組合臺階開采技術在露天礦開采中的研究與應用

周志友

（準格爾旗金正泰煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引 言

相對于其他開采方案，由于組合臺階開采方法在減少基建工程量、均衡生產采剝比等方面的優勢，很早以前就在國外得到了廣泛的應用。研究表明，國外一些較大型的露天煤礦通常將組合臺階開采工藝中的工作幫坡角控制在20°～30°之間[1]。

目前，我國露天煤礦通常采用單臺階等寬平臺的緩幫開采方案，這種開采方案具有采場時空關系松弛，回旋余地大的優點，但是采用這種設計方案，露天煤礦通常會出現前期采剝比較大，后期采剝比低的問題，造成露天礦出現投資大、成本回收慢等缺點[2]，同時采用這種設計方案，露天礦的另一重要經濟指標運距也較大，嚴重影響礦山的經濟效益。因此，針對這一情況，1978 年，國內首次引入陡幫開采技術用于我國北方的部分大型露天煤礦的設計中，有效緩解了部分大型露天煤礦在建礦初期出現的采剝總量大，基建投入大，生產成本高的問題[3]。

1 組合臺階開采工藝介紹

傳統的單臺階等寬平臺的緩幫開采方案，在遇到上部臺階因各種原因難以推進時，容易造成露天礦生產組織困難，影響露天礦的持續發展。因此，對于露天礦，急需尋找一種技術可行、經濟合理的陡幫開采技術，以此提高礦山的經濟效益。陡幫開采技術是在礦山開采過程中，將工作幫上部分臺階劃分為作業臺階，部分臺階劃分為暫不作業臺階，通過對作業臺階和暫不作業臺階輪流進行采剝，使礦山的采剝工作剛好滿足采礦的需要或者超前一點，達到最合適的剝離。在陡幫開采中，組合臺階開采方式是最典型的一種方法。組合臺階就是將工作幫上的開采臺階劃分為一組一組的，每個組有一個工作臺階和若干個臨時非工作臺階組成，在每個組上進行自上而下逐個臺階施工，以此提高間斷性[4]。這種方式與傳統的緩幫開采工藝有著本質的不同。

2 組合臺階開采的重要意義

1）組合臺階開采能夠有效減少每年的征地工程量。總所周知，礦山的廣場用地、采場用地以及排土場用地都需要大量的土地進行支撐。然而現在，很多大型的露天礦都面臨的征地困難，征地滯后的問題，嚴重影響了露天礦的正常開采。因此，通過采用工作幫坡角較大的組合臺階開采方式，能夠有效減少每年礦山開采的土地需要量，在保證露天礦正常生產，經濟效益穩步實現的同時，為解決征地問題贏取更多的時間[5]。

2）組合臺階開采能夠有效均衡礦山的剝采比。剝采比是露天煤礦重要的經濟指標之一，采用組合臺階開采能夠靈活調整礦山的剝采比，避免出現剝采比失調和生產上的“馬鞍形”現象的出現，保證礦山的可持續發展。尤其是在煤炭行業不穩定的情況下，使用靈活的組合臺階開采調控礦山的剝采比，能夠最大化實現資金的時間價值，保證礦山的經濟效益，在煤炭行業低迷時，降低剝離量，減少資金投入，降低生產成本，在煤炭行業興盛時，增加剝離量，提高產量，提高經濟效益。

