興盛露天煤礦降本增效措施研究

姜兆新 徐洪艷 趙國強

（1.新疆雪峰科技（集團）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆雪峰爆破工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

興盛露天煤礦位于伊吾縣淖毛湖鎮西北的薩依蘇一帶，露天礦地理坐標為東經94°36′30″～94°45′00″，北 緯43°55′00″～43°56′45″。礦山海拔280 m～394 m，一般在320 m左右，地勢較為平緩，高差不大，溝谷寬闊，多為石漠戈壁區。礦內地形較平坦，第四系在興盛露天礦大面積分布，由礫石、砂和亞砂土組成，厚度變化大，在0 m～22.90 m，平均厚5.43 m，其分布特點是在興盛露天礦內西厚東薄，一期采區內南厚北薄，巖體呈松散結構，結構體呈顆粒、碎屑狀，單獨劃為松散巖組，穩固性差，屬不穩定固型，露天開采時應加大剝離面。侏羅系八道灣組碎屑巖類結構疏松，巖石成熟度低，飽和抗壓強度在100 MPa以下，屬軟弱巖類。目前，查明露天礦構造形態為單斜，地層傾向190°～220°，傾角6°～15°，局部形成東西向短軸向斜。東南發現落差8 m～48m的斷層5條，煤系地層中未見火成巖，礦田構造簡單。

1 生產現狀

礦區氣候干燥多風，降雨量少，年、日溫差較大，夏季較為炎熱，冬季寒冷，是典型的溫帶大陸性氣候。春秋季較短，晝夜溫差大；冷空氣活動頻繁，所以春秋多大風，年平均氣溫9.9 ℃，6～8月份為高溫季節，最高氣溫可達40 ℃以上，一般為25 ℃左右。每年的12月封凍，次年3月解凍，無霜期僅180 d左右。區內年降水量在11.3 mm左右，多集中在6～7月份，大多為暴雨，蒸發量為4 615.4 mm。全年大風比較多，最高風速可達40 m/s以上，一般風速5.6 m/s～7.1m/s，偏西風較多。無常年流水，只在暴雨之后才有短暫洪水徑流。

興盛露天煤礦建設規模為3.0 Mt/a，現坑底標高+226m，露天煤礦最大已形成7個剝離臺階，煤層頂板最低位置在東幫+250水平，東部境界已到界，坑底采煤工作線約在770m，露天煤礦的實際生產剝采比為2.0 m3/t，剝離平均運距為2.0 km。研究區域的礦山開采深度最大在150 m左右，現狀采煤和剝離均采用單斗-卡車工藝，采煤后期采用連續工藝。采礦工藝完善，推進強度高，現狀推進速度達400 m以上，年剝采比最高可達3 000多萬m3。

目前由于礦山首采區東側南幫已基本到界，正逐步由向西轉向推進，轉向過程中，卡車運距較大，而且隨著向西推進，今后的降段延深后，自卸卡車運距還會增加，導致生產成本高。為了降低生產成本，提高企業效益，對露天礦工作線推進方式進行優化，降低生產剝采比[1]。露天礦生產現狀如圖1所示。

圖1 露天礦生產現狀

在現狀采場內，采場東側轉向前下部采煤采用的是輪斗-帶式輸送機連續工藝，這種工藝系統需要輔助帶式輸送機進行運輸，后期朝西轉向。為滿足膠帶運輸機運輸的需求，保證采煤作業的正常進行，工作人員認為在未將連續工藝移設至西幫之前，沒有搭橋的空間。

針對露天礦山的具體情況，確保企業效益的最大化，一直以來就是公司關注和思考的重心。

礦山企業發展到現在，設備和工藝已日漸成熟，市場規劃更合理，以往那種單單靠提高產能來提高企業的經濟效益已經不適用于現代礦山的發展，必須要從整體系統出發進一步做到降本增效。在考慮爆破環節帶來的經濟效益的同時，還要考慮采運排環節，才能做到綜合降低成本。以下將從2個方面研究興盛露天煤礦降本增效的措施。

