蔡忠超，張繼平

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽110015）

露天采礦方法的選擇主要受制于礦體的賦存特征、地形條件、可供選擇的開采工藝系統(tǒng)及設(shè)備制造能力、國家對于礦山開采的環(huán)境保護(hù)法規(guī)規(guī)定等諸多因素[1]。目前，常用的露天采礦方法主要有：掘坑外排開采法、倒堆內(nèi)排開采法、石料開采法、頂幫開采法、疏浚開采法、水力沖采法、溶浸開采法等。疏浚開采方法經(jīng)常用于清理或擴(kuò)建水上航道，也可有效開采水下的有益礦物，如采砂、河卵石、鐵礦石、錫礦石等，但利用此方法開采煤炭卻較為少見，對露天煤礦開采領(lǐng)域來說還是一個較新的課題[2]。

1 開采條件概述

研究區(qū)距離當(dāng)?shù)厥兄行募s11 km，占地面積為40 km2，屬溫帶大陸性氣候和地中海式氣候。四季分明，夏季炎熱，7—8 月氣溫最高35 ℃，平均氣溫為25～28 ℃。春、秋氣候宜人，平均氣溫15 ℃，但春季相對較短。冬季1—2 月氣溫最低-10 ℃左右，平均氣溫約0～5 ℃。雨量充沛，年均降雨量平原地區(qū)為660～880 mm，山區(qū)為880～1 200 mm。

研究區(qū)緊鄰1 條較大的河流，地表海拔高度平均約67～73 m，地表水資源豐富。礦田煤層以上的地層以砂巖為主，局部夾雜少量礫巖地層，煤層以上基本為完整的聯(lián)通含水地層，由地表下挖1 m 就有水出現(xiàn)。地下水直接接受河水補(bǔ)給，水位與河水水位基本一致，地下水資源極為豐富。

露天礦煤層賦存連續(xù)且大部分較平緩，共有3 個煤層，自上而下煤層平均厚度分別為2.37、6.9、2.41 m，煤層中含有少量夾矸層，夾矸層厚度較小。研究區(qū)域內(nèi)煤炭資源儲量合計約為2 億t，其中埋深在55 m以上的煤炭儲量約為1.39 億t。煤層上部覆蓋層為滲透性好的砂子和礫石。

2 疏浚開采法

目前，露天礦常用的開采工藝有單斗-卡車間斷式開采工藝、單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝、單斗-自移式破碎機(jī)-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝、輪斗連續(xù)開采工藝和拉斗鏟倒堆開采工藝，上述開采工藝均屬于傳統(tǒng)的“干式”開采工藝，即：露天開采工作幾乎都是在“干燥”的采掘場里進(jìn)行，一般情況下，為了確保采掘場的“干燥”需要通過疏干工程將地下水位降低至正常的采掘施工作業(yè)面以下。

研究區(qū)煤層以上都是含水層，地層結(jié)構(gòu)以砂巖為主，滲透性極好，受河水從各個方向直接補(bǔ)給，很難建立有效的隔水措施，同時由于含水層補(bǔ)給速度極快，直接疏干排水的速度必須超過補(bǔ)給速度，造成疏干排水成本過大。同時該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)以砂巖為主，地層穩(wěn)定性較差，即使布置降水孔，并設(shè)套管防護(hù)，在實(shí)際施工過程中也很可能產(chǎn)生塌孔、廢孔，進(jìn)一步增加了疏干降水孔的施工成本，即使成功安裝的降水孔也隨時有側(cè)滑的可能，運(yùn)營風(fēng)險較大。

對于一個露天礦而言，如何因礦制宜確定合適的開采方法尤為重要[3]。當(dāng)降水孔疏干排水方法已經(jīng)無法滿足傳統(tǒng)的“干式”露天開采的技術(shù)要求時，項目開發(fā)需要理念的創(chuàng)新，謀求更適合的開采方式，即采用疏浚開采法。該方法使用的開采設(shè)備通常有采挖船、鏈斗挖掘機(jī)，輪斗挖掘機(jī)、抓斗鏟等，廢棄物料直接排棄于水體中，有用礦產(chǎn)轉(zhuǎn)載至船體中，然后運(yùn)至陸地進(jìn)一步處理主要開采賦存于水體下的礦產(chǎn)資源。疏浚開采法能夠適應(yīng)項目區(qū)的實(shí)際開采條件，提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、避免了露天煤礦“干式”開采中的疏干排水問題，同時在開采過程中受暴雨和洪水的影響較小。

