馬 力 呂 粲 李克民 彭洪閣 丁小華 肖雙雙 劉 干

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

拉斗鏟倒堆開采工藝是一種先進的合并式開采工藝，集采掘、運輸、排土于一體。國外通常采用拋擲爆破技術配合拉斗鏟一同應用，可以將30%以上的剝離物拋擲到采空區(qū)，進一步降低了剝離費用。因此，采用拋擲爆破拉斗鏟倒堆剝離工藝具有生產(chǎn)能力大、效率高、剝離費用低等優(yōu)點。黑岱溝露天煤礦通過擴能改造技術，引進大型拉斗鏟設備應用在煤層頂板45m 的高臺階的剝離中，使礦山生產(chǎn)能力達到22 Mt／a。然而，由于拉斗鏟倒堆作業(yè)直接位于煤層頂板，其揭露煤層速度是直接影響煤炭產(chǎn)量的重要因素。露天煤礦逐年擴能，而為保證生產(chǎn)能力的持續(xù)供給，需合理調(diào)節(jié)倒堆臺階高度，即重新分配間斷工藝與倒堆工藝剝離比重。

在倒堆工藝條件下，露天煤礦生產(chǎn)能力主要受倒堆臺階高度和有效拋擲率的影響，與工作線長度及采掘帶寬度之間的關系較小。而倒堆臺階高度也是直接影響有效拋擲率的重要因素，因此，研究優(yōu)化合理的倒堆臺階高度對保證露天煤礦生產(chǎn)能力具有重要意義。

1 臺階高度與有效拋擲率之間的關系

有效拋擲率受煤層厚度、臺階高度、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、采空區(qū)形狀等因素影響。然而，因煤層厚度、采空區(qū)形狀對有效拋擲率影響較小，且工程條件具有不確定性，宜歸結為外因；而臺階高度、炸藥單耗及孔網(wǎng)參數(shù)直接影響有效拋擲率的大小，歸為內(nèi)因。從拋擲爆破參數(shù)特征來看，臺階高度是影響有效拋擲率的關鍵決定性因素，且與以彈道理論為基礎的公式 （1）所描述的臺階高度與拋擲距離的關系相符。

式中：S——拋擲距離，m；

v——拋擲初速度，m／s；

α——拋擲爆破臺階坡面角，（°）；

l——拋擲點與落地點的高差，即臺階高度，m。

對與深孔爆破炮孔長度而言，在增大臺階高度的同時，超深和堵塞長度保持不變，提高了裝藥長度占炮孔長度的比例，提高了炮孔利用率。因此，在其他條件不變時，增大臺階高度可相應地增大炮孔間距。為分析臺階高度對有效拋擲率的影響，選取黑岱溝露天煤礦現(xiàn)場實際拋擲爆破統(tǒng)計數(shù)據(jù)，見表1，繪制了有效拋擲率與臺階高度之間的關系曲線，如圖1所示。

表1 黑岱溝露天煤礦不同臺階高度情況下拋擲爆破統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖1 黑岱溝露天煤礦有效拋擲率與臺階高度關系

從圖1可以看出，有效拋擲率隨臺階高度的增大而增大，其影響程度逐漸降低，當臺階高度增大到一定程度時，有效拋擲率不再受臺階高度變化影響。為確定有效拋擲率與臺階高度之間相互影響的變化關系，根據(jù)圖1曲線擬合有效拋擲率η與臺階高度H 函數(shù)為：

式中：H——倒堆臺階高度，m；

η——有效拋擲率，%。

式 （2）擬合相關系數(shù)R2=0.8017，有效拋擲率與倒堆臺階高度的二次函數(shù)有關，呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。除臺階高度外，炸藥單耗是影響有效拋擲率的另一重要因素，此處僅為分析臺階高度對有效拋擲率的影響，式 （2）是在炸藥單耗0.67kg／m3時確定的函數(shù)關系。

2 倒堆臺階高度對露天煤礦生產(chǎn)能力的影響

煤層上部采用倒堆工藝追蹤式開采方式的露天煤礦，倒堆工藝的推進度是直接影響露天煤礦生產(chǎn)能力的重要因素。在倒堆工藝工作線長度及拉斗鏟年生產(chǎn)能力確定的前提下，拉斗鏟系統(tǒng)推進度與選擇的倒堆臺階高度呈負相關。因此，倒堆臺階高度是最終影響露天煤礦生產(chǎn)能力的關鍵決定因素。露天煤礦年生產(chǎn)能力計算式：

