哈爾烏素露天礦下部開拓運輸系統優化研究＊

胡存虎 羅懷廷，2

（1.哈爾烏素露天煤礦，內蒙古自治區準格爾市，010300；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116）

根據露天采礦設計理論可知繞端幫內排運輸需要設定端幫運輸通道，勢必造成設計幫坡角減小，引起補充擴幫量，由此造成汽車的運距長，運輸成本增加，而且由于最下部水平的運輸通路造成壓煤，影響開采的經濟效果。因此，考慮在下部水平采用中間搭橋運輸系統，以減少運距和擴幫量，實現礦山經濟效益最大化。

1 哈爾烏素露天礦概況

準格爾煤田位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗東部，哈爾烏素露天礦位于薛家灣鎮。哈爾烏素露天礦區煤田被約30m 厚黃土所覆蓋。礦田可采原煤儲量17.1億t，煤層平均厚度為21.01 m，全礦平均剝采比為6.626 m3／t，設計服務年限79a，首采區服務年限32a。首采區設計服務年限達27a，平均剝采比3.96 m3／t，基建工程量86.00mm3。

哈爾烏素露天礦區共含煤12層，其中6＃煤層為主要可采層，屬較穩定煤層，其自然厚度0.40～39.54m，平均為21.01m，6＃煤層儲量占露天礦全部可采儲量的80%。哈爾烏素露天礦是大型露天煤礦，產量達3500 萬t／a，推進度為400m／a，首采區采取沿走向布置工作線，全區自西向東縱采。工作線長度為2000 m。上部剝離臺階采取水平分層，多排孔微差爆破，北端幫實現靠幫開采。

2 中間搭橋主要參數

（1）橋面寬度。橋面寬度根據汽車運輸所需要的寬度，汽車運輸道路寬度：

式中：Bd——汽車運輸道路寬度，m；

Bc——兩輛汽車交車時的安全距離，m；

Bs——汽車離邊坡的安全距離，m；

Lc——汽車的車體寬度，m。

（2）搭橋的坡面角。搭橋的坡面角主要取決于剝離物的自然安息角，則：

式中：θ——搭橋的坡面角，（°）；

θa——搭橋剝離物的自然安息角，（°）。

（3）搭橋長度。搭橋橋面的長度是由搭橋高度、坑底寬度決定，計算式：

式中：Lb——搭橋長度，m；

hi——搭橋高度，m；

α——采場工作幫幫坡角，（°）；

β——排土工作幫幫坡角，（°）。

（4）橋的高度。搭橋最高水平位置的設置涉及物料垂直方向的運輸，同時工程量的大小也影響搭橋高度的設置。搭橋水平高度越高，剝離物的運距會減小，尤其是在接近地表的臺階水平，但搭橋費用越高；搭橋水平高度越低，搭橋費用越少，剝離物的運距越大，這樣就有一個最優的水平位置，以搭橋高度hi為自變量，費用S 為變量，繪制費用的變化趨勢，見圖1。

圖1 搭橋費用和運輸費用關系

為求得A 點位置，則取搭橋可以得到的經濟效益為目標函數，搭橋高度為自變量，搭橋可以得到的經濟效益為：

式中：Sd——搭橋可以獲得的經濟效益，元；

Sy——搭橋節省的運輸費用，元；

Sdq——搭橋費用，元；

b——剝離物的噸公里運費，元／m3·km；

r——搭橋單位工程量的費用，元／m3；

ΔD——減小的內排運距，m；

P——搭橋的工程量，m3。搭橋高度為hi，排土臺階數為n，因此搭橋高度的范圍 ｛h1，h2，…hn｝，則搭橋工程量為：

式中：P——搭橋工程量；

B——搭橋底部寬度，m；

φ——搭橋邊坡的角度，（°）。

從搭橋上通過的剝離物量為：

減小的內排運距：

式中：Ld——采場最底寬度，m；

Lp——排土場最底寬度，m；

x——搭橋以下重心高度。

得：

根 據 式 （10），求 得hi，由 于hi∈｛h1，h2，…hn｝，若有hj≤hi≤hk，需要求得Sd（hj）和Sd（hk），然后比較兩個值的大小。

（1）如果Sd（hj）≥Sd（hk），則取搭橋設置高度hj；

（2）如果Sd（hj）≤Sd（hk），則取搭橋設置高度hk。

3 搭橋位置的選擇

3.1 橋體平面位置的選擇

根據邊坡穩定性分析，后期北幫+1085 運輸平臺進行陡幫開采，故+1085以下的剝離物通過采場中部土橋運往排土場。如圖2所示建立直角坐標系，取+1085m 運輸平盤為Y 軸，采場底部+990m 平盤 （煤層底板）為X 軸。

