基于運輸平盤寬度優化的靠幫開采與經濟效益

潘朝港，陳樹召，王靖偉

(中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

在采用汽車運輸且運輸能力要求大的露天煤礦中，所設計的運輸平盤寬度往往較大。在露天煤礦生產過程中，若端幫運輸平盤寬度較大，當開采達到最終境界時，設計的端幫邊坡角往往小于滿足穩定性系數的端幫邊坡角，造成運輸平盤壓煤，對露天礦生產的經濟效益造成一定影響。

運輸平盤由運輸道路、擋墻、排水溝以及安全距離等組成。劉利杰[1]以哈爾烏素露天煤礦為研究背景，在滿足端幫邊坡穩定的前提下，提出了最下端幫臺階不同寬度的靠幫開采方案，闡述了靠幫開采對端幫道路寬度的影響以及端幫下壓煤回收對礦區經濟效益的影響；時洪斌[2]針對既有高速公路通行的大型車輛會對鐵路路基造成潛在安全隱患的問題，對車輛-護欄-擋墻碰撞機理進行分析，提出在高速公路路肩處設置波形護欄和混凝土擋墻的安全方案；韓萬東等[3]通過闡述后溫家梁露天煤礦的汛期概況和防洪工程中存在的問題，提出了防洪方案及今后解決問題的措施，對露天煤礦的防洪工程建設提供參考。借鑒以上工程建設方案的經驗，筆者考慮采用減小擋墻寬度和排水溝寬度的方式來優化運輸平盤寬度，實行靠幫開采，著力于提升礦區經濟效益。靠幫開采是基于時效邊坡理論，通過內排壓幫增大暴露端幫的穩定性，提高端幫邊坡角，增加煤炭資源回收量或者減少剝離工作量的開采方式，具有顯著的經濟效益[4-7]。

端幫穩定性滿足規范要求是實行靠幫開采的依據和保障。韓流等[8]基于時效邊坡理論和靠幫開采技術，提出了解決端幫易滑區壓煤的條分式靠幫開采方案，在滿足端幫穩定性要求的前提下提高了端幫邊坡角；常永剛等[9]對安家嶺露天礦南幫靠幫開采適用性進行了分析，指出安家嶺露天礦能夠適當增大端幫邊坡角的具體原因，提出了南端幫靠幫開采方案；王振偉[10]以安家嶺露天礦北端幫為例，采用相似材料模型和數值模擬相結合的方法，研究內排及削坡對露天礦邊坡穩定性的影響；吳榕真等[11]利用強度折減法，對準東煤礦實行靠幫開采時南端幫穩定性進行動態分析。

本文以某露天煤礦為背景，為了提升生產的經濟效益，采用減小端幫運輸平盤寬度、提高端幫邊坡角的靠幫開采方式，解決端幫壓煤問題,進行基于端幫運輸平盤寬度優化的靠幫開采方案研究，并分析其經濟效益。

1 端幫運輸平盤寬度分析

考慮露天煤礦運輸能力要求大的現狀，設計的端幫運輸平盤寬度較大。運輸平盤由運輸道路、擋墻、排水溝以及安全距離等組成，運輸道路包括2條卡車運輸通道和1個平地車通道。

1) 運輸道路。設計的運輸道路包括2條卡車運輸通道和1條平路機通道，能保證2輛卡車和1條平路機同時通過。

2) 擋墻。擋墻由松散剝離物料堆積而成，剖面形狀大致是一個底邊4.0 m，底角為物料自然安息角的等腰三角形，墻高1.5 m，如圖1(a)所示。

3) 排水溝。排水溝的剖面形狀呈一個非對稱的V字形，溝深約0.5 m，溝底坡度分別為1∶1和1∶3，排水溝寬度約2.0 m，兩側各留有1.0 m的安全距離，如圖1(b)所示。

圖1 設計尺寸

4) 安全距離。安全距離分為卡車與排水溝安全距離，卡車與擋墻安全距離、卡車與平路機安全距離以及排水溝兩側安全距離等。設計的運輸平盤寬度如圖2所示。設計的運輸平盤寬度的計算表達式為式(1)。

