某大型深凹露天矿新水平掘沟工程优化*

2021-06-30闫永富王文才赵永岗

现代矿业 2021年5期

孙盛闫永富王文才赵永岗曹宇

（1.包钢（集团）公司白云鄂博铁矿；2.包钢巴润矿业分公司；3.内蒙古科技大学矿业研究院）

在中国北方的露天矿山，一般的掘沟工程都是安排在气温适宜的4—5月份，这是考虑到5月份冻土已融化，且雨季没有到来，地下水补给不足等因素。但是由于受到生产组织等因素的限制，有时也会在9月底进行掘沟，此时需要加快施工进度，抢在天气冷冻之前完成掘沟工程。因此，针对掘沟工程受作业空间限制难以快速掘沟的实际情况，需要对掘沟工艺进行系统性的优化，以便能以最快的速度实施掘沟工程的穿、爆、采、运，进而提高掘沟速度。

本次优化对象以某大型金属露天矿山掘沟工程为背景，按照台阶高度12～14 m，矿山具备大型牙轮钻和潜孔钻穿孔的条件，电动轮自卸汽车运输为基本条件进行掘沟工程优化。

1 掘沟工程优化

1.1 掘沟参数

1.1.1 沟底最小宽度

掘沟的宽度以及深度，是由矿山所采用的台阶高度、所使用的采掘设备以及生产工艺所决定的。

（1）按汽车运输要求计算。为了加快掘沟速度，调车方式采用回返式调车，其沟底的最小宽度［1］为

式中，b为沟底的最小宽度，m；R为汽车最小转弯半径，m；b0为汽车宽度，m；e0为电动轮汽车至沟帮底线的安全距离，m，一般为3 m。

选取e0=3 m，选用172 t级电动轮运矿汽车运输，其R=13.6 m、b0=7.3 m。由式（1）求得b=40.5 m。

（2）按电铲工作参数要求计算。

式中，m为电铲最大挖掘半径，m；r为电铲铲棚尾部与其中心轴的距离，m；e1为电铲至沟帮底线的安全距离，一般为3 m。

选取e1=3 m，选用WK-10B型电铲采装，其m=18.5 m、r=7.35 m。由式（2）求得b=31.85 m。

以上2个限制条件，两者的最大值为40.5 m。

由于掘沟部位是深凹露天矿的最深部，掘沟时要进行排水，因而需予留铺设排水管的宽度为4~5 m；此外，掘沟采装中遇到的大块需要搁置一边进行二次破碎处理。因此，确定沟底最小宽度为50 m。

1.1.2 沟深

深凹露天矿的出入沟和开段沟均为双壁沟，其出入沟的深度是零至台阶高度，开段沟的深度等于台阶全高度（12～14 m）。

1.1.3 沟帮坡面角

它取决于沟帮岩石的物理力学性质和沟帮坡面保留时间的长短。当采用固定坑线开拓时，靠近最终边坡一侧的沟帮坡面角按最终边坡要求的角度予以保留，另一侧采用工作台阶坡面角；当采用移动坑线开拓时，两侧沟帮坡面角均为工作台阶坡面角。

1.1.4 出入沟纵向坡度

出入沟的纵向坡度根据掘沟的运输设备类型确定。当采用公路运输开拓，运输设备为172 t级电动轮汽车时，出入沟纵向坡度i可为8%。

开段沟一般是水平的，但有时为了排水方便，可设置3‰左右的纵向坡度。

1.1.5 出入沟和开段沟长度

出入沟是联通上、下台阶的通道，其长度取决于出入沟纵向坡度和台阶高度。

式中，L为出入沟长度，m；h为台阶高度，m；i为出入沟纵向坡度，%。

当h=12～14 m、i=8%时，由式（3）求得L=150～175 m。

开段沟的长度与掘沟工程的采掘工艺、装运工艺以及矿山的生产能力有关，应根据具体矿山条件确定。对于大型深凹露天矿，一般可确定为50 m。

1.2 穿爆方案

由于深凹露天矿底部涌水较大，且大型深凹露天矿新水平准备的掘沟（出入沟和开段沟）长度一般在200～225 m，为了保证穿孔的成孔率，一般采用大型牙轮钻机进行穿孔。

如图1所示，将掘沟区域分为2～3个爆区进行穿爆，第一区为掘沟的掏槽区，只有1个自由面，采用中心掏槽眼方形布孔，普通毫秒延期雷管导爆索起爆方式进行爆破。爆破之后电铲由设计的坡顶处开始采掘。此时，钻机在爆区后方的第二区进行穿孔；若有富余钻机，第2台钻机可在爆区后方的第三区同时进行穿孔，这样，第二区和第三区就可合区爆破。

