露天煤礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的選擇

1內(nèi)排時(shí)期端幫運(yùn)輸管路壓煤當(dāng)露天開采車輛通過內(nèi)排交通時(shí)，傳統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)輸系統(tǒng)通常采用雙環(huán)內(nèi)排（兩側(cè)端板形成內(nèi)排交通環(huán)線）或單環(huán)內(nèi)排（圍繞一側(cè)端板建立內(nèi)排交通環(huán)線）。由于運(yùn)輸?shù)缆穼挾却螅税暹\(yùn)輸?shù)缆繁粔嚎s，影響露天開采的經(jīng)濟(jì)效果。根據(jù)露天采礦設(shè)計(jì)理論,露天開采境界的確定過程首先是根據(jù)露天礦幫坡的地層情況及設(shè)計(jì)的開采深度確定穩(wěn)定幫坡角;根據(jù)確定的穩(wěn)定幫坡角和經(jīng)濟(jì)合理剝采比,初步確定各臺(tái)階的開采位置;根據(jù)露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置,確定各臺(tái)階運(yùn)輸通道。然后由坑底至地表(自下而上)確定各臺(tái)階的設(shè)計(jì)開采位置。由于運(yùn)輸通道占用的寬度往往較大,在中、硬巖層構(gòu)成邊坡的露天礦,實(shí)際圈定的各臺(tái)階開采境界范圍往往大于按穩(wěn)定幫坡角初步確定的各臺(tái)階的開采位置。即實(shí)際形成的設(shè)計(jì)幫坡角往往小于穩(wěn)定幫坡角,由此對(duì)露天煤礦的設(shè)計(jì)易引起補(bǔ)充擴(kuò)幫量(地表境界向外擴(kuò)大),對(duì)露天煤礦的生產(chǎn)造成運(yùn)輸通路壓煤,增加露天煤礦的生產(chǎn)剝采比?？紤]將下部水平的內(nèi)排運(yùn)輸通路系統(tǒng)改在橫跨采空區(qū)的采場(chǎng)中部建立,由此可以克服內(nèi)排時(shí)期端幫運(yùn)輸通路壓煤的問題。可以提高露天煤礦的端幫幫坡角,降低生產(chǎn)剝采比,減少汽車運(yùn)距,增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。2中間飛播運(yùn)輸內(nèi)排時(shí)期下部水平開拓運(yùn)輸系統(tǒng)由傳統(tǒng)的雙環(huán)內(nèi)排(繞兩側(cè)端幫建立內(nèi)排運(yùn)輸環(huán)線)或單環(huán)內(nèi)排(繞一側(cè)端幫建立內(nèi)排運(yùn)輸環(huán)線)改在采場(chǎng)中部建立中間橋?qū)崿F(xiàn)方式,在工作幫的推進(jìn)過程中,對(duì)采場(chǎng)下部水平兩側(cè)端幫含煤臺(tái)階按幫坡穩(wěn)定條件靠幫開采。下部水平內(nèi)排通路系統(tǒng)通過橫跨采空區(qū)建立(即通過中間橋連接)。中間橋可以是單橋或雙橋。(1)中間搭單橋。下部水平內(nèi)排運(yùn)輸通路通過橫跨采空區(qū)的一個(gè)中間橋和在采場(chǎng)下部水平兩側(cè)端幫含煤臺(tái)階按邊坡穩(wěn)定條件靠幫開采后回填剝離物交替連接貫通。當(dāng)橫跨采空區(qū)的中間橋連通后,采端幫含煤臺(tái)階并靠幫,然后用剝離物回填,連接貫通端幫位置的運(yùn)輸通路;當(dāng)端幫運(yùn)輸通路連通后,采橫跨采空區(qū)中間橋所壓的滯后煤。隨著工作幫的推進(jìn),交替向前推進(jìn)發(fā)展。如圖1所示。(2)中間搭雙橋。下部水平內(nèi)排土運(yùn)輸通路通過橫跨采空區(qū)的兩個(gè)中間橋連接貫通。