拉斗鏟年需完成剝離作業(yè)量為：

式中：M——露天煤礦年生產(chǎn)能力，t／a；

V——拉斗鏟年需完成剝離作業(yè)量，m3／a；

Lm——煤層工作線長度，m；

L——拉斗鏟平均工作線長度，m；

ks——松散系數(shù)；

γ——煤容重，t／m3；

D——推進度，m／a；

h——煤層平均厚度，m。

而相對拉斗鏟設備自身而言，年最大生產(chǎn)能力Qmax為：

式中：Qmax——年最大生產(chǎn)能力，t／a；

A——拉斗鏟作業(yè)采掘帶寬度，m；

Qc——拉斗鏟小時能力，m3／h；

δ——拉斗鏟作業(yè)有效利用率，%；

T——拉斗鏟年計劃動用時間，h；

tk——拉斗鏟全年開切時間，h；

tkA——開采一幅的開采時間，h；

λ——開切效率，%；

tx——拉斗鏟全年走行時間，h；

txA——拉斗鏟開采一幅的走行時間，h。

為保證年剝離任務，要滿足拉斗鏟設備能力大于需完成作業(yè)量，即：

將式 （4）、（5）、（8）代入式（3），可得：

式中：β——端幫邊坡角。

將式 （2）帶入式 （9）中，可以得出露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺階高度關系為：

露天煤礦生產(chǎn)能力受多種因素共同影響，煤層厚度為自然因素，無法根據(jù)產(chǎn)量需求調(diào)節(jié)，而拉斗鏟設備生產(chǎn)能力及相關作業(yè)及走行時間也基本固定不變。因此，從構成露天煤礦生產(chǎn)能力的眾多因素而言，唯有工作線長度、采掘帶寬度及倒堆臺階高度為可調(diào)節(jié)因素，而倒堆臺階高度是最主要的關鍵性決定因素。

3 實例分析

黑岱溝露天煤礦2011 年生產(chǎn)能力達31 Mt，是我國在生產(chǎn)露天煤礦中單坑生產(chǎn)能力最大的露天煤礦。其如此高的生產(chǎn)能力，得力于獨具特色的綜合式開采工藝，上部黃土采用輪斗連續(xù)工藝剝離，中部45～75m 厚巖石采用單斗挖掘機—汽車間斷工藝剝離，臺階高度15～20 m；下部煤頂板以上40～45m 左右?guī)r石采用拋擲爆破—拉斗鏟無運輸?shù)苟褎冸x工藝。煤層平均厚度28.8 m，煤的容重1.47t／m3，平均有效拋擲率為34%，松散系數(shù)1.3，拉斗鏟平均工作線長度2200m，采掘帶寬度為80m，采煤工作線2120m，端幫邊坡角為60°。采用BE8750-65 拉斗鏟，拉斗鏟小時作業(yè)能力3938m3，年計劃動用時間7200h，拉斗鏟作業(yè)有效利用率為95%，每幅走行時間12h，每幅開切時間8h，開切效率為90%，采掘帶寬度80m。將相關參數(shù)帶入式 （11），計算出不同臺階高度H 條件下的生產(chǎn)能力變化情況，見表2和圖2。

從圖2可以看出，隨倒堆臺階高度的增大，露天煤礦生產(chǎn)能力逐漸降低，其主要表現(xiàn)為倒堆作業(yè)量的增大影響煤層揭露速度。通過函數(shù)擬合，確定露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺階高度之間的關系式為：

露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺階高度的二次函數(shù)有關，相關系數(shù)R2=1。為保證露天煤礦達到年設計產(chǎn)量要求，需調(diào)整合適的臺階高度與之相適應，如要達到33Mt／a的生產(chǎn)能力，需調(diào)整臺階高度在37m 以下。

圖2 黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺階高度變化曲線

4 結論

（1）基于彈道理論和現(xiàn)場統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)，擬合確定了有效拋擲率與倒堆臺階高度的二次函數(shù)有關，有效拋擲率隨臺階高度的增大而增大，且其影響程度逐漸降低，當臺階高度增大到一定程度時，有效拋擲率不再受臺階高度變化影響。

（2）分析了拉斗鏟作業(yè)參數(shù)對露天煤礦生產(chǎn)能力的影響，并結合倒堆臺階高度和有效拋擲率之間的關系，給出了拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝條件下露天煤礦生產(chǎn)能力的計算公式，確定了在設備作業(yè)參數(shù)不變的情況下，露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺階高度的二次函數(shù)有關。

（3）黑岱溝露天煤礦在現(xiàn)有工藝條件下，欲保證生產(chǎn)能力達到33 Mt／a，倒堆臺階高度應調(diào)整至37m 以下，以滿足煤層揭露速度要求。

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