圖2 設計的運輸平盤寬度

L=A+4B+2C+D+E

(1)

式中：L為設計的運輸平盤寬度；A為平路機寬度；B為安全距離；C為卡車寬度；D為設計的擋墻寬度；E為設計的排水溝寬度。

2 端幫運輸平盤寬度優化

2.1 運輸平盤寬度優化措施

在不變更運輸設備和平地設備的基礎上，采用改變擋墻以及排水溝形式的方法，減少擋墻寬度和排水溝寬度，達到優化端幫運輸平盤寬度的目的。

1) 改變擋墻形式。采用修筑混凝土擋墻和放置水馬圍擋的“主墻輔擋”形式替換原來由松散物料堆積而成的擋墻形式。在“主墻輔擋”形式中，混凝土擋墻主要起到攔阻車輛和支撐水馬圍擋的作用；水馬圍擋起到緩沖車輛與混凝土擋墻撞擊力的作用，同時引導和警示車輛。 ①混凝土擋墻。采用C30混凝土修筑擋墻，起到攔阻車輛的主要作用。修筑混凝土擋墻的推進方向與采場和內排土場的推進方向一致，隨采隨筑，隨排隨棄。混凝土擋墻的高度保持原來的擋土墻高度1.50 m，設計寬度為1.00 m。②水馬圍擋。用高密度聚乙烯材料制造，抗沖擊強度約為20 kJ/m2，能吸收汽車與混凝土擋墻之間強大的沖擊力，減少汽車的傷害。水馬圍擋的移設方向與采場和內排土場的推進方向一致。水馬圍擋長度為1.00 m，高度為1.80 m，上部寬度為0.08 m，下部寬度為0.40 m。 凈重8～9 kg，搬運方便。 ③“主墻輔擋”形式。混凝土擋墻寬度為1.00 m；水馬圍擋下寬上窄，放置水馬圍擋增加寬度0.40 m。“主墻輔擋”形式整體寬度d為1.40 m。修筑混凝土擋墻和放置水馬圍擋的形式，相較于原來的擋墻而言，整體寬度由4.00 m減小到1.40 m，寬度減小量為2.60 m，如圖3(a)所示。

2) 改變排水溝形式。采用開挖半(橢)圓形水溝和鋪設半圓形PE水管的“管溝耦合排水”形式替換原來非對稱的V形排水溝形式。在“管溝耦合排水”形式中，PE水管主要起到疏排水作用，同時為開挖的半(橢)圓形水溝提供支撐力，防止因震動導致水溝破壞；半(橢)圓形水溝起到固定PE水管的作用。①半(橢)圓形水溝。出于降低開挖半圓形水溝工藝難度的目的，允許開挖的水溝剖面形狀為半橢圓形，大致接近于半圓形。 半(橢)圓形水溝的剖面形狀大致為半徑為0.6 m的下部半圓，該尺寸保持了原來的排水能力，兩側各留出0.5 m的安全距離，排水溝寬度e約為2.2 m。 ②半圓形PE水管。選用型號為1 200 mm口徑PE水管，壁厚為57.3 mm，外徑為1.2 m。③“管溝耦合排水”形式。半圓形PE水管耦合鋪設在半(橢)圓形水溝上方。PE水管內壁光滑，相較于粗糙的水溝內壁水的流動性更好，而且PE水管的存在減少了從運輸平盤地表向臺階深部滲透的水量，提升了臺階的疏排水性能，如圖3(b)所示。

圖3 優化尺寸

2.2 優化后端幫運輸平盤寬度

優化后的運輸平盤寬度如圖4所示。優化后的運輸平盤寬度的計算表達式為式(2)。

圖4 優化后的端幫運輸平盤寬度

L0=A+4B+2C+d+e

(2)

式中：L0為優化后的運輸平盤寬度；A為平路機寬度；B為安全距離；C為卡車寬度；d為“主墻輔擋”形式的寬度；e為半(橢)圓形水溝寬度。

2.3 運輸平盤寬度優化的效益分析

1) 優化措施成本。運輸平盤寬度優化措施增加的成本包括兩部分：“主墻輔擋”新型擋墻成本和“管溝耦合排水”新型排水溝成本。“主墻輔擋”新型擋墻成本包括混凝土擋墻建設成本和水馬圍擋購置成本；“管溝耦合排水”新型排水溝成本包括水溝建設成本和PE水管購置成本。