采場(chǎng)下部水平兩側(cè)端幫含煤臺(tái)階按邊坡穩(wěn)定條件靠幫開采后不回填建立內(nèi)排運(yùn)輸通路。當(dāng)左側(cè)橋連通后,將右側(cè)橋所壓的滯后煤采出;當(dāng)右側(cè)橋連通后,將左側(cè)橋所壓的滯后煤采出。隨著工作幫的推進(jìn),兩中間橋交替使用向前推進(jìn)發(fā)展。如圖2所示。(3)橋體最佳移設(shè)步距。從運(yùn)距角度考慮,移設(shè)步距大,意味著橋體長(zhǎng)度大,采掘工作幫與排土工作幫之間的距離大,運(yùn)距長(zhǎng),運(yùn)費(fèi)增加,橋移設(shè)步距越小越好;從重復(fù)剝離和電鏟作業(yè)效益損失角度考慮,橋移設(shè)步距越小意味著橋的移設(shè)越頻繁,每年的重復(fù)剝離總量越大,電鏟的作業(yè)效益損失越大。由此可知,橋移設(shè)步距存在最小經(jīng)濟(jì)損失關(guān)系(即最佳移設(shè)步距)。橋移設(shè)經(jīng)濟(jì)損失S計(jì)算公式為求橋移設(shè)經(jīng)濟(jì)損失S的最小值,令SL′=0,整理得橋最小經(jīng)濟(jì)損失的移設(shè)步距為式中S———橋移設(shè)步距的經(jīng)濟(jì)損失,萬元;q———每移設(shè)一次的重復(fù)剝離量,萬m3/次;a———露天礦年工作線推進(jìn)速度,m/a;L———橋移設(shè)步距(工作幫推出距離),m;p———噸煤利潤(rùn),元;W———通過中間橋運(yùn)輸?shù)哪赀\(yùn)量,萬m3/a;cy———通過中間橋運(yùn)輸?shù)膯挝贿\(yùn)費(fèi),元/(m3·km)。中間邁步式搭橋開拓運(yùn)輸系統(tǒng)可減少汽車運(yùn)距、降低運(yùn)輸成本,提高露天煤礦端幫殘煤回收率和經(jīng)濟(jì)效益。中間邁步式搭橋開拓運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)水平或近水平露天煤礦內(nèi)排時(shí)期下部水平采用汽車運(yùn)輸是合適的。3采場(chǎng)端幫-支護(hù)結(jié)構(gòu)及邊坡穩(wěn)定分析安家?guī)X露天煤礦位于平朔礦區(qū)的中南部。主要含煤地層為太原組,其中4號(hào)(包括4-1號(hào)、4-2號(hào)、4-3號(hào))、9號(hào)、11號(hào)為3個(gè)主采煤層。根據(jù)設(shè)計(jì),采場(chǎng)端幫幫坡角為34°。黃土保安平盤寬度為15m,巖石保安平盤寬度為10m,黃土端幫運(yùn)輸平盤寬度為40m,巖石運(yùn)輸平盤寬度為35m。南端幫的運(yùn)輸平盤水平分別為1330m,1300m,1270m,即4號(hào)煤底板。北端幫運(yùn)輸平盤水平分別為1375m,1345m,1300m,即4號(hào)煤底板和9號(hào)煤底板。經(jīng)過對(duì)南端幫邊坡穩(wěn)定分析,南端幫總體邊坡角保持38°是穩(wěn)定的。因此,研究方案主要是按南端幫總體邊坡角38°靠幫。3.1平臺(tái)及幫坡角南端幫靠幫開采時(shí)端幫部位4號(hào)煤及4號(hào)煤以下臺(tái)階劃分:4號(hào)煤?jiǎn)为?dú)為一個(gè)臺(tái)階,4號(hào)煤與9號(hào)煤之間的夾層厚度38m左右,按剝離臺(tái)階高度15m確定,共劃分為2個(gè)整臺(tái)階和1個(gè)半臺(tái)階;9號(hào)煤厚13m,11號(hào)煤厚5m,9號(hào)煤與11號(hào)煤間距5m左右;4號(hào)煤與其上部的剝離臺(tái)階保留5m的保安平臺(tái);9號(hào)煤與其上部4下-3煤的半臺(tái)階并段;11號(hào)煤與其上部的夾層臺(tái)階并段;4號(hào)煤底板處平盤寬度由35m減少到17.5m,臺(tái)階邊緣修筑2m高的擋墻,以攔截從上部臺(tái)階可能滾落的巖石,同時(shí)也可布置抽水管道;其余各臺(tái)階留5m寬的保安平臺(tái),使總體幫坡角保持38°的陡端幫開采條件。