3）組合臺階開采能夠有效減少運距，降低運輸成本。組合臺階開采的工作幫坡角較大，使得采場和排土場的距離降低，降低卡車的運距，提高施工效率的同時，減少運輸成本。

4）組合臺階開采有利于采場的邊坡穩定。相對緩幫開采工藝，組合臺階開采工藝的永久邊坡形成較晚，這就造成邊坡的服務時間縮短，有利于邊坡的治理和維護。

3 組合臺階開采工藝特點

組合臺階開采在穿爆環節、采掘環節、運輸環節及準備首采工作面等方面均與緩幫開采不一樣[6]。

3.1 穿爆環節

由于在組合臺階開采時，有一部的臺階是暫不開采的臺階，這一部分臺階就會成為爆破巖塊的緩沖臺階。當爆破時，由于暫不作業的臺階寬度小于爆破的旁沖距離，爆破后形成的大部分巖塊就會落到在暫無作業平臺和坑線上，不會影響下部坑線的運輸。但若是不輔助設置暫不作業平臺時，由于平臺寬度遠遠小于爆破旁沖距離，大量爆破后產生的巖石就會將下部的坑線掩蓋，影響下部坑線的正常運輸。因此，針對這一情況，通常采用控制爆破技術和調整暫不作業工作平臺的寬度解決，在爆破時首選選用有利于提高工作幫坡角的爆破方式，同時根據爆破旁沖距離的大小，調整暫不作業平臺寬度，一般暫不作業平臺寬度適當小于爆破旁沖距離，這樣有利于爆破后產生的爆破物大部分能夠留在本平盤上，減少恢復通車所需的清理工程量，提高施工效率。

3.2 采掘環節

對于緩幫開采來說，一般情況下，緩幫開采是使用多臺電鏟在不同的工作臺階同時進行工作，在出現幾個工作臺階產出不平衡時，需要及時調整電鏟，以達到均衡采出量的效果，因此，在緩幫開采時，需要頻繁調動電鏟[7]。而在組合臺階開采時，電鏟在完成每一組臺階開采循環后，會將電鏟從最下部的工作臺階調整至最上部的工作臺階，進入下一循環的的組合臺階開采，進入循環作業模式，因此，隨著開采工作的進行，電鏟會以掘坑線連續作業的方式進行開采，電鏟的來回調動頻率會大幅度減少[8]。

3.3 運輸環節

組合臺階開采在坑線系統移設和布置方式以及卡車的運行方式方面均與緩幫開采不同。

坑線系統移設和布置方式方面。組合臺階開采一般情況下將開采的運輸系統布置在非暫不工作幫上。坑線布置根據工作線長度、坑線系統數和組合臺階一組中的臺階數，分為回返式和直進式2 種布置方式。坑線系統的布置位置和形式并非一成不變的，而是根據現場實際情況隨時進行調整的。在組合臺階開采過程中，由于上部臺階的不斷擴幫、下部新臺階的形成，甚至隨著開采臺階工作線長度的不斷變化以及外部運輸出口的變化等，都需要向右、向左甚至反方向布置坑線的位置和形式[9]。只要能夠保證運輸線路在坑線移期間的正常使用，初始工作面的準備方法都可根據現場實際情況進行調整。

卡車運行方面。組合臺階開采在卡車運行方面相對于緩幫開采不夠靈活。這是受限于組合臺階開采的特點：一是因為組合臺階暫不作業的工作平臺相對寬度較窄；二是暫不作業臺階上堆滿了爆破后產生的巖石，因此，在一個采掘區通常只有一個巖石運輸的出口，卡車只能在工作臺階上進行輕重車雙向行駛。而緩幫開采采掘區一般有2 個用于運輸的出口，因此可以實現輕重車分向行駛，在車輛運輸方面，形式相對靈活。

3.4 首工作面準備

組合臺階開采特有的工藝環節就是準備首采面。在組合臺階開采過程中，需要先進行首采面的準備工作，只有首采面準備出來后，才可以通過將工作臺階不斷進行向下轉移形成新的采掘工作面，同時建立新采掘工作面和上不平盤相連通的運輸線路。

4 組合臺階實例分析

內蒙古某露天礦主采煤層為6 號煤層，煤層全區發育，自然厚度最大39.54 m，最小0.4 m，平均21 m，煤層含有10 層夾矸，首采區煤厚在27.7～29.3 m之間。巖層上面為黃土層，最大厚度70 m，最小厚度20 m，平均40.2 m，巖層厚度在50～130 m 之間，平均100 m。礦區黃土層較薄，巖層較厚。上覆巖層以中硬巖層為主，因此，開采時需進行松動爆破。