第一区爆破后，在电铲按照设定的位置和坡度向下采装到爆区边界时，电铲退出作业面，进行下一区爆破，如此循环作业1～2次，出入沟和开段沟即可形成。

第一区之后的爆破采用高精度毫秒延期雷管，根据矿山微差爆破经验及有关研究资料［2-4］，V形排间延期时间间隔设置为80 ms。该种起爆方案充分考虑了爆破延期时间对爆破效果的影响，并且利用到了高精度毫秒延期雷管精确控制延期时间［5］，以确保毫秒延期爆破效果。

掘沟爆破可分为全沟等深孔爆破与沿出入沟斜坡道的不等深孔爆破［6］。

全沟等深孔爆破是按台阶的全段高穿爆，然后根据出入沟坡度和长度挖掘铲装形成设计的出入沟，其沟底留有一半的爆破量，多用于移动坑线开拓的露天矿掘沟；优点是穿孔、爆破作业简单，当出入沟位置需要移动时，可避免在斜坡道上穿孔、装药；缺点是一次穿孔量大，路面质量差，影响汽车的运行效率，加重了汽车轮胎的磨损。

不等深孔爆破是根据出入沟的设计坡度，按不同的孔深穿爆，爆堆挖掘铲装结束后，出入沟自然形成。这种方法较多用于固定坑线开拓的露天矿掘沟，其优点是爆破振动对下部基岩的破坏作用和边坡的稳定性影响较小，缺点是不同的孔深对施工要求高，穿孔效率低，掘沟速度慢。

爆破作业对采场生产影响最大的就是爆破警戒工作，爆破进行警戒时，需要警戒范围内的车辆与人员停止作业，撤离到安全区域，直至撤除警戒为止［7］。只有放大爆破规模，减少爆破次数才是最好的解决爆破警戒对生产影响的办法。合区爆破掘沟工艺只需要组织最多2次的警戒工作，可以减少爆破警戒对生产的影响，减少电铲在出入沟斜坡道上的移位避炮。

1.3 分层采装

掘沟爆破完成后，需要进行采装及运输。

1.3.1常规的单铲不分层采装作业分析

通常采用单铲不分层采装作业，如图2所示。它是电铲由掘沟位置的坡顶处开始按照设计的坡度向沟底方向进行采装。由于电铲长时间处于倾斜作业场地，不仅电铲“中轴”磨损严重，其采装及运输效率也低。另外，下一区爆破时电铲的斜坡道移位避炮也增加了设备的安全风险。

电铲在出入沟斜坡道上的作业效率很低［8］。以某矿铲斗容积为10 m3的太重机械铲为掘沟采装电铲，根据之前该铲的运行数据统计，该型号电铲在出入沟斜坡道的作业能力平均为Ac=3 000 m3/d，正常平台的作业能力为Ap=4 800 m3/d。

台阶高度为12 m，沟底最小宽度50 m，双壁沟的沟帮坡面角均为65°，出入沟纵向坡度为8%，运输设备为172 t级电动轮汽车，开段沟长度为50 m。移动坑线开拓，全沟等深孔爆破。一般硬岩的碎胀系数为1.4～1.5［9］，本次计算分析中取为1.5。

（1）12 m台阶高度的开端沟断面积为12×（50+12/tan65°）=667.15 m2，开段沟体积为V1=667.15×50=33 357 m3；出入沟水平投影长12/0.08=150 m，出入沟体积为V2=667.15×150/2=50 036 m3。

（2）采用全沟等深孔爆破，其出入沟爆破后破碎岩块体积D=667.15×150×1.5=150 109 m3。由于岩石的碎胀系数为1.5，出入沟隆起于掘沟场地平面之上岩块的体积为V0=D-2V=50 037 m3，出入沟斜坡道之上破碎岩块的体积为V1=V0+V2=100 073 m3。出入沟水平投影长0～75 m范围内，隆起于掘沟场地平面之上岩块的体积为V2=V0/2=25 018 m3。

开段沟隆起于掘沟场地平面之上岩块的体积为W0=W×（1.5-1）=16 679 m3，整个开段沟破碎岩块的体积为W1=W0+W=50 036 m3。

（3）常规单铲不分层掘沟采装作业的采装时间为t0=V1/Ac+W1/Ap=44 d。

1.3.2 单铲分层采装作业分析

单铲分层采装作业，即电铲首先将爆破后位于掘沟场地平面之上隆起的岩块进行采装，采装完毕后退回到需要掘出入沟位置开始采装并修筑出入沟斜坡道。

其采装时间为ta=V/Ac+（W1+V0）/Ap=38 d。

可见，掘沟时单铲分层采装作业可提高掘沟进度约t0-ta=6 d。

1.3.3 双铲分层采装作业分析

如图3所示，当可调配电铲有2台时，2台电铲可分别从掘沟场地平面之上的2个位置进行采装，其中1台在掘沟位置处开始采装，另1台在出入沟长度方向一半位置（即距离掘沟位置75 m）处开始掘沟。