扇形扩帮方法在露天矿的应用

侯占山

（神华准格尔能源有限责任公司哈尔乌素露天矿,内蒙古鄂尔多斯 010300）

我国采用较多的露天开采方法有：掘坑外排法，主要用于金属、非金属矿山和早期的露天煤矿(1949—1980 年建设)；倒堆内排法：主要用于1980年以后建设的绝大多数大型露天煤矿；石料开采法、疏浚开采法：主要用于开采建筑业使用的砂石等集料；水力冲采法，主要用于开采冲击类矿床如砂金矿、锡矿等[1-2]。

目前,在大中型硬岩露天矿开采中普遍使用扩帮开采法。扩帮开采法的实质是首先在矿体开采条件简单,品位较富的矿段上,以较陡的工作帮坡角和以成斜条状的扩帮带,自上而下依次向外推进。这样,临时境界不断地向外和向下扩展,进而形成最终境界。露天矿扩帮开采法与其它方法比较,具有基建剥离量小，基建投资少，所用设备少，达产快，经济效果好，特别是初期经济效果显著等优点。但是，扩帮开采技术在露天矿坑的局部位置进行引用却很少见，但随着我国露天矿山受征地影响严重的现象出现，露天矿坑局部出现陡帮的情况常见，所以采场局部位置扩帮方法的研究会有较大的前景。

1 扩帮方法

1.1 陡帮扩帮方法

所谓陡帮扩帮方法是与缓帮开采比较而言，其特点是：①扩帮临时工作帮坡角一般在20～25 °，有时也可能达到40 °；②采场分成采矿区和扩帮剥岩区，并分别在不同标高各自进行独立作业；③其间留有较陡的工作帮，并保证采矿和剥岩相适应[3-4]。

传统的陡帮扩帮方法按扩帮台阶的组合形式划分：①分条带自上而下的逐层扩帮法：是指在1 个开采分期里，把扩帮区段沿倾斜方向分成1 个或几个条带，每个条带都采用自上而下逐个台阶进行扩帮的方式，只有在最上1 个台阶安设采掘运输设备；②组合台阶陡帮扩帮法:当采用分条带自上而下逐层扩帮法在设备类型和扩帮作业面积均满足不了扩帮强度要求的条件下，沿陡坡剥岩方向，把扩帮区段的台阶分成若干组，每1 组在某1 时间内只有1 个台阶处于工作状态，并保持着正常作业的工作平台宽度，其他台阶处于待工作状态，并小于正常工作台阶宽度，以达到缩小剥岩帮的水平投影宽度，这样即保证了较陡的扩帮工作帮坡角，又提供了较多的电铲工作面，满足扩帮强度的需要。台阶组数越多，扩帮强度越高[5-6]。

传统的陡帮扩帮方法按采剥工作面的推进方向分类：①采矿和扩帮工作面均垂直矿体走向布置，沿矿体走向推进，这种布置方式在连续分期扩帮开采工艺里用的最多；②扩帮工作面垂直矿体走向布置，而采矿工作面沿走向布置，这种方式用于改建扩建或者开始分期过渡的矿山；③扩帮区段上部采用平行矿体走向布置工作面，下部采用垂直矿体布置工作面，形成上缓下陡的临时剥岩工作帮，适用大中型铁路运输的矿山[7]。

1.2 “扇形”扩帮方法

所谓“扇形”扩帮方法，即工作线以某一回转中心沿逆时针或顺时针方向旋转推进，推进方式类似展扇过程，因此称为“扇形”扩帮[8]。

扇形扩帮方法具有如下特点：①由于工作线为扇形发展，自由面大，爆破效果好；②剥离工作线长，投入设备多；③运输系统可布置在扇端，占用作业面少，便于维护；④缓帮速度快，露煤量大。

扇形扩帮是工作线围绕某个点（通常是沟道线路与工作面线路的连接点）移动，工作线上每个点的推进速度不一样的扩帮的方式。具体步骤是：①陡帮顶部选择某点下挖掘沟；②工作线垂直掘沟方向推进；③形成工作面；④工作线围绕掘沟位置扇形推进；⑤重复①至④步，继续扩帮。扇形扩帮示意图如图1，扇形扩帮实例图如图2。