礦山采用的剝離工藝為單斗-卡車間斷的開采工藝，采用單斗-卡車-半固體破碎站配合帶式輸送機進行半連續開采工藝，采用多出入溝、移動坑線開拓工作幫的開拓方式，水平分層、端平面平裝車的剝離方式，頂板露煤、傾斜分層的采煤方法。開采參數見表1。

表1 內蒙古某露天礦開采參數表

近年來，由于露天煤礦征地問題越來越突出，嚴重制約了露天礦的持續發展，在這種情況下，如何保證采場上部臺階的正常推進，保證生產接續，成為露天煤礦最急需解決的問題。

4.1 組合臺階開采的參數選擇

為保證組合臺階開采的合理性，根據礦山礦體賦存條件、礦山規模的大小、各環節設備的生產能力以及采場的推進方向等各個方面的因素，組合臺階的參數應遵循：一是滿足礦山的生產規模或者推進速度；二是不超過礦山各環節設備的生產能力；三是與原來的生產工藝和技術條件適應，不能出現較大的改動，避免前期投入的工程量不能發揮正常作用；四是最大限度提高工作幫坡角，減少設備的移動評率，提高施工工效。遵循這一原則，內蒙古某礦采用的組合臺階開采示意圖如圖1 和圖2 所示。

4.2 組合臺階工作平盤寬度的確定

組合臺階工作平盤的寬度應該滿足爆堆寬度的需要，同時滿足各類設備的正常運行以及正常通行。因此，工作平盤的寬度應該是爆堆寬度、爆堆坡底線距運輸道路的距離、道路寬度、道路外側距下一臺階安全坡頂線的距離和安全寬度等距離的之和，其中，道路寬度根據卡車的運行方式和尺寸大小而定。因此，為保證內蒙古某礦的生產可靠性，根據實際現場情況，將工作平盤寬度定為80 m。

4.3 臨時非工作盤寬度的確定

作為實踐的礦山，其臨時非工作盤寬度作為輔助運輸道路和爆堆地點，因此，其寬度應該為運輸設備安全通行的最大寬度和爆堆寬度之和。在綜合考慮現場實際，盡可能減少工程投入量的情況，設計內蒙古某礦的臨時非工作盤寬度為40 m。

圖1 組合臺階開采平面示意圖

圖2 組合臺階開采剖面示意圖

5 組合臺階設計方案與原等寬設計方案對比分析

按照采出相同煤量所需的剝離量、設備能力需求、外包工程量、剝采比、需要的征地面積等各項參數進行對比，對組合臺階設計方案與原等寬設計方案2套方案的優劣。需要說明的是，目前內蒙古某礦的電鏟、裝載機等的采掘設備能夠滿足組合臺階的需要。

表2 組合臺階設計方案與原等寬設計方案對比表

通過對比表發現，咋子采出相同煤量的前提下，組合臺階開采相對與等寬臺階開采，無論是剝離量、外包工程量、需征地面積等各項數據都要小。剝離量的減少，為礦山大大降低了礦山前期的投資成本，提高礦山抵抗風險的系數，同時征地面積的大幅度減少，對于存在征地問題的內蒙古某露天煤礦具有重要意義。

6 結 論

1）通過對組合臺階開采工藝進行理論分析和現場實際應用，表明在采出相同煤量的前提下，組合臺階開采能夠有效減少采剝比，減少礦山前期投入資金，實現資金時間價值最大化。

2）采用組合臺階開采工藝能夠有效減少征地面積，為礦山接續正常提供保障，減少征地問題對礦山持續生產的影響。

3）通過采用組合臺階開采工藝，能夠根據市場變化，能夠及時調整剝離量，使生產剝采比達到最優，實現利潤最大化。

4）通過分析對比，組合臺階開采工藝具有良好的前景，在露天煤礦開采中，具有廣闊的空間。