西灣露天煤礦原煤與剝離運輸系統提升改造

李宏飛

（陜西神延煤炭有限責任公司 西灣露天煤礦，陜西 榆林 719000）

目前我國絕大部分近水平露天煤礦為了減少外排土場占地、降低剝離運輸距離、提高經濟效益，均盡可能提前實現內排作業，因此常出現原煤運輸系統與內排剝離系統相互交叉的問題。因原煤運輸車輛與剝離車輛車型不同，在外形尺寸、噸位、視距、盲區均相差較大，平面交叉通行帶來極大的安全隱患，并影響通行能力[1]。一些露天煤礦為了避免原煤運輸與剝離運輸的交叉，保證安全，剝離采用單環運輸的方式。但當單循環運輸距離過長時，致使剝離運輸成本居高不下，嚴重影響露天礦的經濟效益。同時，全部剝離車輛向單循環運輸，引起單側運輸道路車流密度大，事故常有發生，給露天礦生產組織帶來困難。近年來，國內學者圍繞原煤運輸系統與剝離運輸系統立體交叉，開展了大量的研究工作，隨著立交工程的逐步推廣和應用，困擾著大型露天礦的原煤與剝離運輸系統交叉問題得以解決。

1 西灣露天礦概況

西灣露天煤礦位于神木市西南及榆陽區的東北部。井田面積76.56 km2，可采煤層4 層（2-2、3-1、4-3、5-3），資源量總計15.7 億t。西灣露天煤礦僅開采2-2煤層，井田開采面積50.77 km2，可采原煤量6.48 億t，設計產能1 000 萬t/a，服務年限58.9 年。2-2煤層平均厚度11.13 m，平均剝采比8.29 m3/t，主要煤質指標：灰分6.92%、水分10%、硫分0.62%、發熱量26.22 MJ/kg，是非常適宜液化的原料煤。露天礦剝離采用單斗-卡車間斷工藝，采煤采用單斗-卡車-地面半固定破碎站+帶式輸送機半連續工藝；土、巖運輸設備為50 t 級以上非公路自卸卡車，煤炭運輸設備隨著礦采煤工程自營，由原50 t 級以上非公路自卸卡車變為220 t 級礦用自卸卡車。

2 運輸系統現狀

2.1 原煤運輸系統和剝離運輸系統

1）原煤運輸系統。西灣露天礦采煤采用半連續開采工藝：原煤由工作面電鏟采掘后裝入運輸卡車，運輸卡車由工作平盤經過東北部端幫主出入溝運輸至地面半固定破碎站，經破碎后由地面帶式輸送機運至儲煤倉[2]。原煤運輸道路從工作面移動坑線至1110 平盤，經端幫固定坑線至地表，從地面運輸聯絡道路至破碎站，西灣露天礦采場內部運輸系統現狀示意圖如圖1。

圖1 西灣露天礦采場內部運輸系統現狀示意圖

2）剝離運輸系統。西灣露天礦目前已實現剝離全內排，剝離黃土及巖石由剝離工作面移動坑線經過西南端幫和東北端幫半固定運輸平盤至內排土場排棄[3]。但出于安全考慮，盡量避免剝離運輸系統與原煤運輸系統發生平面交叉，絕大部分剝離運輸車輛走西南端幫，因此，西灣露天礦主要剝離運輸系統為單環運輸。

2.2 存在問題

為提高運輸安全性和可靠性，剝離運輸系統與原煤運輸系統一般是相互分離的。互相分離的運輸系統會導致了外包剝離運距的急劇增大。為了使剝離運輸系統不與運煤系統發生平面交叉，工作幫東部剝離物需要向西跨過整個工作平盤后沿西部端幫運輸，向南運至內排土場。剝離物運距達到4.5 km以上，運輸距離相對較遠，致使露天礦外包運輸成本較高，影響露天礦的經濟效益。

為了縮短剝離車輛運輸距離，實現雙循環運輸，剝離運輸系統必然會與原煤運輸系統發生交叉，隨著后期220 t 級原煤運輸自卸卡車的投入使用，與原50～70 t 級的剝離物運輸卡車在噸位、視距、盲區、車型相差較大，平面交叉通行存在的安全隱患大，并影響通行能力[4]。針對該問題，提出了采用立體交叉來實現西灣露天剝離雙循環運輸。通過優化調整運輸組織，特別是在關鍵線路上立體交叉點的合理選擇，提高立交工程使用效率，提高運輸通行能力，提高經濟效益[5]。

3 運輸系統優化

3.1 交叉位置選擇

實施立交工程的主要目標是實現車流立體交叉，剝離車輛與原煤運輸礦用自卸卡相互獨立、互不影響，需要遵循以下原則：①實現露天礦原煤與剝離“雙環”運輸；②立交位置的選擇應具有前瞻性，能夠最大程度的提高交叉使用周期，降低立交工程拆設頻率；③具有良好的經濟適用性。

根據西灣露天煤礦運輸系統情況，提出南側和東側2 種立體交叉點位置選擇方案，分別為1#位置和2#位置。

1）1#位置方案。原煤卡車經工作面沿東幫固定坑線至地表，剝離車輛經工作面、端幫固定坑線至內排土場。在南側內排土場與原煤卡車線路交叉并設置立交。1#位置方案模型如圖2。1#位置方案原煤卡車不用繞行，短時期效果較好。但隨著西灣露天礦采掘面和排土場的推進，由于1#位置無法及時跟進，導致內排土場工作面形成“凵”形，占用內排空間，增大剝離車輛運距，直接影響內排土場向北推移，經濟效益低[6]。

