混合物分离过程中，形成部分小于0.5 mm 的颗粒，影响分离出来的煤量，同时形成煤泥水涉及到煤泥水的处理问题。

5 疏浚开采法应用实例

在塞尔维亚科温地区的科温露天矿就是使用疏浚开采方式进行煤炭开采的。所采用的轮式绞吸挖掘船为德国O&K 公司生产的“科温1 号”，设备总功率为10 126 kW，由直埋地下和架设在管道浮桥上的电缆供电。挖掘船轮斗直径为4.5 m，刀头功率750 kW，刀头旋转方向与地上普通挖掘机的旋转方向相反，转速7～13 r/min。

科温露天矿设计生产能力为80 万t/a，目前煤炭生产能力为30 万t/a。煤炭的产能看上去较低的原因是因为实际生产中轮式绞吸挖掘船仅用50%的年工作时间进行采煤，另外用50%的年工作时间进行上部有益覆盖层的开采。所采出的煤炭经坑口沉淀池沉淀后，由自卸卡车运往项目附近电厂销售。

目前塞尔维亚已成功应用该开采方式。在过去的20 年里，该技术开始只是作为一个试验性质的尝试在贝尔格莱德东部矿区小范围使用，后来在开采技术上做了更进一步的改进和升级，虽然目前实际应用的矿山生产规模较小，但该技术仍然是一种十分有效的开采手段[8]。