基于运输平盘宽度优化的靠帮开采与经济效益

潘朝港，陈树召，王靖伟

(中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

在采用汽车运输且运输能力要求大的露天煤矿中，所设计的运输平盘宽度往往较大。在露天煤矿生产过程中，若端帮运输平盘宽度较大，当开采达到最终境界时，设计的端帮边坡角往往小于满足稳定性系数的端帮边坡角，造成运输平盘压煤，对露天矿生产的经济效益造成一定影响。

运输平盘由运输道路、挡墙、排水沟以及安全距离等组成。刘利杰[1]以哈尔乌素露天煤矿为研究背景，在满足端帮边坡稳定的前提下，提出了最下端帮台阶不同宽度的靠帮开采方案，阐述了靠帮开采对端帮道路宽度的影响以及端帮下压煤回收对矿区经济效益的影响；时洪斌[2]针对既有高速公路通行的大型车辆会对铁路路基造成潜在安全隐患的问题，对车辆-护栏-挡墙碰撞机理进行分析，提出在高速公路路肩处设置波形护栏和混凝土挡墙的安全方案；韩万东等[3]通过阐述后温家梁露天煤矿的汛期概况和防洪工程中存在的问题，提出了防洪方案及今后解决问题的措施，对露天煤矿的防洪工程建设提供参考。借鉴以上工程建设方案的经验，笔者考虑采用减小挡墙宽度和排水沟宽度的方式来优化运输平盘宽度，实行靠帮开采，着力于提升矿区经济效益。靠帮开采是基于时效边坡理论，通过内排压帮增大暴露端帮的稳定性，提高端帮边坡角，增加煤炭资源回收量或者减少剥离工作量的开采方式，具有显著的经济效益[4-7]。

端帮稳定性满足规范要求是实行靠帮开采的依据和保障。韩流等[8]基于时效边坡理论和靠帮开采技术，提出了解决端帮易滑区压煤的条分式靠帮开采方案，在满足端帮稳定性要求的前提下提高了端帮边坡角；常永刚等[9]对安家岭露天矿南帮靠帮开采适用性进行了分析，指出安家岭露天矿能够适当增大端帮边坡角的具体原因，提出了南端帮靠帮开采方案；王振伟[10]以安家岭露天矿北端帮为例，采用相似材料模型和数值模拟相结合的方法，研究内排及削坡对露天矿边坡稳定性的影响；吴榕真等[11]利用强度折减法，对准东煤矿实行靠帮开采时南端帮稳定性进行动态分析。

本文以某露天煤矿为背景，为了提升生产的经济效益，采用减小端帮运输平盘宽度、提高端帮边坡角的靠帮开采方式，解决端帮压煤问题,进行基于端帮运输平盘宽度优化的靠帮开采方案研究，并分析其经济效益。

1 端帮运输平盘宽度分析

考虑露天煤矿运输能力要求大的现状，设计的端帮运输平盘宽度较大。运输平盘由运输道路、挡墙、排水沟以及安全距离等组成，运输道路包括2条卡车运输通道和1个平地车通道。

1) 运输道路。设计的运输道路包括2条卡车运输通道和1条平路机通道，能保证2辆卡车和1条平路机同时通过。

2) 挡墙。挡墙由松散剥离物料堆积而成，剖面形状大致是一个底边4.0 m，底角为物料自然安息角的等腰三角形，墙高1.5 m，如图1(a)所示。

3) 排水沟。排水沟的剖面形状呈一个非对称的V字形，沟深约0.5 m，沟底坡度分别为1∶1和1∶3，排水沟宽度约2.0 m，两侧各留有1.0 m的安全距离，如图1(b)所示。

图1 设计尺寸

4) 安全距离。安全距离分为卡车与排水沟安全距离，卡车与挡墙安全距离、卡车与平路机安全距离以及排水沟两侧安全距离等。设计的运输平盘宽度如图2所示。设计的运输平盘宽度的计算表达式为式(1)。