混凝土擋墻建設成本，計算見式(3)。

W1=n×s1×a×w1

(3)

式中：W1為混凝土擋墻建設成本，元；n為端幫運輸平盤個數，個；s1為混凝土擋墻截面積，m2；a為工作面年推進距離，m；w1為混凝土擋墻單價，取500元/m3。

水馬圍擋購置成本，計算見式(4)。

W2=n×a×w2/l

(4)

式中：W2為水馬圍擋購置成本，元；n為端幫運輸平盤個數，個；a為工作面年推進距離，m；l為水馬圍擋長度，m；w2為水馬圍擋單價，取100元/個。

水溝建設成本，計算見式(5)。

W3=n×a×w3

(5)

式中：W3為水溝建設成本，元；n為端幫運輸平盤個數，個；a為工作面年推進距離，m；w3為水溝建設單價，取1 000元/m。

PE水管購置成本，計算見式(6)。

W4=n×a×w4

(6)

式中：W4為PE水管購置成本，元；n為端幫運輸平盤個數，個；a為工作面年推進距離，m；w4為PE水管單價，取10元/m。

2) 靠幫開采效益。在保證邊坡安全的前提下，減小擋墻和排水溝的寬度，可以避免因為布置端幫道路而造成端幫邊坡角減小的情況，因此可以與運輸平盤寬度優化相結合實施靠幫開采。

根據需要，靠幫開采有兩種方式。第一種方式是深部境界固定，地表境界內縮。該方式主要是為了減少端幫的剝離量。第二種方式是地表境界固定，深部境界外擴。該方式主要是為了增加端幫煤炭的回收量。本文基于端幫運輸平盤寬度優化，以增加煤炭回收量、提高經濟效益為出發點，采用靠幫開采的第二種方式。靠幫開采涉及的經濟指標有剝離成本、采煤成本和開采煤炭銷售收入。

靠幫開采剝離成本，計算見式(7)。

W5=S1×a×w5

(7)

式中：W5為靠幫開采剝離成本，元；S1為靠幫開采剝離面積，m2；a為工作面年推進距離，m；w5為剝離單位成本，取6元/m3。

靠幫開采采煤成本，計算見式(8)。

W6=S2×a×w6

(8)

式中：W6為靠幫開采采煤成本，元；S2為靠幫開采采煤面積，m2；a為工作面年推進距離，m；w6為采煤單位成本，取8元/m3。

靠幫開采采煤銷售收入，計算見式(9)。

M=m×S2×a×ρ

(9)

式中：M為靠幫開采采煤銷售收入，元；m為原煤單價，取100元/t；a為工作面年推進距離，m；ρ為原煤密度，取1.15 t/m3。

3 實例分析

某露天礦位于平朔礦區，采剝工作線由西向東推進，2個端幫分別為南幫和北幫。 端幫設置運輸道路，7個運輸平盤高程分別為+1 270 m、+1 240 m、+1 210 m、+1 180 m、+1 150 m、+1 122 m和+1 092 m。端幫壓覆煤層分別為4號煤層、9號煤層和11號煤層。

3.1 運輸平盤寬度優化

設計的運輸平盤寬度，計算見式(10)。

L=A+4B+2C+D+E

(10)

式中：L為設計運輸平盤寬度；A為平路機寬度，取5.0 m；B為安全距離，取2.5 m；C為卡車寬度，取930E卡車寬度8.5 m；D為設計的擋墻寬度，取4.0 m；E為設計的排水溝寬度，取4.0 m。因此，設計的運輸平盤寬度L為40 m。

優化后的運輸平盤寬度，計算見式(11)。

L0=A+4B+2C+d+e

(11)

