基于產量目標的露天煤礦倒堆臺階高度優化研究＊

馬 力 呂 粲 李克民 彭洪閣 丁小華 肖雙雙 劉 干

（中國礦業大學礦業工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

拉斗鏟倒堆開采工藝是一種先進的合并式開采工藝，集采掘、運輸、排土于一體。國外通常采用拋擲爆破技術配合拉斗鏟一同應用，可以將30%以上的剝離物拋擲到采空區，進一步降低了剝離費用。因此，采用拋擲爆破拉斗鏟倒堆剝離工藝具有生產能力大、效率高、剝離費用低等優點。黑岱溝露天煤礦通過擴能改造技術，引進大型拉斗鏟設備應用在煤層頂板45m 的高臺階的剝離中，使礦山生產能力達到22 Mt／a。然而，由于拉斗鏟倒堆作業直接位于煤層頂板，其揭露煤層速度是直接影響煤炭產量的重要因素。露天煤礦逐年擴能，而為保證生產能力的持續供給，需合理調節倒堆臺階高度，即重新分配間斷工藝與倒堆工藝剝離比重。

在倒堆工藝條件下，露天煤礦生產能力主要受倒堆臺階高度和有效拋擲率的影響，與工作線長度及采掘帶寬度之間的關系較小。而倒堆臺階高度也是直接影響有效拋擲率的重要因素，因此，研究優化合理的倒堆臺階高度對保證露天煤礦生產能力具有重要意義。

1 臺階高度與有效拋擲率之間的關系

有效拋擲率受煤層厚度、臺階高度、炸藥單耗、孔網參數、采空區形狀等因素影響。然而，因煤層厚度、采空區形狀對有效拋擲率影響較小，且工程條件具有不確定性，宜歸結為外因；而臺階高度、炸藥單耗及孔網參數直接影響有效拋擲率的大小，歸為內因。從拋擲爆破參數特征來看，臺階高度是影響有效拋擲率的關鍵決定性因素，且與以彈道理論為基礎的公式 （1）所描述的臺階高度與拋擲距離的關系相符。

式中：S——拋擲距離，m；

v——拋擲初速度，m／s；

α——拋擲爆破臺階坡面角，（°）；

l——拋擲點與落地點的高差，即臺階高度，m。

對與深孔爆破炮孔長度而言，在增大臺階高度的同時，超深和堵塞長度保持不變，提高了裝藥長度占炮孔長度的比例，提高了炮孔利用率。因此，在其他條件不變時，增大臺階高度可相應地增大炮孔間距。為分析臺階高度對有效拋擲率的影響，選取黑岱溝露天煤礦現場實際拋擲爆破統計數據，見表1，繪制了有效拋擲率與臺階高度之間的關系曲線，如圖1所示。

表1 黑岱溝露天煤礦不同臺階高度情況下拋擲爆破統計數據

圖1 黑岱溝露天煤礦有效拋擲率與臺階高度關系

從圖1可以看出，有效拋擲率隨臺階高度的增大而增大，其影響程度逐漸降低，當臺階高度增大到一定程度時，有效拋擲率不再受臺階高度變化影響。為確定有效拋擲率與臺階高度之間相互影響的變化關系，根據圖1曲線擬合有效拋擲率η與臺階高度H 函數為：

式中：H——倒堆臺階高度，m；

η——有效拋擲率，%。

式 （2）擬合相關系數R2=0.8017，有效拋擲率與倒堆臺階高度的二次函數有關，呈現先增大后降低的趨勢。除臺階高度外，炸藥單耗是影響有效拋擲率的另一重要因素，此處僅為分析臺階高度對有效拋擲率的影響，式 （2）是在炸藥單耗0.67kg／m3時確定的函數關系。

2 倒堆臺階高度對露天煤礦生產能力的影響

煤層上部采用倒堆工藝追蹤式開采方式的露天煤礦，倒堆工藝的推進度是直接影響露天煤礦生產能力的重要因素。在倒堆工藝工作線長度及拉斗鏟年生產能力確定的前提下，拉斗鏟系統推進度與選擇的倒堆臺階高度呈負相關。因此，倒堆臺階高度是最終影響露天煤礦生產能力的關鍵決定因素。露天煤礦年生產能力計算式：

