露天煤矿抛掷爆破单斗-卡车工艺应用.pdf

第52卷第8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol.52, No. 8 doi 10. 11799/ce202008009 露天煤矿抛掷爆破单斗-卡车工艺应用 胡存虎，徐钟馗，宋卓阳 神 华 准 能 集 团 有 限 责 任 公 司 黑 岱 沟 露 天 煤 矿 ，内 蒙 古 鄂 尔 多 斯010300 摘 要摘 要 为了保证露天煤矿煤层出露速度、提高剥离作业效率，在分析剥离松动爆破单斗-卡 车工艺、抛掷爆破单斗-卡车工艺、抛掷爆破拉斗铲倒堆工艺的工艺流程和技术特征基础上，对比 了 3 种剥离工艺的优缺点及适用条件，并以黑岱沟露天煤矿实际工程为案例，研究证明了抛掷爆破 单斗-卡车工艺具有提高剥离作业效率、保证煤层出露速度、缩短卡车运距、降低投资等优势，该 工艺在条件适宜的露天矿具备推广价值。 关键词露关键词露天矿；开采工艺；抛掷爆破；单斗-卡车；松动爆破 中图分类号中图分类号TD824.5 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1671-0959202008-0038-06 Application prospects of throwing and blasting single bucket-truck technology HU Cun-hu, XU Zhong-kui, SONG Zhuo-yang Heidaigou Open-pit Coal Mine, Shenhua Zhuneng Group Co. , Ltd. , Ordos 010300, China Abstract In order to ensure the speed of coal seam exposure and improve the efficiency of stripping operation, the single bucket truck technology of throwing blasting is used during the maintenance of the dragline in Heidaigou Open-pit Coal Mine. Based on the analysis of the technological process and technical characteristics of the single bucket truck technology of stripping loose blasting, the single bucket truck technology of throwing blasting and the pull bucket shovel technology of throwing blasting, the advantages, disadvantages and applicable conditions of the three stripping technologies are compared. Based on the actual project of Heidaigou Open-pit Coal Mine, it is proved that, the single bucket truck technology of throwing blasting can improve the stripping efficiency, ensure the coal seam exposure speed, shorten the truck distance, reduce investment. The technology is worth popularizing in the open-pit mine with suitable conditions. Keywords open-pit mine； mining technology； throwing blasting； single bucket-truck； loose blasting 目前黑岱沟露天煤矿采煤工作面推进至二采区 煤层断陷带。