2 剝離優化措施

2.1 車鏟比優化

在“單斗-自卸卡車”工藝系統中，運輸成本一直居高不下。運輸方式之中，自卸卡車運輸的噸公里費用最高，運輸成本占開采成本的比例較大，其中采區工作線長短和總的運輸系統遠近，決定了自卸卡車運輸距離的遠近，因此如何合理地優化運輸線路和優化車鏟匹配問題，做到既降低運輸距離，又提高自卸卡車的效率，可以進一步的降低成本，成為研究重點。

目前礦山采用的剝離設備為斗容5.0 m3的單斗挖掘機，運輸設備為70 t的自卸卡車。目前剝離工作面1臺鏟車配5～6輛自卸卡車進行剝離作業。根據現場統計挖掘機裝載車和卡車的作業循環時間，見表1。

表1 車鏟作業時間統計表（單位：min）

根據統計結果，裝載周期為3.29min，運輸周期為14.58min。車鏟匹配的最優化計算：N=14.58/3.29=4.43輛/臺，因此礦山車鏟最優比為4∶1～5∶1。現場施工靠近東幫運距較近的工作面由于運距較近，1臺鏟配套4輛卡車，靠近西幫位置1臺鏟配5輛卡車，這樣可以減少卡車的等待裝卸時間，提高挖裝效率；現場管理人員，應結合現場情況適當調配車輛，保證剝離作業的正常進行。

2.2 水孔爆破作業優化

由于受到地下水位的影響，興盛露天煤礦在進行爆破作業時，鉆孔無水，在形成24 h后，水深可達鉆孔深度的一半以上，這就給爆破作業帶來了以下問題：1）由于孔內有水，按常規的爆破方式，必須采用防水炸藥進行爆破，而常用的成品乳化密度大，延米裝藥量大，導致爆破成本高。2）由于孔內有水，在混裝車裝藥過程中，孔底裝藥時現場人員的工作水平不一致，往往在孔底不能形成密實裝藥，這種裝藥方式屬于不耦合裝藥，導致爆破完成后形成大量根底，需要二次爆破，降低現場挖裝效率。3）孔內裝藥導致孔內水位上升，再進行填孔作業時，常規鉆屑填孔填不密實，后期爆破多出現沖孔現象，為了避免出現沖孔現象，就需要篩選戈壁料進行填充，導致成本增加。

根據現場作業情況，提出采用防靜電的特制PVC管先進行封裝，在鉆孔形成后就下特制管，并固定嚴實。這樣就可以避免上述3個問題，同時由于管內無水，可以采用密度較小的巖石膨化炸藥進行作業，相對于混裝乳化，延米裝藥量只有后者的1/3～1/2，這樣就節省了大量的炸藥成本，降低了單耗，節約成本。

從采用PVC特制管進行水孔作業以來，一共用去PVC管1850根（實際起作用1574根，其余因密封、破損問題仍使用的乳化炸藥），爆破方量61.8萬m3。1）PVC管爆破方案使用各類炸藥合計129.06 t，其中非抗水類炸藥100.98t（混裝銨油炸藥63.83 t，膨化炸藥37.15 t），成品乳化炸藥28.08t。2）采用PVC管綜合成本增加30.2萬元；使用膨化炸藥裝填PVC管約723根，節省成本32.5萬元；使用混裝銨油炸藥裝填PVC管約851根，節省成本23.3萬元，合計節省55.8萬元；實際節省爆破成本25.6萬元，核0.41元/m3。按現場每年水孔爆破方量500萬m3計算，一年企業僅在水孔爆破方面可節約成本207.12萬元。

水孔特制管裝藥爆破技術是一種新型爆破施工技術，是將不防水工業炸藥應用于水孔爆破中，是不防水工業炸藥的發展、延伸，為露天礦水孔低成本爆破積累了寶貴的經驗，在同類工程中具有一定指導和借鑒意義。

3 排土方案規劃

由于礦山目前正處于轉向階段，而下部采煤作業采用了輪斗-帶式輸送機連續工藝，因此興盛露天礦山的剝離與排棄存在一定的影響。

3.1 搭橋內排方案

采用搭橋內排方案，需要搭橋前將采煤的連續工藝移至西工作幫，這樣搭橋內排不會干擾到連續采煤作業。受到煤層產狀的影響，采場中部水平的工作線長度只有760 m，東幫只有200 m的工作線，因此橋體宜設在采場中部。這樣的話就會縮短剝離物運距。剝離物內排時，平均運距可以縮短至1.1 km。與之前相比，排土方案運距可以節省近0.9 km，按雪峰爆破工程有限公司每年的剝離工程量估算，可以節省運輸費用約2 000萬元，但是受到排土橋的影響，需要斷中間橋才能保證資源全部采出。內排土橋的參數確定如下。