拉斗鏟年需完成剝離作業量為：

式中：M——露天煤礦年生產能力，t／a；

V——拉斗鏟年需完成剝離作業量，m3／a；

Lm——煤層工作線長度，m；

L——拉斗鏟平均工作線長度，m；

ks——松散系數；

γ——煤容重，t／m3；

D——推進度，m／a；

h——煤層平均厚度，m。

而相對拉斗鏟設備自身而言，年最大生產能力Qmax為：

式中：Qmax——年最大生產能力，t／a；

A——拉斗鏟作業采掘帶寬度，m；

Qc——拉斗鏟小時能力，m3／h；

δ——拉斗鏟作業有效利用率，%；

T——拉斗鏟年計劃動用時間，h；

tk——拉斗鏟全年開切時間，h；

tkA——開采一幅的開采時間，h；

λ——開切效率，%；

tx——拉斗鏟全年走行時間，h；

txA——拉斗鏟開采一幅的走行時間，h。

為保證年剝離任務，要滿足拉斗鏟設備能力大于需完成作業量，即：

將式 （4）、（5）、（8）代入式（3），可得：

式中：β——端幫邊坡角。

將式 （2）帶入式 （9）中，可以得出露天煤礦生產能力與倒堆臺階高度關系為：

露天煤礦生產能力受多種因素共同影響，煤層厚度為自然因素，無法根據產量需求調節，而拉斗鏟設備生產能力及相關作業及走行時間也基本固定不變。因此，從構成露天煤礦生產能力的眾多因素而言，唯有工作線長度、采掘帶寬度及倒堆臺階高度為可調節因素，而倒堆臺階高度是最主要的關鍵性決定因素。

3 實例分析

黑岱溝露天煤礦2011 年生產能力達31 Mt，是我國在生產露天煤礦中單坑生產能力最大的露天煤礦。其如此高的生產能力，得力于獨具特色的綜合式開采工藝，上部黃土采用輪斗連續工藝剝離，中部45～75m 厚巖石采用單斗挖掘機—汽車間斷工藝剝離，臺階高度15～20 m；下部煤頂板以上40～45m 左右巖石采用拋擲爆破—拉斗鏟無運輸倒堆剝離工藝。煤層平均厚度28.8 m，煤的容重1.47t／m3，平均有效拋擲率為34%，松散系數1.3，拉斗鏟平均工作線長度2200m，采掘帶寬度為80m，采煤工作線2120m，端幫邊坡角為60°。采用BE8750-65 拉斗鏟，拉斗鏟小時作業能力3938m3，年計劃動用時間7200h，拉斗鏟作業有效利用率為95%，每幅走行時間12h，每幅開切時間8h，開切效率為90%，采掘帶寬度80m。將相關參數帶入式 （11），計算出不同臺階高度H 條件下的生產能力變化情況，見表2和圖2。

從圖2可以看出，隨倒堆臺階高度的增大，露天煤礦生產能力逐漸降低，其主要表現為倒堆作業量的增大影響煤層揭露速度。通過函數擬合，確定露天煤礦生產能力與倒堆臺階高度之間的關系式為：

露天煤礦生產能力與倒堆臺階高度的二次函數有關，相關系數R2=1。為保證露天煤礦達到年設計產量要求，需調整合適的臺階高度與之相適應，如要達到33Mt／a的生產能力，需調整臺階高度在37m 以下。

圖2 黑岱溝露天煤礦生產能力與倒堆臺階高度變化曲線

4 結論

（1）基于彈道理論和現場統計實測數據，擬合確定了有效拋擲率與倒堆臺階高度的二次函數有關，有效拋擲率隨臺階高度的增大而增大，且其影響程度逐漸降低，當臺階高度增大到一定程度時，有效拋擲率不再受臺階高度變化影響。

（2）分析了拉斗鏟作業參數對露天煤礦生產能力的影響，并結合倒堆臺階高度和有效拋擲率之間的關系，給出了拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝條件下露天煤礦生產能力的計算公式，確定了在設備作業參數不變的情況下，露天煤礦生產能力與倒堆臺階高度的二次函數有關。

（3）黑岱溝露天煤礦在現有工藝條件下，欲保證生產能力達到33 Mt／a，倒堆臺階高度應調整至37m 以下，以滿足煤層揭露速度要求。

［1］ 李克民，馬軍，張幼蒂等.拉斗鏟倒堆剝離工藝在我國應用前景 ［J］.煤炭工程，2005（10）

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