由于断陷带的存在，使得拉斗铲倒堆 剥离工艺参数、高台阶抛掷爆破方案、倒堆作业方 案等不能按正常区域设计与施工，因此露天矿迫切 需要一套技术可行、经济合理的开采方案，以确保 矿山未来原煤生产接续及产能的稳定性。针对露天 煤矿在开采过程中遇到的复杂地质条件对矿山工程 发展带来的问题，国内很多学者都展开了相关的研 究 ，并取得了一定的成果。安太堡露天煤矿乔云海、 黄健等tn在对安太堡露天煤矿开采境界内4 条大的 逆掩断层及过断层对采矿工程造成的不利影响进行 深人分析的基础上，确定了过断层期间合理开采程 序 、采煤运输系统布置、内排程序以及断层煤配采 方案。中国矿业大学（ 北京） 董洪亮、张瑞新等[2]对 安家岭露天煤矿过陷落柱无煤区过渡开采方案进行 了研究，从优化工作线长度、缩短卡车运距以降低 剥离运输费用等关键环节出发，并结合露天煤矿实 际生产情况，对安家岭露天煤矿无煤区过渡开采方 案进行设计。彭洪阁等[3]通过研究煤层倾角变化条 件下拉铲作业效率和抛掷爆破抛掷率之间的关系， 确定了在煤层倾角变化的条件下，拉斗铲合理的开 采参数及作业方式。马军、马力[4]等对复合煤层条 件下的拉铲作业方式进行了研究，马军等根据拉铲 数量和夹矸层剥离方式的不同，分析了不同拉铲作 业方式的适用条件，提出了评价拉斗铲倒堆剥离作 业方式优选指标，确定了特定条件下的拉斗铲最佳 收 稿 日 期 2020-03-15 作 者 简 介 胡 存 虎 （ 1965） ，男 ，内 蒙 古 凉 城 人 ，硕 士 ，高 级 工 程 师 ，现 任 神 华 准 能 集 团 有 限 责 任 公 司 黑 岱 沟 露 天 煤 矿 党 委 书 记 ，从 事 露 天 煤 矿 采 矿 技 术 及 管 理 工 作 ，E-mail 7177734。 引 用 格 式 胡 存 虎 ，徐 钟 馗 ，宋 卓 阳.露 天 煤 矿 抛 掷 爆 破 单 斗 -卡 车 工 艺 应 用[ J ] .煤 炭 工 程 ，2020, 528 38-43. 38 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 作业方式。然而上述研究基本都是在简单地质条件 下进行的，对在断陷带等复杂地质构造影响条件下 的开采工艺选择及开采方案设计等则鲜有研究。 本文以黑岱沟露天煤矿为例，从开采程序、运 输系统布置、工艺开采过程以及技术经济等方面分 析探讨复杂地质条件下抛掷爆破剥离工艺、松动爆 破间断剥离工艺实用性及应用，提出了断陷带区域 内高台阶抛掷爆破单斗-卡车工艺开采方案，为黑 岱沟露天煤矿过断陷带期间的开采方案提供了坚实 的技术依据与理论支撑，确保矿山过断陷带期间原 煤生产顺利接续和产能稳定，对提高企业经济效 益 、完善单斗-卡车工艺设计与应用技术体系等具 有重要意义。 1黑岱沟露天煤矿抛掷爆破剥离工艺 20世纪60年代初露天矿抛掷爆破在美国McCoy 煤矿进行了尝试，该矿覆盖物厚度1824m，抛掷 爆破能将20 45的覆盖物抛掷到采空区。目前 许多国家露天煤矿也采用了抛掷爆破剥离技术，在 我国仅有极少数露天煤矿应用此技术，经过近年的 试验与研究，逐 步 形 成 了 “ 抛掷爆破-推土机-电 铲-吊斗铲” 、抛掷爆破-电铲卡车剥离工艺7]。黑 岱沟露天煤矿自2007年 3 月以来共实施抛掷爆破 200余次，并且还成功应用了抛掷爆破吊斗铲以及 抛掷爆破单斗一卡车剥离工艺[8]。 黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中东部，井田 面积50km2, 可采储量14. 98亿t。采用分区开采方 式进行采掘，共划分为三个采区。