運(yùn)輸?shù)缆穼挾劝?0m考慮(35m行車路面寬度,15m安全寬度)。端幫靠幫開采的目的是回收端幫殘煤,增加露天采礦的經(jīng)濟(jì)效益。但端幫實(shí)行靠幫開采后原有的運(yùn)輸通路被采斷,必須重新建立內(nèi)排運(yùn)輸通路及減少運(yùn)距。3.2地面跨采空區(qū)踐行方法(1)開采方法。在工作線的推進(jìn)過程中,對(duì)南端幫4號(hào)煤底板以下所有臺(tái)階都一次性按靠幫開采條件靠幫(一次性采到界),下部水平內(nèi)排土通路通過中間橋進(jìn)行,內(nèi)排土場(chǎng)下部水平邊幫呈倒扣“E”形。橋面寬度50m,共計(jì)2個(gè)橋,輪換交替使用。以避免由于橋體中斷所造成的運(yùn)距增加問題。露天煤礦坑底南北高差大(高差達(dá)42m,坑底坡度達(dá)4%),當(dāng)內(nèi)排土場(chǎng)最下部排土臺(tái)階工作面水平為1210m時(shí),南端幫處的排土臺(tái)階高度為45m,北端幫處的排土臺(tái)階高度卻接近為零,而排土臺(tái)階工作面宜采用水平設(shè)置,所以搭橋時(shí)必須考慮到此因素,以免造成反向運(yùn)輸。(2)橋位置設(shè)置。工作幫側(cè)橋位置(東橋頭)宜設(shè)在通過此橋運(yùn)送物料的最短路徑位置,但考慮到9號(hào)煤工作線只有1000m,搭橋后坑底形成南北兩個(gè)坑,每側(cè)的正常工作線長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到400m左右,南北兩側(cè)占用距離就達(dá)800m,再加上2體占用距離200m,所以東橋頭只能設(shè)在采場(chǎng)中部。(3)橋間距。兩橋間距越靠近越好(可以是并排橋,左右側(cè)邁步式間斷采)。下部水平工作幫開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的溝口一旦優(yōu)化后是固定的,開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的溝口應(yīng)正對(duì)著東橋頭,否則會(huì)增加平面對(duì)準(zhǔn)距離,增加運(yùn)距。其搭橋方案論述如下。方案Ⅰ:以9號(hào)煤底板水平標(biāo)高控制橋面跨采空區(qū)搭橋。與現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)(環(huán)北端幫內(nèi)排)相比,可減少南部中下部系統(tǒng)剝離量平面運(yùn)距1000m(工作幫多走500m,內(nèi)排土場(chǎng)多走500m)。但是,當(dāng)剝離運(yùn)輸汽車過橋時(shí)必須從9號(hào)煤頂板水平降至9號(hào)煤底板水平,過橋后在1200m水平排棄,或升至1240m水平排棄。即由于橋面水平底,1200m水平排土臺(tái)階高度低,排土容量小,汽車運(yùn)輸必須先降后升,需增加運(yùn)距350m左右(圖3)。露煤重復(fù)剝離成本:此方案的重復(fù)剝離主要發(fā)生在煤巖接觸面部位。接觸部位的重復(fù)量為1.3萬m3/(次·橋)。按重復(fù)剝離單位成本3.0元/m3,橋體每年移設(shè)3次。則需增加的露煤重復(fù)剝離成本為11.7萬元/a。增加的運(yùn)輸成本按每年南部中下部系統(tǒng)剝離量750萬m3考慮(中下部水平每年的剝離量約1500萬m3,其中有一半量為南部),運(yùn)費(fèi)按1.5元/(m3·km)計(jì),每年增加的運(yùn)輸成本為393.75萬元。