式中：L0為優化后的運輸平盤寬度；A為平路機寬度，取5.0 m；B為安全距離，取2.5 m；C為卡車寬度，取930E卡車寬度8.5 m；d為“主墻輔擋”形式的寬度，取1.4 m；e為半(橢)圓形水溝寬度，取2.2 m。 因此，優化后的運輸平盤寬度L0為35.6 m。設計的運輸平盤寬度為40 m，因此端幫運輸平盤寬度優化減少了4.4 m。

3.2 端幫穩定性分析

根據端幫邊坡的初始形態，以4.4 m的優化寬度依次減小端幫7個運輸平盤的寬度，得到靠幫開采后的邊坡最終形態，基于運輸平盤寬度優化的靠幫開采使端幫邊坡角從原來的28°提高到30°。基于運輸平盤寬度優化的靠幫開采如圖5所示。

圖5 基于運輸平盤寬度優化的靠幫開采

隨著邊坡角的增大，穩定性系數下降。為了驗證靠幫開采后端幫邊坡的穩定性系數是否滿足《煤炭工業露天礦設計規范》(GB 50197-2015)(以下簡稱“規范”)的要求，因此運用Geo-Slope軟件進行端幫邊坡穩定性系數計算。北端幫地層巖性從上到下依次為第四系黃土、砂泥互層、4號煤層、砂巖、砂泥互層、9號煤層、砂泥互層和11號煤層。根據已有工程地質資料，各巖層巖性參數見表1。

表1 巖層巖性參數

北端幫穩定性分析模型如圖6所示。采用Morgenstern-Price法，經過穩定性系數計算，得到靠幫開采使得端幫邊坡穩定性系數從1.251下降到1.193，靠幫開采后的端幫邊坡穩定性系數仍然滿足規范要求的1.10。

圖6 穩定性分析模型

3.3 經濟效益分析

該露天煤礦的年推進距離為400 m，有端幫運輸平盤7個。端幫運輸平盤寬度優化措施增加的成本如下所述。混凝土擋墻建設成本W1=7×1.5×400×500=210萬元。水馬圍擋購置成本W2=7×400×100/1.0=28萬元。水溝建設成本W3=7×400×1 000=280萬元。PE水管購置成本W4=7×400×10=2.8萬元。因此，端幫運輸平盤寬度優化措施增加的成本為W1+W2+W3+W4=520.8萬元。計算靠幫開采效益時，為了方便描述，將7個運輸平盤所服務的臺階分別按序號1～7排序，對應臺階范圍及靠幫開采的采煤和剝離工程量見表2。

由表2可知，靠幫開采剝離面積共計2 937.4 m2，采煤面積共計811 m2。端幫靠幫開采的經濟效益如下所述。 靠幫開采剝離成本W5=2 937.4×400×6=704.976萬元。靠幫開采采煤成本W6=811×400×8=259.52萬元。 靠幫開采采煤銷售收入M=100×811×400×1.15=3 730.6萬元。因此，靠幫開采收益為M-W5-W6=2 766.104萬元。運輸平盤寬度優化措施增加的成本為520.8萬元。綜上所述，基于端幫運輸平盤寬度優化的經濟效益為2 766.104-520.8=2 245.304萬元。由此可見，基于端幫運輸平盤寬度優化的經濟效益十分顯著。

表2 靠幫開采采剝工程量匯總

4 結 論

1) 采用修筑混凝土擋墻和放置水馬圍擋的“主墻輔擋”形式替換原來由松散物料堆積而成的擋墻形式，寬度減少2.6 m；采用開挖半(橢)圓形水溝和鋪設半圓形PE水管的“管溝耦合排水”形式替換原來非對稱的V形排水溝形式，寬度減少1.8 m，單一平盤寬度優化合計寬度減少4.4 m。通過改變擋墻和排水溝形式，使得7個端幫運輸平盤寬度共減少30.8 m，寬度優化效果明顯。

2) 靠幫開采后的端幫穩定性系數為1.193，仍然滿足規范要求。“主墻輔擋”新型擋墻成本包括混凝土擋墻建設成本W1和水馬圍擋購置成本W2；“管溝耦合排水”新型排水溝成本包括水溝建設成本W3和PE水管購置成本W4，運輸平盤寬度優化措施成本合計520.8萬元，基于端幫運輸平盤寬度優化的經濟效益為2 245.304萬元。