首采区向二采区 转向工作已于2017年 5 月全部完成，现有设备全部 转人二采区进行生产，二采区工作线长度约2300m。 该露天矿主采煤层为6复煤层，属于近水平单一巨 厚煤层，倾角3 , 平均厚度30m。 目前覆盖物厚度 约 200m, 均衡生产剥采比约5m3/t，核定生产能力 3400万t/a，年推进度约350m。现采用的开采工艺 有单斗-卡车间断工艺、抛掷爆破-吊斗铲无运输 倒堆工艺、采煤半连续工艺。目前该矿采场上部（ 约 150m采用松动爆破单斗-卡车剥离工艺，剥离物通 过两侧端帮环坑运输线路进入内排土场；中部岩石 45m采 用 “ 抛掷爆破-吊斗铲-无运输倒堆”工 艺，剥离物通过吊斗铲直接倒堆至内排土场；下部 煤炭（ 约 30m采用半连续工艺[6。 2开采工艺分析研究 2.1松动爆破单斗-卡车工艺过程及特点松动爆破单斗-卡车工艺过程及特点 1 开采工艺过程。黑岱沟露天煤矿剥离、采煤 全部采用松动爆破单斗-卡车间断开采工艺时，采用 水平分层方式划分台阶，需 要 12个剥离台阶，3 个采 煤台阶，台阶高度15m，平盘宽度100m，端帮布置原 则为2 个台阶1 条端帮路，路宽40m; 每个台阶设置 保安平盘，宽 度l〇m。工作线横向布置，采场沿露天 矿纵向推进，剥离物全部进人内排土场排弃。 2 运输系统布置。运输系统由采掘工作面道 路 ，端帮运输道路及排土场运输道路组成，剥离物 由采掘工作面，绕行端帮道路进入内排土场。 3 松动爆破单斗- 卡车开采工艺过程。露天煤 矿在开采过程中需要剥离煤层的上覆岩层。电铲采 装前需要对矿岩预先爆破。台阶工作线划分为准备 区、穿孔爆破区、采装区。推土机在准备区内为钻 机整平工作面，钻机在穿孔区穿孔爆破为电铲准备 爆破量，电铲在采装区装载剥离物。剥离物由采掘 工作面、经端帮道路进人内排土场直接排弃或推土 机排弃。 4 松动爆破单斗-卡车开采工艺特点。在我国松 动爆破单斗-卡车开采工艺应用最为广泛，主要优点 是工艺系统机动灵活，稳定性强[8]。但由于台阶数量 多，工作帮坡角缓，采场与排土场直线距离增加，采 场开口尺寸大，加之工作线长度较大，所以卡车绕行 端帮道路时运距大，运输成本高。另外由于端帮运输 道路多，造成端帮压煤量大，资源回收率低。 2 . 2 抛掷爆破单斗-卡车工艺抛掷爆破单斗-卡车工艺 抛掷爆破单斗-卡车工艺结合了抛掷爆破及单 斗-卡车工艺的双重优点。由于抛掷爆破单斗-卡车 工艺可以将高台阶剥离物直接抛掷到采空区，可以 减少剥离运费；采用高台阶抛掷爆破也可以提高工 作帮坡脚，减少生产剥采比，提高经济效益[9]。以 往抛掷爆破配合拉斗铲作业，但在面对复杂地质条 件时，拉斗铲倒堆剥离工艺参数、高台阶抛掷爆破 方案、倒堆作业方案等不能按正常区域设计与施工， 拉斗铲作业困难，难以保证露煤速度。但单斗-卡车 工艺具有灵活作业的特点，受地质条件影响小，可 以保证剥离进度，保障全矿经济效益。 抛掷爆破单斗-卡车开采工艺只对煤层顶板上部 约 45m厚的岩石剥离中应用，需要形成一个抛掷爆 破高台阶。 2.2. 1抛掷爆破单斗-卡车工艺开采程序 抛掷爆破单斗-卡车开采程序将工作线平均分 为两区段一区进行穿孔抛掷爆破单斗-卡车剥离， 揭露煤层；另一区回采煤炭资源，如 图 1 所示。两 区交替作业，保证了剥离及采煤接续，工作线推进。 39 设计技术煤炭工程2020年 第 8 期 高台阶厚度45m, 采掘带宽度85m。 图 1抛掷爆破单斗-卡车开采程序图 1抛掷爆破单斗-卡车开采程序 作业顺序按照图1 中的序号进行①南部采煤 区煤炭资源分3 层进行回采；②北部抛掷爆破电 铲作业区负责揭露煤层；③北部待爆区为剥离 电铲准备爆破量；④南部穿孔区钻机穿孔准备抛 掷爆破；⑤南部准备区推土机为钻机准备工作面。 2. 2. 2抛掷爆破单斗-卡车开采工艺运输系统布置 抛掷爆破单斗-卡车开采工艺运输系统布置方式 是通过搭桥的方式将剥离物运输至内排土场。