组合台阶开采技术在露天矿开采中的研究与应用

周志友

（准格尔旗金正泰煤炭有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

0 引 言

相对于其他开采方案，由于组合台阶开采方法在减少基建工程量、均衡生产采剥比等方面的优势，很早以前就在国外得到了广泛的应用。研究表明，国外一些较大型的露天煤矿通常将组合台阶开采工艺中的工作帮坡角控制在20°～30°之间[1]。

目前，我国露天煤矿通常采用单台阶等宽平台的缓帮开采方案，这种开采方案具有采场时空关系松弛，回旋余地大的优点，但是采用这种设计方案，露天煤矿通常会出现前期采剥比较大，后期采剥比低的问题，造成露天矿出现投资大、成本回收慢等缺点[2]，同时采用这种设计方案，露天矿的另一重要经济指标运距也较大，严重影响矿山的经济效益。因此，针对这一情况，1978 年，国内首次引入陡帮开采技术用于我国北方的部分大型露天煤矿的设计中，有效缓解了部分大型露天煤矿在建矿初期出现的采剥总量大，基建投入大，生产成本高的问题[3]。

1 组合台阶开采工艺介绍

传统的单台阶等宽平台的缓帮开采方案，在遇到上部台阶因各种原因难以推进时，容易造成露天矿生产组织困难，影响露天矿的持续发展。因此，对于露天矿，急需寻找一种技术可行、经济合理的陡帮开采技术，以此提高矿山的经济效益。陡帮开采技术是在矿山开采过程中，将工作帮上部分台阶划分为作业台阶，部分台阶划分为暂不作业台阶，通过对作业台阶和暂不作业台阶轮流进行采剥，使矿山的采剥工作刚好满足采矿的需要或者超前一点，达到最合适的剥离。在陡帮开采中，组合台阶开采方式是最典型的一种方法。组合台阶就是将工作帮上的开采台阶划分为一组一组的，每个组有一个工作台阶和若干个临时非工作台阶组成，在每个组上进行自上而下逐个台阶施工，以此提高间断性[4]。这种方式与传统的缓帮开采工艺有着本质的不同。

2 组合台阶开采的重要意义

1）组合台阶开采能够有效减少每年的征地工程量。总所周知，矿山的广场用地、采场用地以及排土场用地都需要大量的土地进行支撑。然而现在，很多大型的露天矿都面临的征地困难，征地滞后的问题，严重影响了露天矿的正常开采。因此，通过采用工作帮坡角较大的组合台阶开采方式，能够有效减少每年矿山开采的土地需要量，在保证露天矿正常生产，经济效益稳步实现的同时，为解决征地问题赢取更多的时间[5]。

2）组合台阶开采能够有效均衡矿山的剥采比。剥采比是露天煤矿重要的经济指标之一，采用组合台阶开采能够灵活调整矿山的剥采比，避免出现剥采比失调和生产上的“马鞍形”现象的出现，保证矿山的可持续发展。尤其是在煤炭行业不稳定的情况下，使用灵活的组合台阶开采调控矿山的剥采比，能够最大化实现资金的时间价值，保证矿山的经济效益，在煤炭行业低迷时，降低剥离量，减少资金投入，降低生产成本，在煤炭行业兴盛时，增加剥离量，提高产量，提高经济效益。

3）组合台阶开采能够有效减少运距，降低运输成本。组合台阶开采的工作帮坡角较大，使得采场和排土场的距离降低，降低卡车的运距，提高施工效率的同时，减少运输成本。

4）组合台阶开采有利于采场的边坡稳定。相对缓帮开采工艺，组合台阶开采工艺的永久边坡形成较晚，这就造成边坡的服务时间缩短，有利于边坡的治理和维护。

3 组合台阶开采工艺特点

组合台阶开采在穿爆环节、采掘环节、运输环节及准备首采工作面等方面均与缓帮开采不一样[6]。

3.1 穿爆环节

由于在组合台阶开采时，有一部的台阶是暂不开采的台阶，这一部分台阶就会成为爆破岩块的缓冲台阶。当爆破时，由于暂不作业的台阶宽度小于爆破的旁冲距离，爆破后形成的大部分岩块就会落到在暂无作业平台和坑线上，不会影响下部坑线的运输。但若是不辅助设置暂不作业平台时，由于平台宽度远远小于爆破旁冲距离，大量爆破后产生的岩石就会将下部的坑线掩盖，影响下部坑线的正常运输。因此，针对这一情况，通常采用控制爆破技术和调整暂不作业工作平台的宽度解决，在爆破时首选选用有利于提高工作帮坡角的爆破方式，同时根据爆破旁冲距离的大小，调整暂不作业平台宽度，一般暂不作业平台宽度适当小于爆破旁冲距离，这样有利于爆破后产生的爆破物大部分能够留在本平盘上，减少恢复通车所需的清理工程量，提高施工效率。

3.2 采掘环节

对于缓帮开采来说，一般情况下，缓帮开采是使用多台电铲在不同的工作台阶同时进行工作，在出现几个工作台阶产出不平衡时，需要及时调整电铲，以达到均衡采出量的效果，因此，在缓帮开采时，需要频繁调动电铲[7]。而在组合台阶开采时，电铲在完成每一组台阶开采循环后，会将电铲从最下部的工作台阶调整至最上部的工作台阶，进入下一循环的的组合台阶开采，进入循环作业模式，因此，随着开采工作的进行，电铲会以掘坑线连续作业的方式进行开采，电铲的来回调动频率会大幅度减少[8]。