影響電鏟作業(yè)的效益損失按每年的重復(fù)剝離量為3.9萬m3考慮,則要損失0.07月/臺(tái)(套)的設(shè)備生產(chǎn)能力。將此生產(chǎn)能力按生產(chǎn)剝采比4.8m3/t進(jìn)行折算,則每年要少生產(chǎn)0.81萬t煤。按每噸煤40元收益考慮,每年的效益損失2.4萬元。合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失為437.8萬元/a。方案Ⅱ:以9號(hào)煤頂板水平標(biāo)高控制橋面跨采空區(qū)回填搭橋。此種搭橋方式要在9號(hào)煤頂板上回填剝離物作為“引橋”,存在重復(fù)剝離問題。搭橋時(shí)東橋頭搭在9號(hào)煤底板上,與9號(hào)煤頂板平高,西橋頭標(biāo)高設(shè)在1210m水平(圖4)?！耙龢颉睌嗝婷娣e806m2(引橋高12m、坡面角35°、橋面寬50m),按100m移設(shè)一次,每移設(shè)一次的引橋量為8.06萬m3/次。橋體移設(shè)時(shí)煤巖接觸面部位露煤的重復(fù)剝離量5.4萬m3/(次·橋)。引橋建設(shè):從9號(hào)煤頂板上部水平排棄剝離物逐步堆壘形成。引橋拆除時(shí)可與11號(hào)煤頂板的剝離物一起去除。橋體建設(shè)可從橋體東西兩側(cè)同時(shí)堆壘。重復(fù)剝離成本:此方案的重復(fù)剝離發(fā)生在煤巖接觸面部位和引橋拆除。煤巖接觸部位的重復(fù)量為5.4萬m3/(次·橋),按重復(fù)剝離單位成本3.0元/m3(順著坑底排棄或倒堆作業(yè))。引橋拆除重復(fù)剝離單位成本5.0元/m3(需要過橋排棄),橋體每年移設(shè)3次。則需增加的重復(fù)剝離成本為169.5萬元/a。增加的運(yùn)輸成本:此種搭橋方式與現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)(環(huán)北端幫內(nèi)排)相比,可減少南部中下部系統(tǒng)剝離量平面運(yùn)距1000m,運(yùn)距最小。影響電鏟作業(yè)的效益損失按每年的重復(fù)剝離量為40.38萬m3考慮,則要損失0.673月/臺(tái)(套)的設(shè)備生產(chǎn)能力。將此生產(chǎn)能力按生產(chǎn)剝采比4.8m3/t進(jìn)行折算,則每年要少生產(chǎn)8.4125萬t煤。按每噸煤40元收益考慮,每年的效益損失336.5萬元。合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失為506.0萬元/a。方案Ⅲ:9號(hào)煤預(yù)留“煤鼻子”作為引橋跨采空區(qū)搭橋。此種方式橋體參數(shù)與以9號(hào)煤頂板水平標(biāo)高控制橋面跨采空區(qū)回填搭橋方式相同。只是引橋?yàn)轭A(yù)留9號(hào)的煤煤鼻子形成。搭橋時(shí)東橋頭預(yù)留9號(hào)煤煤鼻子,與9號(hào)煤頂板平高,西橋頭標(biāo)高設(shè)在1210m水平(圖5)。引橋拆除時(shí)可與9號(hào)煤一起采除。重復(fù)剝離成本:此方案的重復(fù)剝離主要發(fā)生在煤巖接觸面部位。當(dāng)斷橋采掘此部位煤層時(shí)首先要露煤(露煤采掘位置分析過程同上),同時(shí)考慮到工作線的平直情況,此部位的露煤重復(fù)剝離采用不扔煤方式。即露煤時(shí),完全沿著煤面進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算,接觸部位的重復(fù)量為5.4萬m3/(次·橋)。按重復(fù)剝離單位成本3.0元/m3,橋體每年移設(shè)3次。