图2 设计的运输平盘宽度

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

(1)

式中：L为设计的运输平盘宽度；A为平路机宽度；B为安全距离；C为卡车宽度；D为设计的挡墙宽度；E为设计的排水沟宽度。

2 端帮运输平盘宽度优化

2.1 运输平盘宽度优化措施

在不变更运输设备和平地设备的基础上，采用改变挡墙以及排水沟形式的方法，减少挡墙宽度和排水沟宽度，达到优化端帮运输平盘宽度的目的。

1) 改变挡墙形式。采用修筑混凝土挡墙和放置水马围挡的“主墙辅挡”形式替换原来由松散物料堆积而成的挡墙形式。在“主墙辅挡”形式中，混凝土挡墙主要起到拦阻车辆和支撑水马围挡的作用；水马围挡起到缓冲车辆与混凝土挡墙撞击力的作用，同时引导和警示车辆。 ①混凝土挡墙。采用C30混凝土修筑挡墙，起到拦阻车辆的主要作用。修筑混凝土挡墙的推进方向与采场和内排土场的推进方向一致，随采随筑，随排随弃。混凝土挡墙的高度保持原来的挡土墙高度1.50 m，设计宽度为1.00 m。②水马围挡。用高密度聚乙烯材料制造，抗冲击强度约为20 kJ/m2，能吸收汽车与混凝土挡墙之间强大的冲击力，减少汽车的伤害。水马围挡的移设方向与采场和内排土场的推进方向一致。水马围挡长度为1.00 m，高度为1.80 m，上部宽度为0.08 m，下部宽度为0.40 m。 净重8～9 kg，搬运方便。 ③“主墙辅挡”形式。混凝土挡墙宽度为1.00 m；水马围挡下宽上窄，放置水马围挡增加宽度0.40 m。“主墙辅挡”形式整体宽度d为1.40 m。修筑混凝土挡墙和放置水马围挡的形式，相较于原来的挡墙而言，整体宽度由4.00 m减小到1.40 m，宽度减小量为2.60 m，如图3(a)所示。

2) 改变排水沟形式。采用开挖半(椭)圆形水沟和铺设半圆形PE水管的“管沟耦合排水”形式替换原来非对称的V形排水沟形式。在“管沟耦合排水”形式中，PE水管主要起到疏排水作用，同时为开挖的半(椭)圆形水沟提供支撑力，防止因震动导致水沟破坏；半(椭)圆形水沟起到固定PE水管的作用。①半(椭)圆形水沟。出于降低开挖半圆形水沟工艺难度的目的，允许开挖的水沟剖面形状为半椭圆形，大致接近于半圆形。 半(椭)圆形水沟的剖面形状大致为半径为0.6 m的下部半圆，该尺寸保持了原来的排水能力，两侧各留出0.5 m的安全距离，排水沟宽度e约为2.2 m。 ②半圆形PE水管。选用型号为1 200 mm口径PE水管，壁厚为57.3 mm，外径为1.2 m。③“管沟耦合排水”形式。半圆形PE水管耦合铺设在半(椭)圆形水沟上方。PE水管内壁光滑，相较于粗糙的水沟内壁水的流动性更好，而且PE水管的存在减少了从运输平盘地表向台阶深部渗透的水量，提升了台阶的疏排水性能，如图3(b)所示。

图3 优化尺寸

2.2 优化后端帮运输平盘宽度

优化后的运输平盘宽度如图4所示。优化后的运输平盘宽度的计算表达式为式(2)。

图4 优化后的端帮运输平盘宽度

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

(2)

式中：L0为优化后的运输平盘宽度；A为平路机宽度；B为安全距离；C为卡车宽度；d为“主墙辅挡”形式的宽度；e为半(椭)圆形水沟宽度。

2.3 运输平盘宽度优化的效益分析

1) 优化措施成本。运输平盘宽度优化措施增加的成本包括两部分：“主墙辅挡”新型挡墙成本和“管沟耦合排水”新型排水沟成本。“主墙辅挡”新型挡墙成本包括混凝土挡墙建设成本和水马围挡购置成本；“管沟耦合排水”新型排水沟成本包括水沟建设成本和PE水管购置成本。