高台 阶两层采掘，电铲采掘上分层时，剥离物由采掘工 作面经A桥送至排土场；采掘下分层时，剥离物由 工作面经顶板、经B桥送至排土场，抛掷爆破高台 阶布置如图2 所示。 2 . 2 . 3 抛掷爆破单斗-卡车开采工艺剥离过程 抛掷爆破单斗-卡车开采工艺过程①抛掷爆破 前高台阶形态如图3a所示；②抛掷爆破后爆堆形态 如图3b所示；③电伊剥离上分层，如图3c所示, 剥离物通过图2 中A桥进人排土场A处；④电铲开采 第二分层及清理排土线一侧岩石，避免压覆三角煤, 剥离物通过图2 中B桥进人排土场B处，如图3d 所示；⑤压煤岩石与煤层一起采出，通过运煤道路分 运至排土场C处，如图3e所示；⑥电铲开采6 下 回采煤，开采结束，如图3f所示。 2 . 2 . 4 抛掷爆破单斗-卡车开采工艺特点 1 黑岱沟露天煤矿煤层厚度30m, 抛掷爆破单 高台阶 |------\______ 底板 排土场 a抛掷爆破前高台阶形态 爆堆 排土场 b抛掷爆破爆堆形态 -A燦‘堆 抛 掷 量 里 c电铲剥离上分层 爆堆拋掷量 e压煤岩与煤层开采过程 抛掷量 、 采空区 底 板. 抛掷量 e ---------- l / B排土场， ____ 0采煤完成形态 图 3拋掷爆破单斗-卡车开采工艺过程图 3拋掷爆破单斗-卡车开采工艺过程 斗-卡车工艺与松动爆破单斗-卡车工艺相比，端帮 帮坡角可由原来的28提升至32，实现端帮陡帮开 采，增加端帮靠帮采煤宽度30m, 如图4 所示，单 侧端帮提高端帮资源回收 V回 收 *5回收 x L采区 x 9450000t 1 式中，为端帮资源回收量，t; 为端帮 资源回收截面积，m2; ZK为采区长度，取 7000m; 7为煤容重，取 1.5t/m3。 图 4抛掷爆破单斗-卡车工艺与松动图 4抛掷爆破单斗-卡车工艺与松动 爆破单斗工艺下端帮台阶布置（爆破单斗工艺下端帮台阶布置（m 2 根据黑岱沟露天煤矿现有电铲、卡车设备数 量及设备能力，煤层上部45m实体高台阶采用抛掷 爆破单斗-卡车剥离工艺无需添加新的开采设备，就 40 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 能保证其煤层露煤速度。 3 抛掷爆破单斗-卡车工艺，采用高台阶抛掷爆 破技术可缩短采场和内排土场的距离，可有效减少剥 离量，降低剥采比。以黑岱沟露天煤矿为例煤层赋 存深度W180m，工作线长度L 2300m。抛掷爆破高 台阶高度45m，平盘宽度160m; 单斗台阶高度15m, 平盘宽度l〇 〇 m,如图5 所示。由图5 可以看出，抛掷 爆破单斗-卡车开采工艺截面积S, 101491m2, 松动 爆破单斗-卡车工艺截面积S2 167220m2, 经过计算 得到抛掷爆破单斗-卡车开采工艺超前剥离量比松动 爆破单斗-卡车工艺超前剥离量减少（ -S, xL 167220-101491 x 23〇〇 15118 万 m3。推进度缩短 355m即采场至排土场直线距离缩短355m。 355 抛掷爆破单斗卡车工 h 160 g 工 作 帮. 30 / 地表 松动爆破单斗卡车 工 艺 工 作 帮 S为单个台阶截面积，取 85x l5m 2; /平 均 为台阶平均长度，取 2315m; n为台阶数量；/为松 动爆破炸药单耗，取 0.4元/m3; ;为松动爆破后岩 石松散系数，取 1.25;义为采装单位成本，取 1.8 元/m3; 尖为运输单位成本，取 1.9元/m3/km; /运E 为松动爆破剥离平均加权运距，取 2. lkm。 经过计算得到松动爆破费用及采装运输费用总 和P,约为6763万元。 当采用抛掷爆破单斗-卡车工艺时只需一个45m 高台阶即可，其抛掷爆破费用及采装运输费用总和 为P2。 