需增加的露煤重復(fù)剝離成本為48.6萬元/a。增加的運(yùn)輸成本:此種搭橋方式與現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)(環(huán)北端幫內(nèi)排)相比,可減少南部中下部系統(tǒng)剝離量平面運(yùn)距1000m,運(yùn)距最小。影響電鏟作業(yè)的效益損失按每年的重復(fù)剝離量為16.2萬m3考慮,則要損失0.27月/臺(tái)(或套)的設(shè)備生產(chǎn)能力。將此生產(chǎn)能力按生產(chǎn)剝采比4.8m3/t進(jìn)行折算,則每年要少生產(chǎn)3.375萬t煤。按每噸煤40元收益考慮,每年的效益損失為135萬元。合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失為183.6萬元/a。橋移設(shè)步距:通過式(2)得方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ的最佳移設(shè)步距分別為62.68,212.1,127.75m。(4)效果對(duì)比分析。不同開采方式經(jīng)濟(jì)效益比較(表1)。方案Ⅲ與方案Ⅰ相比每年可節(jié)約成本254萬元,與方案Ⅱ相比每年可節(jié)約成本322萬元。所以,安家?guī)X露天煤礦南端幫一次性靠幫開采中間邁步式搭橋開拓運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)排,9號(hào)煤預(yù)留“煤鼻子”作為“引橋”跨采空區(qū)方案(方案Ⅲ)經(jīng)濟(jì)效益最佳。3.3最大經(jīng)濟(jì)效益采場(chǎng)用量(1)安家?guī)X露天煤礦南端幫靠幫開采,開拓運(yùn)輸系統(tǒng)由原設(shè)計(jì)采用端幫環(huán)線改為采用中間邁步式搭橋開拓運(yùn)輸系統(tǒng)可多獲得煤量,見表2。取純剝離成本10元/m3,純采煤成本7元/t煤炭銷售價(jià)格120元/t計(jì)。南端幫靠幫開采所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為:純剝離成本355.8萬元/a,純采煤成本195.72萬元/a,銷售收入3187.2萬元/a,經(jīng)濟(jì)效益2635.68萬元/a。(2)由于在采場(chǎng)中部采用邁步式搭橋內(nèi)排,減少了采場(chǎng)南部中下部水平內(nèi)排運(yùn)距1000m(工作幫500m,內(nèi)排土場(chǎng)500m),與原設(shè)計(jì)端幫環(huán)線相比每年可節(jié)約941萬元運(yùn)費(fèi)。(3)露天煤礦南端幫實(shí)行靠幫開采,采場(chǎng)中部采用邁步式搭橋內(nèi)排,綜合經(jīng)濟(jì)效益為3576.68萬元/a。4平臺(tái)3采用跨采空區(qū)運(yùn)輸運(yùn)輸系統(tǒng)配合的方式,從根(1)近水平露天煤礦汽車運(yùn)輸內(nèi)排時(shí)期下部水平開拓運(yùn)輸系統(tǒng)由傳統(tǒng)的在采場(chǎng)兩側(cè)端幫建立內(nèi)排運(yùn)輸通路改在橫跨采空區(qū)的采場(chǎng)中部建立,由此可以克服內(nèi)排時(shí)期端幫運(yùn)輸通路壓煤的問題?？梢蕴岣呗短烀旱V的端幫幫坡角,降低生產(chǎn)剝采比,減少汽車運(yùn)距,增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。(2)內(nèi)排運(yùn)輸通路改在采場(chǎng)中部建立可以采用搭單橋或搭雙橋的方式進(jìn)行,橋體兩側(cè)可以分別采用預(yù)留煤巖體和回填剝離物進(jìn)行。以安家?guī)X