图1 扇形扩帮示意图

图2 扇形扩帮实例图

哈尔乌素露天煤矿采场中部受征地滞后影响，导致地表工作线无法推进，采场中部呈“孤岛”型，“孤岛”南北宽300 m，东西长1000 m，上部地表台阶标高+1 080 水平，下部煤顶板标高+965 水平，落差115m。“孤岛”北侧、西侧、南侧均按到界端帮留设，帮坡角35 °，上下台阶之间没有运输系统，且没有和采场其他工作帮、端帮相连的运输系统，东侧与采场相连。传统的陡帮扩帮方法无法满足哈尔乌素露天煤矿“孤岛”区域的陡帮扩帮工程。

2 扇形扩帮在哈尔乌素矿的应用

哈尔乌素露天煤矿水浇地露煤宽80 m，剥离台阶按80 m 留设，扩帮量809 m3，其中+995 m 水平以上台阶629 m3，+980 m 水平至煤顶板180 m3。经过在图纸上反复推演和滚动，建议采用外委加自营的解决方案。

2.1 运输道路布置和排弃位置规划

计划将给南部煤沟自营设备供电的电缆全部从水浇地位置移设至南端帮，由原来的水浇地变电站供电改为南端帮变电站供电。计划将现水浇地南侧布置的电缆全部移设至水浇地北侧，由水浇地北侧给北部自营设备供电，同时将相应的供电设备设施（变电柜、集装箱等）移设至水浇地东侧和北侧。在水浇地1 055 m 水平沿水浇地南侧为剥离运输设备腾出40 m 宽运输道路。须开工前7 d 完成全部工程。

计划在水浇地995 m 水平的北侧送出1 组电缆，为水浇地自营设备解段做供电准备。计划在开工前，自营设备在水浇地南侧修筑1 条1 055～1 025 m水平的道路给走外委车辆使用。

为了提高解段扩帮速度和减少外委设备与自营设备交叉次数，将水浇地外委扩帮剥离物的排弃位置规划至1 055、1 025、995、965 m 水平，剥离综合运距3 982 m。煤沟宽按50 m 留设（水浇地按现状煤台阶、南部按37 hm2煤台阶），排土场南部可排弃剥离物870 m3，基本满足水浇地解段扩帮时外委排弃空间。

2.2 推演过程

1）前4 d，在水浇地顶面1 075 m 水平安排6 台套液压反铲，下挖作业，剥离黄土（黄土厚5 m），剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 040 m 水平可安排4 台套液压反铲，平采，剥离物经995端帮至965 排土场，运距约4 km。共安排液压反铲10 台套。4 d 后1 070 m 水平场平至岩石顶板。

2）再13 d，在水浇地1 055 m 水平安排9 台套液压反铲，平采，剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 040 m 水平可安排3 台套液压反铲，平采；3 台套液压反铲，下挖；剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。共安排液压反铲15 台套。13 d 后1 055 m 水平场平，1 025 m 水平可布置液压反铲。共计作业时间17 d。

3）再12 d，在水浇地1 040 m 水平安排8 台套液压反铲，平采，剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 025 m 水平可安排7 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。共安排液压反铲15 台套。12 d 后1010 m 水平可布置液压反铲。共计作业时间29 d。

4）再15 d，在水浇地1 040 m 水平安排3 台套液压反铲，平采，剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 025 m 水平可安排4 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 010 m 水平可安排9 台套液压反铲，下挖；剥离物经995 端帮至995 排土场，运距约4 km。共安排液压反铲15 台套。15 d 后995 m 水平可布置液压反铲。共计作业时间44 d。

5）再16 d，在水浇地1 040 m 水平安排1 台套液压反铲，平采，剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1 025 m 水平可安排3 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至965 排土场，运距约4 km。1010 m 水平可安排4 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至995 排土场，运距约4 km。995 m 水平可安排4 台套液压反铲，平采；3 台套液压反铲，下挖；剥离物经995 端帮至995 排土场，运距约4 km。共安排液压反铲15 台套。16 d 后980 m 水平可布置自营电铲。共计作业时间60 d。