P2 尸抛掷 尸’ 采 装 r运 输 P抛 掷 V抛掷x f V抛 掷 S ， X v3 尸’ 采 装 V抛掷x ’ ’x d l x z 尸’ 运 输 f 抛掷X 广 X Z 运 距 X “2 X 2 式中，P2 为抛掷爆破费用及采装运输费用总 和；为抛掷爆破费用，元 ；为采装费用， 元 ；为运输费用，元 ；为抛掷爆破前台阶 体积，m3; S为高台阶截面积，取 85x45m2; /为高 台阶长度，取 2300m; f为抛掷爆破炸药单耗，取 0.75元/m3; 为抛掷爆破后岩石松散系数，取 1.3; 为抛掷爆破剥离平均加权运距，取〇.9km; 2 为 抛掷爆破无效抛掷率。 经过计算得到抛掷爆破费用及采装运输费用总 和P2约为3470万元。 采用高台阶抛掷爆破单斗-卡车工艺由于剥离运 距小，比采用松动爆破单斗-卡车工艺节省约3293 万元。 5 抛掷爆破技术可将高台阶30 5 0的物料 直接抛入采空区，减少采剥设备作业量。2007年以 来 ，黑岱沟露天煤矿已成功进行了 200余次的抛掷 爆破抛掷爆总量3. 2 亿m3, 有效抛掷量1 . 09亿m3, 相当于该矿1 年的剥离总量，平均抛掷率达3 3 ， 见 表 1。 表 1黑岱沟露天煤矿抛掷爆破统计表 时间抛 掷 爆 破 量 / m3有 效 抛 掷 量 / m3有 效 抛 掷 率 2007939680031625930. 336560638 20082447729175603500. 308872007 20092026304163578670. 313766675 20102379749783208390. 349651856 20112570777988460120.344098648 20122557689283616290. 32692123 20132594900083917290. 323393156 20142587777487992870. 340032609 201532161205. 7117272300. 364639004 201628863470103248450.357713227 20172551634986704930.339801474 20182699268792417290.342378993 20192835205094540780. 333453066 总计322931835.7109218681 0. 338209705 2 . 3抛掷爆破吊斗铲倒堆工艺 抛掷爆破吊斗铲无运输倒堆工艺开采程序与抛 掷爆破单斗-卡车工艺开采程序相同，都需要布置抛 掷爆破高台阶对煤层顶板以上45m岩石进行抛掷爆 41 设计技术煤炭工程2020年 第 8 期 6 t6屮上煤通道 ④ 破 ，采煤与剥离分区进行，一区负责采煤作业，另 一区剥离露煤。 2. 3. 1抛掷爆破吊斗倒堆工艺运输系统布置 由于吊斗铲可将剥离物直接倒堆至采空区，所 以吊斗铲工作面无需布置运输道路。但需要为其布 置换区走铲的“ 8”字形运输道路，如图6 所示。北 部作业区人沟作业①一正常作业②一出沟作业 ③一去南部作业区人沟通道④。南部作业区人沟 作 业 ① 正 常 作 业 ② 出 沟 作 业 ③ 去 北 部 作 业 区人沟通道④f。 卜 -上 煤 通 道 图6吊斗铲作业流程走铲示意图 2 . 3 . 2 抛掷爆破吊斗倒堆工艺开采基本参数 抛掷爆破吊斗铲倒堆工艺工作面主要参数如图 7 所示，图中，//s.为实体高台阶岩石高度，约28 45m; W煤为煤层厚度，约 30m; //倒为拉斗铲倒堆 站立平盘高度，取 1020m; 为超前沟宽度，约 74m; //排为倒土堆高度，//w平面图 图8黑岱沟露天煤矿吊斗铲无运输倒堆作业 成本约10元/m3, 单斗-卡车工艺系统生产成本约 12元/ m3。可以得到吊斗铲倒堆工艺系统生产成本 比单斗-卡车工艺系统生产成本具有优越性。 黑岱沟吊斗铲倒堆系统由一台斗容90m3 吊斗纪 购置吊斗铲投资约5 亿元） 、1 台WK-55、4 台卡 车 、5 台推土机组成。若采用抛掷爆破单斗-卡车工 艺则仅需3 台WK-55、1 5 台卡车、2 台推土机即 可。因此抛掷爆破吊斗铲无运输倒堆系统不仅投资 极高，不符合煤矿轻资产的管理理念，同时需专门 设备，备品备件需进口，维修保养难度大，设备规 格大，作业条件要求高，辅助设备作业工程量大, 时空关系制约性强，操作使用灵活性差，复杂地质 条件适应性差，不具备普遍适用性[ 1 1 。