3.3 运输环节

组合台阶开采在坑线系统移设和布置方式以及卡车的运行方式方面均与缓帮开采不同。

坑线系统移设和布置方式方面。组合台阶开采一般情况下将开采的运输系统布置在非暂不工作帮上。坑线布置根据工作线长度、坑线系统数和组合台阶一组中的台阶数，分为回返式和直进式2 种布置方式。坑线系统的布置位置和形式并非一成不变的，而是根据现场实际情况随时进行调整的。在组合台阶开采过程中，由于上部台阶的不断扩帮、下部新台阶的形成，甚至随着开采台阶工作线长度的不断变化以及外部运输出口的变化等，都需要向右、向左甚至反方向布置坑线的位置和形式[9]。只要能够保证运输线路在坑线移期间的正常使用，初始工作面的准备方法都可根据现场实际情况进行调整。

卡车运行方面。组合台阶开采在卡车运行方面相对于缓帮开采不够灵活。这是受限于组合台阶开采的特点：一是因为组合台阶暂不作业的工作平台相对宽度较窄；二是暂不作业台阶上堆满了爆破后产生的岩石，因此，在一个采掘区通常只有一个岩石运输的出口，卡车只能在工作台阶上进行轻重车双向行驶。而缓帮开采采掘区一般有2 个用于运输的出口，因此可以实现轻重车分向行驶，在车辆运输方面，形式相对灵活。

3.4 首工作面准备

组合台阶开采特有的工艺环节就是准备首采面。在组合台阶开采过程中，需要先进行首采面的准备工作，只有首采面准备出来后，才可以通过将工作台阶不断进行向下转移形成新的采掘工作面，同时建立新采掘工作面和上不平盘相连通的运输线路。

4 组合台阶实例分析

内蒙古某露天矿主采煤层为6 号煤层，煤层全区发育，自然厚度最大39.54 m，最小0.4 m，平均21 m，煤层含有10 层夹矸，首采区煤厚在27.7～29.3 m之间。岩层上面为黄土层，最大厚度70 m，最小厚度20 m，平均40.2 m，岩层厚度在50～130 m 之间，平均100 m。矿区黄土层较薄，岩层较厚。上覆岩层以中硬岩层为主，因此，开采时需进行松动爆破。

矿山采用的剥离工艺为单斗-卡车间断的开采工艺，采用单斗-卡车-半固体破碎站配合带式输送机进行半连续开采工艺，采用多出入沟、移动坑线开拓工作帮的开拓方式，水平分层、端平面平装车的剥离方式，顶板露煤、倾斜分层的采煤方法。开采参数见表1。

表1 内蒙古某露天矿开采参数表

近年来，由于露天煤矿征地问题越来越突出，严重制约了露天矿的持续发展，在这种情况下，如何保证采场上部台阶的正常推进，保证生产接续，成为露天煤矿最急需解决的问题。

4.1 组合台阶开采的参数选择

为保证组合台阶开采的合理性，根据矿山矿体赋存条件、矿山规模的大小、各环节设备的生产能力以及采场的推进方向等各个方面的因素，组合台阶的参数应遵循：一是满足矿山的生产规模或者推进速度；二是不超过矿山各环节设备的生产能力；三是与原来的生产工艺和技术条件适应，不能出现较大的改动，避免前期投入的工程量不能发挥正常作用；四是最大限度提高工作帮坡角，减少设备的移动评率，提高施工工效。遵循这一原则，内蒙古某矿采用的组合台阶开采示意图如图1 和图2 所示。

4.2 组合台阶工作平盘宽度的确定

组合台阶工作平盘的宽度应该满足爆堆宽度的需要，同时满足各类设备的正常运行以及正常通行。因此，工作平盘的宽度应该是爆堆宽度、爆堆坡底线距运输道路的距离、道路宽度、道路外侧距下一台阶安全坡顶线的距离和安全宽度等距离的之和，其中，道路宽度根据卡车的运行方式和尺寸大小而定。因此，为保证内蒙古某矿的生产可靠性，根据实际现场情况，将工作平盘宽度定为80 m。

4.3 临时非工作盘宽度的确定

作为实践的矿山，其临时非工作盘宽度作为辅助运输道路和爆堆地点，因此，其宽度应该为运输设备安全通行的最大宽度和爆堆宽度之和。在综合考虑现场实际，尽可能减少工程投入量的情况，设计内蒙古某矿的临时非工作盘宽度为40 m。

图1 组合台阶开采平面示意图

图2 组合台阶开采剖面示意图

5 组合台阶设计方案与原等宽设计方案对比分析

按照采出相同煤量所需的剥离量、设备能力需求、外包工程量、剥采比、需要的征地面积等各项参数进行对比，对组合台阶设计方案与原等宽设计方案2套方案的优劣。需要说明的是，目前内蒙古某矿的电铲、装载机等的采掘设备能够满足组合台阶的需要。

表2 组合台阶设计方案与原等宽设计方案对比表

通过对比表发现，咋子采出相同煤量的前提下，组合台阶开采相对与等宽台阶开采，无论是剥离量、外包工程量、需征地面积等各项数据都要小。剥离量的减少，为矿山大大降低了矿山前期的投资成本，提高矿山抵抗风险的系数，同时征地面积的大幅度减少，对于存在征地问题的内蒙古某露天煤矿具有重要意义。

6 结 论

1）通过对组合台阶开采工艺进行理论分析和现场实际应用，表明在采出相同煤量的前提下，组合台阶开采能够有效减少采剥比，减少矿山前期投入资金，实现资金时间价值最大化。

2）采用组合台阶开采工艺能够有效减少征地面积，为矿山接续正常提供保障，减少征地问题对矿山持续生产的影响。

3）通过采用组合台阶开采工艺，能够根据市场变化，能够及时调整剥离量，使生产剥采比达到最优，实现利润最大化。

4）通过分析对比，组合台阶开采工艺具有良好的前景，在露天煤矿开采中，具有广阔的空间。