混凝土挡墙建设成本，计算见式(3)。

W1=n×s1×a×w1

(3)

式中：W1为混凝土挡墙建设成本，元；n为端帮运输平盘个数，个；s1为混凝土挡墙截面积，m2；a为工作面年推进距离，m；w1为混凝土挡墙单价，取500元/m3。

水马围挡购置成本，计算见式(4)。

W2=n×a×w2/l

(4)

式中：W2为水马围挡购置成本，元；n为端帮运输平盘个数，个；a为工作面年推进距离，m；l为水马围挡长度，m；w2为水马围挡单价，取100元/个。

水沟建设成本，计算见式(5)。

W3=n×a×w3

(5)

式中：W3为水沟建设成本，元；n为端帮运输平盘个数，个；a为工作面年推进距离，m；w3为水沟建设单价，取1 000元/m。

PE水管购置成本，计算见式(6)。

W4=n×a×w4

(6)

式中：W4为PE水管购置成本，元；n为端帮运输平盘个数，个；a为工作面年推进距离，m；w4为PE水管单价，取10元/m。

2) 靠帮开采效益。在保证边坡安全的前提下，减小挡墙和排水沟的宽度，可以避免因为布置端帮道路而造成端帮边坡角减小的情况，因此可以与运输平盘宽度优化相结合实施靠帮开采。

根据需要，靠帮开采有两种方式。第一种方式是深部境界固定，地表境界内缩。该方式主要是为了减少端帮的剥离量。第二种方式是地表境界固定，深部境界外扩。该方式主要是为了增加端帮煤炭的回收量。本文基于端帮运输平盘宽度优化，以增加煤炭回收量、提高经济效益为出发点，采用靠帮开采的第二种方式。靠帮开采涉及的经济指标有剥离成本、采煤成本和开采煤炭销售收入。

靠帮开采剥离成本，计算见式(7)。

W5=S1×a×w5

(7)

式中：W5为靠帮开采剥离成本，元；S1为靠帮开采剥离面积，m2；a为工作面年推进距离，m；w5为剥离单位成本，取6元/m3。

靠帮开采采煤成本，计算见式(8)。

W6=S2×a×w6

(8)

式中：W6为靠帮开采采煤成本，元；S2为靠帮开采采煤面积，m2；a为工作面年推进距离，m；w6为采煤单位成本，取8元/m3。

靠帮开采采煤销售收入，计算见式(9)。

M=m×S2×a×ρ

(9)

式中：M为靠帮开采采煤销售收入，元；m为原煤单价，取100元/t；a为工作面年推进距离，m；ρ为原煤密度，取1.15 t/m3。

3 实例分析

某露天矿位于平朔矿区，采剥工作线由西向东推进，2个端帮分别为南帮和北帮。 端帮设置运输道路，7个运输平盘高程分别为+1 270 m、+1 240 m、+1 210 m、+1 180 m、+1 150 m、+1 122 m和+1 092 m。端帮压覆煤层分别为4号煤层、9号煤层和11号煤层。

3.1 运输平盘宽度优化

设计的运输平盘宽度，计算见式(10)。

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

(10)

式中：L为设计运输平盘宽度；A为平路机宽度，取5.0 m；B为安全距离，取2.5 m；C为卡车宽度，取930E卡车宽度8.5 m；D为设计的挡墙宽度，取4.0 m；E为设计的排水沟宽度，取4.0 m。因此，设计的运输平盘宽度L为40 m。

优化后的运输平盘宽度，计算见式(11)。

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

(11)