圖2 采場示意圖

采場+1085m 水平的開采臺階和排土臺階簡化圖如圖3所示，則排棄土巖從開采臺階到排土臺階運輸距離：

即：

式中：x——南端幫開采臺階到搭橋的距離，m；

y——北端幫開采臺階到搭橋距離，m；

m——南端幫排土臺階到搭橋的距離，m；

n——北端幫排土臺階到搭橋距離，m；

A——橋長，與內排空間有關，m；

（x+y）——開采臺階工作線長度，此后開采過程中基本保持不變，m；

（m+n）——排土工作線長度，此后開采過程中也基本保持不變，m。

由此得出，搭橋后內排運距基本保持不變。考慮到搭橋兩次排土運距的有效均衡，故將橋體設置在靠近開采臺階和排土臺階中間位置。

圖3 開采臺階和排土臺階簡化圖

3.2 橋體空間位置的選擇

選取采場空間某一截面，建立如圖4所示橋體空間位置計算模型：

圖4 橋體空間位置

圖中：α——內排土場邊坡角，（°）；

β——工作幫幫坡角，（°）；

h1——煤層厚度，m；

h2——工作幫臺階總高度，m；

h3——排土臺階總高度，m；

x——排土臺階橋頭離內排土臺階坡腳距離，m；

y——排土臺階橋頭離排土臺階坡頂線距離，m；

a——工作幫橋頭離煤面傾斜坡面距離，m；

b——工作幫橋頭離工作幫坡頂線距離，m。

規定工作幫每個剝離臺階產出巖石排棄到相應排土臺階。則巖石排棄的加權平均運距：

式中：ni——煤層上部第i個剝離臺階的巖石產出量，m3。

若不考慮重車、輕車、上坡和下坡能量的轉化，由式 （13）可以估算出橋體搭接在工作幫 （a+b）／2位置和非工作幫 （x+y）／2 位置附近運距最小。

4 搭橋方案

根據采場現有情況，采場和排土場連接橋的搭接方案有兩種。

4.1 沿6＃煤層頂板水平搭橋方案 （方案一）

采場中部剖面如圖5所示，工作幫已開采6＃煤層底板水平+980m，煤層平均厚度30m，煤面水平+1010 m，內排土臺階下部水平選取+1030 m，采用在+1010 m 水平到+1030 m 水平搭橋。橋體水平距離327.15m。同時，工作幫+1010 m水平以上的運輸道路可以繼續使用。排棄的巖石通過水平橋到達排土場+1030 m 水平以后繼續向更高水平，運輸排棄過程中需要在排土臺階直接修筑斜坡道才能到達更高水平排棄臺階進行排棄。

圖5 采場中部搭橋位置

中部搭橋方案優缺點：

（1）可以在兩端幫進行陡幫開采時保持土巖排棄通路的暢通，可以保證礦山生產正常進行。

（2）在礦巖運輸過程中，因為土巖運輸車輛在煤層頂板經過，較大限度地減少了其長時間接觸煤層的機會，降低了土巖運輸對煤質的影響。

（3）在進行土巖運輸時，能在較大程度上減少土巖繞端幫時的運輸距離。

（4）橋體將原來一個采煤工作面分割為兩側。因此，隨著礦山工程的進行，兩側的煤炭要設立獨立的運輸通路進行運輸。

（5）由于橋面位于較低水平 （+1010 m～+1030m），而煤層上部巖石臺階從+1010m 水平到+1085m 水平 （+1085m 水平以上的礦巖通過北幫+1085 m 運輸平盤排棄）需要通過搭橋排棄，故會引起一部分反高程運輸，增加了運輸成本。

（6）橋體的土巖會造成二次剝離，需要支付額外的費用。

4.2 工作幫不動，內排臺階修筑斜坡道進行內排（方案二）

6＃煤層頂板以上需要排棄的巖石通過位于工作幫的運煤移動坑線向坑底運輸，運輸到+980m的煤層底板后，通過位于內排土臺階上的斜坡道爬升到較高水平進行排棄。

此方案的優點不需在坑底設置土橋，避免了二次剝離，后期端幫+1085m、以及+1055m 運輸通道建立之后，可與此方案中的開拓運輸系統相配合進行礦巖的運輸，由于設立了兩套運巖系統，在進行陡幫開采過程中可以實現生產的連續。

缺點為在進行陡幫開采過程中，端幫+1085 m 水平掘斷后，所有物料必須全部運到坑底然后再向上運往相應的排土平臺，出現了較大的反高程運輸，使運輸成本顯著增加。且坑底空間有限，斜坡道的設置會造成更大的運距。

圖6 排土臺階移動線路示意圖

4.3 兩種方案有關參數對比

將方案一與方案二的特性進行對比，見表1。

表1 兩種方案特性對比

由表1看出兩個方案各有優劣，需要在方案實施時結合具體的條件進行綜合考慮，衡量運量、運能、搭橋工程量對于陡幫開采及煤質的影響，同時要計算方案的具體經濟效益。在權衡各個方面的因素之后，選擇最優的方案進行實施。

5 結論

（1）以哈爾烏素露天礦為實例，充分考慮到生產實際，建立中間橋模型，確定了露天礦采場搭設中間橋的橋寬、橋長、橋體坡面角、橋高等參數。

（2）提出了能在最大程度上節省汽車運距、減少運輸成本及實現靠幫開采的兩種下部運輸方案，并對兩種方案各項特性進行了比對分析。

［1］ 洛中洲.露天采礦學 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1990

［2］ 楊榮新.露天采礦學 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1990

［3］ 車兆學.安家嶺露天煤礦內排開拓運輸系統優化［J］.采礦與安全工程學報，2007 （4）

［4］ 才慶祥，姬長生.大型露天煤礦采區轉向方式研究［J］.中國礦業大學學報，1996 （4）

［5］ 周偉，才慶祥，尚濤.大型近水平露天煤礦轉向期間開拓運輸系統優化研究 ［J］.采礦與安全工程學報，2008（4）