3 疏浚開采主要工藝流程

疏浚設(shè)備可以分為機(jī)械疏浚船和液壓疏浚船：①鏈斗船、抓斗船、反鏟船屬于機(jī)械疏浚船；②普通吸泥船、絞吸船、耙吸船則屬于液壓疏浚船。對疏浚作業(yè)常用的絞吸式、耙吸式、抓斗式3 種不同類型挖泥船相比較，在同等疏浚效率下，絞吸挖泥船對環(huán)境的影響及其產(chǎn)生懸浮發(fā)生量較小[4]，因此采用絞吸船進(jìn)行煤層開采。

若采煤能力達(dá)到6.00 Mt/a，則需要剝離30.00 Mm3/a，需采用1 條絞吸船開挖煤層，3 條鏈斗船開挖覆蓋層剝離物。鏈斗船所采剝離物初期運(yùn)往地面規(guī)劃的外排土場進(jìn)行排棄，隨著采掘工作面的推進(jìn)，上覆剝離物逐漸實(shí)現(xiàn)內(nèi)排。開采方式示意圖如圖1。

圖1 開采方式示意圖

煤層挖掘條帶寬45 m，開采后的煤炭經(jīng)漂浮在水面的輸送管道運(yùn)往地面，由于煤炭的密度相對較低，使水力管道傳送雖然高效但成本卻較低。到達(dá)地面的煤炭通過篩分脫水和沉淀池脫水相結(jié)合的方式，達(dá)到脫水要求。煤泥沉淀池示意圖如圖2。

圖2 煤泥沉淀池示意圖

篩分脫水設(shè)備近年來使用較多的是固定篩、振動篩。篩分脫水主要用于粒度大于0.5 mm 的煤，沉淀池脫水主要用于粒度小于0.5 mm 的煤的煤泥水。煤泥水進(jìn)入排水溝后通過不同的閘門控制調(diào)節(jié)使其進(jìn)入不同的沉淀池內(nèi)進(jìn)行沉淀，經(jīng)過沉淀后上部清水通過池內(nèi)控制閘門排往澄清水池，最后通過水泵將清水排放至指定位置。沉淀池側(cè)設(shè)有煤泥堆放場，用于沉淀池內(nèi)的煤泥堆放。

4 應(yīng)用疏浚開采的關(guān)鍵性要求

1）采深對設(shè)備的要求。根據(jù)疏浚工程的特點(diǎn)，目前絞吸挖泥船最大挖深一般可達(dá)30 m，我國自主研制的亞洲最大絞吸挖泥船“天鯤號”的最大挖深可達(dá)35 m。采掘場的絞吸挖泥船的船體結(jié)構(gòu)要比同類型海上作業(yè)的船體結(jié)構(gòu)簡單，目前通用的疏浚施工技術(shù)可以承擔(dān)開挖煤層的任務(wù)，但研究區(qū)有部分埋深達(dá)55 m 的煤層，需要設(shè)計建造專用絞吸挖泥船以滿足大采深要求。

2）煤的物理性質(zhì)變化對設(shè)備的要求。隨著水深的不同，煤的壓縮力也將發(fā)生變化，在深水中煤的壓縮力很大，煤變得相對堅硬，在吸走或開挖之前需要對煤進(jìn)行切割和破碎，這將給挖掘帶來很大障礙，雖然中型或大型的絞吸船均具有這種切割和破碎的能力，但在采用絞吸式挖泥船進(jìn)行開采施工時，定位樁是常用的施工設(shè)備，如果定位樁液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障將會直接對疏浚施工造成影響[5]，這對絞吸船的定位樁系統(tǒng)提出了較高的要求。