圖2 1#位置方案模型

2）2#位置立交方案。將立體交叉點設在露天礦東幫靠近工作面的位置，其主要優點是對內排土場無影響，且增加了立交工程使用時間，缺點是前期原煤卡車需向北繞行[7]，增加了前期運距。2#位置方案雖然存在前期運距增加的缺點，但該立交工程建成后使用時間較長，且避開了高填方段，投資較省，立交結構形式后可選方案多，根據目前西灣露天礦開采情況，2#位置為最適宜的立體交叉位置，2#位置方案模型如圖3。

圖3 2#位置方案模型

3.2 交叉位置使用時間

結合西灣露天礦開采推進速度和立交工程建設時間，初步確定2#位置在各個規劃年度使用情況，運輸系統計劃及與各工作線距離情況見表1。

表1 運輸系統計劃及與各工作線距離情況

由表1 可知，2#位置預計在2021 年7 月建成通車。通車后內排土場1200 平臺距2#立交位置880 m。隨著內排場以每年360 m 的速度向北推進，預計在2023 年12 月內排土場1200 平臺與2#位置基本平齊，超過該位置后，車輛將產生折返運輸。因此，立交工程預計最佳使用周期為2.5 年。

3.3 通行方案選擇

3.3.1 設計方案

1）通行方案1。220 t 級礦用自卸卡車在涵頂通行，70 t 級非公路自卸卡車在管涵內通行。參照徐工XDE200 t 礦用自卸卡車車寬8.7 m，干線道路雙車道標準，雙車道路路面寬度為32 m，涵頂道路路基寬度為44 m。涵內行車道采用四類車寬3.5 m，二級道路單車道標準設計，單車道行車道寬度6.0 m，涵內道路總寬度為7.5 m。涵內道路凈空高度最少滿足70 t 級非公路自卸卡車堆裝安全通行及適應回填土不良地質條件，鋼波紋管涵采用閉合型馬蹄結構，由3 個不同半徑圓構成，其波紋管寬度為10 m，高度為9.2 m。鋼波紋管采用Q345 熱軋鋼板，選取波高380 mm、波距140 mm，鋼板厚度10 mm，管壁周圍采用加肋加強，管涵兩側均采用碎石土分層壓實回填，最優覆土高度6m。通行方案1 總投資估算2 050 萬元。方案1 鋼波紋管涵立面圖如圖4。

圖4 方案1 鋼波紋管涵立面圖

2）通行方案2。70 t 級礦用自卸卡車在涵頂通行，220 t 級非公路自卸卡車在管涵內通行。涵頂70 t 級非公路自卸卡車雙車道路路面寬度為14 m，道路路基寬度為22 m。涵內220 t 級大型礦用卡車道路寬度布置，參照300 t 大型礦用卡車寬8.7 m，聯絡道路單車道標準，單車道行車道寬度14.0 m，兩側路緣帶寬度為0.75 m，涵內道路總寬度為15.5 m，涵內道路凈空高度需滿足9.55 m。選用的鋼波紋管涵采用閉合型馬蹄結構，由3 個不同半徑圓構成，其波紋管寬度為19 m，高度16.5 m。鋼波紋管采用Q345熱軋鋼板，選取波高500 mm、波距237 mm，鋼板厚度10 mm，管壁采用鋼混組合結構加強，管涵兩側均采用碎石土分層壓實回填，最優覆土高度4 m。通行方案2 總投資估算2 808 萬元。方案2 鋼波紋管涵立面圖如圖5。

圖5 方案2 鋼波紋管涵立面圖

3.3.2 方案比選

1）通行方案1。優點：孔徑小，實施相對容易，投資低，小車在涵管內通行相對安全性高。缺點：①管頂通行車輛荷載大，對波紋管結構要求較高；②形成立體交叉需要高差達15 m 以上，大車道路較為固定，并爬升能力有限，故在交叉位置選擇方面不夠靈活。

2）通行方案2。優點：較為適應目前礦排土運輸道路在上，煤炭及巖石運輸在下的交叉形式。缺點：因大車管內通行，要求孔徑大，波紋管斷面采用了鋼混結構，實施難度高，周期長，投資高。

綜上所述，從節約投資、實施可靠性等方面考慮，推薦采用通行方案1，初步擬定立交位置在1140平臺上。

4 經濟和社會效益分析

根據剝離場、排土場及外部運輸道路的平面及高程關系，確定西幫端和走立交橋東幫的運距。立交通道剝離運輸示意圖如圖6。結合2020 年剝離規劃，2 種運輸線路運距對比見表2。

圖6 立交通道剝離運輸示意圖

表2 2 種運輸線路運距對比

按照運輸單價土層1.0 元/（m3·km），巖石1.3元/（m3·km），根據2020 年排土及剝離量規劃，按年排土量1 300 萬m3考慮，運輸系統優化后節省運距2.05 km，年度節約運輸費用2 600 萬元，經濟效益可觀。

西灣露天礦原煤與剝離運輸系統優化后，解決了西灣露天礦不同噸位運輸車輛，因運輸系統平面交叉帶來的安全問題，同時縮短了剝離運距，其社會效益明顯[8]。

5 結語

西灣露天礦剝離運輸與原煤運輸系統通過立體交叉，實現了“雙環”運輸，與露天礦之前的“單環”運輸方式相比，大大降低了礦山交通安全事故的發生概率和運營成本，經濟效益和社會效益顯著。為露天煤礦運輸系統的模式創新起到了示范作用。