3.1.1 橋面寬度

橋面寬度根據汽車運輸所需要的寬度，汽車運輸道路寬度的計算如公式（1）所示。

式中：Bc—2輛汽車的交車時的安全距離，m；Bs—汽車離邊坡的安全距離，m；Lc—汽車的車體寬度。

3.1.2 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，如公式（2）所示。

式中：θa—搭橋剝離物的自然安息角，°。

3.1.3 搭橋長度

搭橋橋面的長度是由搭橋高度、坑底寬度決定的，其計算公式如公式（3）所示。

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。D—坑底寬度。

3.1.4 橋的高度

受到露天礦山剝離臺階水平分布和總的剝離工程量的影響，應該合理設置搭橋高度[2-3]。搭橋位置的最高水平越高，相應運距會降低，但搭橋費用同時增高；如果降低搭橋高度，則礦山運距增大，而相應搭橋費用降低[2-6]。這樣就有一個最優的搭橋高度，其費用變化趨勢見圖2（圖中A為排土橋的最優高度）。

圖2 搭橋費用和運輸費用關系

3.2 反向內排方案

由于受到轉向的影響，后期在采場西南位置，勢必會形成這一位置內排空間富裕，這就會造成前期內排運距增大，而后期內排空間跟進不足。同時采煤的連續工藝也會造成排土不便管理，因此結合礦山的實際情況，建議礦山在原有膠帶干線上方布置鋼筋混凝土橋涵，然后合理規劃，在膠帶上方排土，可以充分地利用內排空間，也使排土工作更有規劃性，方便管理作業。

同時為進一步縮短運距修建反向內排土橋，即內排土場發展方向與正常情況下內排土場的發展方向相反。反向內排方案為興盛露天煤礦轉向時期的臨時措施，該方案可以在礦山轉向期間縮短西工作幫剝離物的內排運輸距離，同時也對轉向完成后，剝離的正常作業帶來有利的影響。

對于疆納礦山，如果后期采煤系統在新采區端幫留溝，作為永久運煤通道，那么露天礦則不能選用采區間搭橋方案。因為搭橋會切斷運煤干道，影響整個系統的正常運轉；同時，需要將輪斗-帶式輸送機移至搭橋一側進行采煤，另一側采用單斗-卡車工藝系統。

需要提前將礦山西南角煤炭資源迅速剝離采出，推進到采場設計境界；在新采區南幫開始延深時，修筑一個坡道，剝離物從坡道運出，直接從煤底板向東、向北在采空區進行高段排土；隨著270平盤的推進，逐漸向上建立各反向排土平盤[7-8]。最終反向內排方案的初始示意圖如圖3所示。

圖3 反向排土方案示意圖

該方案前期可以暫時不對輪斗-帶式輸送機進行移設，但是由于反向內排會使內排場進一步靠近膠帶所在的線路，為了增大內排量，縮短運距，可在修建反向內排初始位置處預留鋼筋混凝土橋涵，同時在原膠帶線路上方布置鋼筋混凝土橋涵，橋涵橫穿反向內排土場，不僅可服務目前采區，也可以繼續服務礦山轉向后的煤炭開采。

4 結論

根據對興盛露天煤礦賦存條件和采剝現狀進行分析，通過對礦山車鏟匹配、爆破工藝的優化，同時結合采礦工藝，對排土方案做了簡單的規劃，可以使礦山達到降本增效的目的。結論包括以下3點：1）興盛露天煤礦剝離車鏟比匹配為1∶4～1∶5，靠近端幫位置可以按1∶4匹配，西幫位置按1∶5匹配。并要求現場管理人員，應結合現場情況適當調配車輛，保證剝離作業的正常進行。2）水孔特制管裝藥爆破技術可以在該礦山原爆破技術的基礎上，節省0.41元/m3，進一步節省成本。3）在轉向區連接處設置內排土橋，使礦山的剝離系統規劃更加合理，采剝系統干擾小，便于現場技術人員的管理，從而降低企業的各類成本，增加經濟效益。