而采用抛掷 爆破单斗-卡车工艺由于无需投人新设备，且兼顾工 艺灵活性及成本低的特点，应用前景广泛。 3 剥离工艺系统对比及适用于条件 目前松动爆破单斗-卡车开采工艺应用最为广 泛，其工艺机动灵活，可以克服复杂地质条件带来 的影响。但剥离作业时卡车绕行端帮道路时运距大, 运输成本高；另外端帮运输道路多，造成端帮压煤 量大，资源回收率低。抛掷爆破拉斗铲倒堆工艺是 集采掘、运输、排土于一体的一种先进的生产工艺。 剥离成本低，效率高，但一般研究中往往将拉斗纪 划 归 为 “ 非机动灵活”类大型矿用机械，与常规挖 掘设备相比，拉斗铲对工作面平整程度要求相对较 为苛刻，同时还要求煤层近水平或缓倾斜赋存，且 对于局部剧烈变化的地质条件适应性较差。目前黑 / 拉斗 出沟通道 ■ 1 C P Y ③ 2020年 第 8 期煤炭工程设计技术 岱沟露天煤矿采煤工作面推进至二采区煤层断陷带。 由于断陷带的存在，使得原本的拉斗铲倒堆剥离作 业极其困难，但为了保证过断陷带期间的剥离进度, 产能持续稳定，本文提出了抛掷爆破单斗-卡车工 艺，从该工艺的方案设计中可以看出由于高台阶抛 掷爆破后需搭建A桥、B桥 ，建立采场与排土场的 联系，可以极大的缩短剥离运距，降低运费；同时 该工艺也克服了松动爆破单斗-卡车运距远、运费 高、端帮压煤、资源回收率低等缺点。因为单斗-卡 车工艺灵活，即使是在断陷带区域也依旧能保证露 煤速度，进而保证产能持续稳定。根据上述工艺特 点对比分析，得到每种工艺适用条件，见表2。 表2三种工艺适用条件分析 地质条件 结构特点 剥离工艺 等级 煤层近水平或 缓 倾 斜 赋 存 ； 覆盖层岩性中 硬 以 下 ；煤田 储量丰富 松动抛爆单斗-卡车工艺 较适合 构简单，抛掷爆破单斗-卡车工艺 适合 抛掷爆破拉斗铲倒堆工艺非常适合 煤 层 结 松 动 抛 爆 单 斗 -卡 车 工 艺 适合 拋掷爆破单斗-卡车工艺非常适合 理发育 抛掷爆破拉斗铲倒堆工艺不适合 煤层倾斜赋存； 覆盖层岩性中 硬 以 下 ；煤田 储量丰富 煤 层 结 ‘爆 构简单，拋掷爆破单斗-卡车工艺 不适合 抛掷爆破拉斗铲倒堆工艺不适合 煤 层 结 松 动 抛 爆 单 斗 -卡 车 工 艺 适合 抛掷爆破单斗-卡车工艺不适合 理发育 拋掷爆破拉斗铲倒堆工艺不适合 目前仅有黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿 等少数几家露天煤矿采用或尝试使用抛掷爆破单斗- 卡车工艺[|2_14]。其适用于煤层倾角小于15的水平 或缓倾斜煤层，覆 盖 物 具 有 一 定 厚 度 （ 一般大于 10m , 裂隙层理不发育的露天煤矿h5]。从我国露天 煤矿整体赋存条件来看，抛掷爆破单斗-卡车工艺可 在多数露天煤矿进行推广[16], 如 西湾露天煤矿、 长滩露天煤矿、魏家峁露天煤矿等这些煤矿均属于 水平近水平煤层，且覆盖物厚度较大。 4结 论 1 高台阶抛掷爆破工艺布置对于正在生产的露 天煤矿，可以起到降低生产剥采比，缩短卡车运距， 端帮陡帮开采提高资源回收率方面等的作用；对于 基建期的露天煤矿，则可起到减少基建剥离量，提 前实现内排的作用。黑岱沟露天煤矿已经成功实施 了 200余次的抛掷爆破，为抛掷爆破的推广奠定了 理论与实践双重基础。 2 黑岱沟露天煤矿在吊斗铲故障期间，已成功 实施了 10余 次 “ 抛掷爆破单斗-卡车”开采方式， 证明该工艺的应用是完全成熟。 3 综合全国露天煤矿覆存条件， “ 抛掷爆破 单斗-卡车”工艺是具备推广价值，且前景广阔。 参考文献 [1] 乔 云 海 ，黄健，张 旺 .安 太 堡 露 天 煤 矿 过 断 层 采 煤 方 法 [J ] . 露 天 采 矿 技 术 ，19981 2-4. 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