6）再30 d，在水浇地1 040 m 水平安排1 台套液压反铲，平采，剥离物经1025 端帮至1025 排土场，运距约4 km。1 025 m 水平可安排4 台套液压反铲，平采；剥离物经1025 端帮至1025 排土场，运距约4 km。1 010 m 水平可安排5 台套液压反铲，平采；剥离物经1025 端帮至1025 排土场，运距约4 km。995 m 水平可安排5 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至995 排土场，运距约4 km。980 m 水平可安排1 台自营电铲剥离，从北向南沿5#煤顶板剥离；剥离物经中间桥至995 排土场，运距约为2 km。共安排外委液压反铲15 台套，自营剥离电铲1台。30 d 后煤顶板可布置自营电铲。共计作业时间90 d。

7）再15 d，在水浇地（韩留宝）1 040 m 水平安排1 台套液压反铲，平采，剥离物经1055 端帮至1055 排土场，运距约4 km。1 025 m 水平可安排4台套液压反铲，平采；剥离物经1055 端帮至1055 排土场，运距约4 km。1 010 m 水平可安排5 台套液压反铲，平采；剥离物经1025 端帮至1025 排土场，运距约4 km。995 m 水平可安排5 台套液压反铲，平采；剥离物经995 端帮至995 排土场，运距约4 km。980 m 水平可安排1 台自营电铲剥离，从北向南沿5#煤顶板剥离；剥离物经中间桥至995 排土场，运距约2 km。煤顶板可安排1 台自营电铲剥离，从北向南沿6#煤顶板剥离；剥离物经中间桥至995 排土场，运距约2 km。共安排外委液压反铲15 台套，自营剥离电铲2 台。15 d 后露煤面积16 000 m2，外委将有效量全部剥离完毕。共计作业时间105 d。

8）再15 d，外委设备在995、1 010、1 025、1 040、1 055 m 水平均衡推进，经995、1025、1055 端帮至965、995、1025、1055 排土场。980 m 水平可安排1 台自营电铲剥离，从西向东沿5#煤顶板剥离；剥离物经中间桥至995 排土场，运距约2 km。煤顶板可安排1 台自营电铲剥离，从北向南沿6#煤顶板剥离；剥离物经中间桥至995 排土场，运距约2 km。共安排外委液压反铲15 台套，自营剥离电铲2 台。15 天后露煤面积59 800 m2。共计作业时间120 d。

外委每台套设备月能力按12 m3，自营每台剥离电铲月能力按60 m3。每揭露1 个长×宽大于2 000 m2的作业面开始布置1 台套外委设备，自营剥离电铲工作线不小于300 m。按照滚动计划推演，2 个月后可布置自营电铲作业，4 个月后露煤宽80 m。

2.3 扩帮边坡稳定性分析

边坡稳定系数是一个与内摩擦系数、黏聚力、边坡的岩层构成、分布、地下水的水位、地震等因素有关的值，它没有解析解，只有数值解，且因涉及的因素众多，边坡稳定系数是多极值的，在这种情况下，求最小值是一个工作量比较繁重的工作。且在这种情况下，任何简化造成的误差都是不可估计的。一般，求极值分为2 种情况：①是蒙特卡洛式的随机求解方法，如：0.618 法和网格法；②是数值法中的最优化方法，如：单纯形法和方向加速法。

蒙特卡洛式的方法就是取大量的点进行试算，从中选出最小值的点，这种方法的算法简单，但结果的准确程度是随着计算点数量增加而提高的，且计算量过于庞大，时间长，且不能充分利用已有的计算结果。数值法中的最优化法是先给出几个初始点，根据几个初始点的结果，选取下一步的计算值，这样最终可计算出极小值。这一方法编程复杂，但计算量小，充分利用了已有的结果，但在多峰值的情况下，不易求到最值[9-10]。

哈尔乌素露天矿边坡煤岩互层，岩体整体强度较高，根据现有的工程地质资料，在采掘场未发现明显的弱层，因此采掘场边坡滑坡模式是纯圆弧滑动。随着缓帮作业的推进，采场边坡角逐渐缓和，边坡越来越趋于稳定。

3 结语

1）哈尔乌素露天煤矿中部并段台阶应用扇形扩帮方法安全、快速地完成了扩帮，扩帮剥离量减少400 万m3，扩帮时间缩短1.5 个月，有效保证了露天矿生产接续、完成了全年煤炭生产任务。

2）大型露天开采过程中，在同等区域、同等剥离量条件下，通过应用扇形扩帮技术，较分条带自上而下的逐层扩帮法减少约1/3 扩帮量，较组合台阶扩帮法提高30 %效率。