式中：L0为优化后的运输平盘宽度；A为平路机宽度，取5.0 m；B为安全距离，取2.5 m；C为卡车宽度，取930E卡车宽度8.5 m；d为“主墙辅挡”形式的宽度，取1.4 m；e为半(椭)圆形水沟宽度，取2.2 m。 因此，优化后的运输平盘宽度L0为35.6 m。设计的运输平盘宽度为40 m，因此端帮运输平盘宽度优化减少了4.4 m。

3.2 端帮稳定性分析

根据端帮边坡的初始形态，以4.4 m的优化宽度依次减小端帮7个运输平盘的宽度，得到靠帮开采后的边坡最终形态，基于运输平盘宽度优化的靠帮开采使端帮边坡角从原来的28°提高到30°。基于运输平盘宽度优化的靠帮开采如图5所示。

图5 基于运输平盘宽度优化的靠帮开采

随着边坡角的增大，稳定性系数下降。为了验证靠帮开采后端帮边坡的稳定性系数是否满足《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197-2015)(以下简称“规范”)的要求，因此运用Geo-Slope软件进行端帮边坡稳定性系数计算。北端帮地层岩性从上到下依次为第四系黄土、砂泥互层、4号煤层、砂岩、砂泥互层、9号煤层、砂泥互层和11号煤层。根据已有工程地质资料，各岩层岩性参数见表1。

表1 岩层岩性参数

北端帮稳定性分析模型如图6所示。采用Morgenstern-Price法，经过稳定性系数计算，得到靠帮开采使得端帮边坡稳定性系数从1.251下降到1.193，靠帮开采后的端帮边坡稳定性系数仍然满足规范要求的1.10。

图6 稳定性分析模型

3.3 经济效益分析

该露天煤矿的年推进距离为400 m，有端帮运输平盘7个。端帮运输平盘宽度优化措施增加的成本如下所述。混凝土挡墙建设成本W1=7×1.5×400×500=210万元。水马围挡购置成本W2=7×400×100/1.0=28万元。水沟建设成本W3=7×400×1 000=280万元。PE水管购置成本W4=7×400×10=2.8万元。因此，端帮运输平盘宽度优化措施增加的成本为W1+W2+W3+W4=520.8万元。计算靠帮开采效益时，为了方便描述，将7个运输平盘所服务的台阶分别按序号1～7排序，对应台阶范围及靠帮开采的采煤和剥离工程量见表2。

由表2可知，靠帮开采剥离面积共计2 937.4 m2，采煤面积共计811 m2。端帮靠帮开采的经济效益如下所述。 靠帮开采剥离成本W5=2 937.4×400×6=704.976万元。靠帮开采采煤成本W6=811×400×8=259.52万元。 靠帮开采采煤销售收入M=100×811×400×1.15=3 730.6万元。因此，靠帮开采收益为M-W5-W6=2 766.104万元。运输平盘宽度优化措施增加的成本为520.8万元。综上所述，基于端帮运输平盘宽度优化的经济效益为2 766.104-520.8=2 245.304万元。由此可见，基于端帮运输平盘宽度优化的经济效益十分显著。

表2 靠帮开采采剥工程量汇总

4 结 论

1) 采用修筑混凝土挡墙和放置水马围挡的“主墙辅挡”形式替换原来由松散物料堆积而成的挡墙形式，宽度减少2.6 m；采用开挖半(椭)圆形水沟和铺设半圆形PE水管的“管沟耦合排水”形式替换原来非对称的V形排水沟形式，宽度减少1.8 m，单一平盘宽度优化合计宽度减少4.4 m。通过改变挡墙和排水沟形式，使得7个端帮运输平盘宽度共减少30.8 m，宽度优化效果明显。

2) 靠帮开采后的端帮稳定性系数为1.193，仍然满足规范要求。“主墙辅挡”新型挡墙成本包括混凝土挡墙建设成本W1和水马围挡购置成本W2；“管沟耦合排水”新型排水沟成本包括水沟建设成本W3和PE水管购置成本W4，运输平盘宽度优化措施成本合计520.8万元，基于端帮运输平盘宽度优化的经济效益为2 245.304万元。