3）煤層精確開采的要求。在露天礦煤層開采過程中常常會遇到矸石賦存的情況，需要對煤層及夾矸精確開采，從而減小煤損及混矸[6]。礦區(qū)煤層含有少量夾矸層，開采時主要煤沙分離工作在煤層和沙層的交界面發(fā)生，交界面需要分離的煤量約占總煤量的6.5%。在水下開采煤層時要實(shí)施精確開采，在滿足電廠對混入雜質(zhì)可接受程度的前提下，盡量減少混入矸石或沙。這需要在地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，做出精確的開采模型并最終形成指導(dǎo)開挖的控制模型，同時絞吸式挖泥船的疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的校驗(yàn)工作與施工生產(chǎn)是密不可分的[7]，這對采煤絞吸船的水平控制系統(tǒng)、垂直控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)提出了較高的要求。

4）脫水系統(tǒng)的要求。煤炭脫水是露天煤礦向電廠輸煤過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，露天礦6.00 Mt/a 的生產(chǎn)規(guī)模，需要其有1 個龐大的脫水系統(tǒng)來滿足電廠每日的煤炭消耗，因此對脫水系統(tǒng)的高效與可靠性提出了較高要求。

5）褐煤的泥化。泥化是年輕褐煤煤礦常見的問題，產(chǎn)生泥化現(xiàn)象的原因一般是煤和矸石在水浸的情況下，由于物理運(yùn)動和碰撞的原因，使煤和矸石顆粒產(chǎn)生裂縫或者將原來的小裂縫擴(kuò)大，從而使顆粒變小?；蝾w粒本身內(nèi)生裂隙比較發(fā)達(dá)，或煤本身就比較軟，經(jīng)過機(jī)械運(yùn)動，煤粒相互碰撞而產(chǎn)生裂隙現(xiàn)象。褐煤的泥化問題對于篩分脫水生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的影響較小，對煤礦開采可能產(chǎn)生的影響是在煤沙混合物分離過程中，形成部分小于0.5 mm 的顆粒，影響分離出來的煤量，同時形成煤泥水涉及到煤泥水的處理問題。

5 疏浚開采法應(yīng)用實(shí)例

在塞爾維亞科溫地區(qū)的科溫露天礦就是使用疏浚開采方式進(jìn)行煤炭開采的。所采用的輪式絞吸挖掘船為德國O&K 公司生產(chǎn)的“科溫1 號”，設(shè)備總功率為10 126 kW，由直埋地下和架設(shè)在管道浮橋上的電纜供電。挖掘船輪斗直徑為4.5 m，刀頭功率750 kW，刀頭旋轉(zhuǎn)方向與地上普通挖掘機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速7～13 r/min。

科溫露天礦設(shè)計生產(chǎn)能力為80 萬t/a，目前煤炭生產(chǎn)能力為30 萬t/a。煤炭的產(chǎn)能看上去較低的原因是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中輪式絞吸挖掘船僅用50%的年工作時間進(jìn)行采煤，另外用50%的年工作時間進(jìn)行上部有益覆蓋層的開采。所采出的煤炭經(jīng)坑口沉淀池沉淀后，由自卸卡車運(yùn)往項目附近電廠銷售。

目前塞爾維亞已成功應(yīng)用該開采方式。在過去的20 年里，該技術(shù)開始只是作為一個試驗(yàn)性質(zhì)的嘗試在貝爾格萊德東部礦區(qū)小范圍使用，后來在開采技術(shù)上做了更進(jìn)一步的改進(jìn)和升級，雖然目前實(shí)際應(yīng)用的礦山生產(chǎn)規(guī)模較小，但該技術(shù)仍然是一種十分有效的開采手段[8]。

6 結(jié) 語

采用疏浚開采方式進(jìn)行水下采煤目前在世界上也是比較少見的，特別是在水深超過30 m 深度范圍。目前塞爾維亞已有礦山采用疏浚開采法進(jìn)行小規(guī)模的煤炭開采，對該方法的應(yīng)用有一定借鑒意義，但利用該方法進(jìn)行大規(guī)模的煤炭開采，對設(shè)備的要求有其特殊性，需要進(jìn)一步的理念創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新并形成一個完整的應(yīng)用體系。