魏世壮

（中煤平朔集团有限公司 安太堡露天矿，山西 朔州036000）

排土工作的任务就是选择合理的排土工艺、制定排土参数、选择排土设备，组织排土工序,各环节紧密配合，发挥排土场的最大能力，保障露天矿的持续均衡生产[1-2]。露天矿的排土工艺主要分为推土犁排土、带式排土机排土、机械铲排土、推土机排土。安太堡露天矿采用的是推土机排土工艺，这种工艺需要推土机和自卸卡车配合作业，卡车-推土机排土又可分为边缘排土和场地排土2 种作业方式，安太堡矿主要采用的是边缘排土，即卡车以后退的方式排卸土岩，一般卡车后轮距离排土台阶坡顶线约1.5 ～3.0 m，物料即可排弃到边坡之下，为了保障安全卸载，防止排土台阶下沉，需在台阶坡顶处设置土棱作为车档，使排土场坡顶面形成不小于2%的反向坡度，边缘排土主要适用于岩石坚硬，边坡稳定的排土场。露天矿排土场分为内排土场和外排土场，外土场需要占用大量的土地，还会造成环境污染，所以露天矿只要具备内排条件就会选用内排土场进行物料排弃。露天矿排土场的工艺选择、参数确定、排土程序等对露天矿经济效益以及边坡稳定具有重要意义[3]。

1 安太堡露天煤矿概况

安太堡露天矿主要采掘3 层煤层，自上而下为4#煤、9#煤、11#煤，矿坑在向东推进的过程中，遇到楼子沟背斜区，受背斜影响，矿坑由近水平煤层变为倾斜煤层，煤层平均倾角达到8°～12°，局部最大倾角24°，背斜区地表和基岩下降50～100 m，煤层下降更为剧烈，最大下降超270 m，11#煤底板标约1 050 m 水平。

1）背斜区开采情况。受背斜区影响，煤层由水平变为倾斜后，开采方式将由水平推进变为延深与推进并存，而且以延深为主，端帮道路需要不断延深降段才能与采场搭接。过背斜期间由于11#煤底板倾角较大，11#底板已不具备内排条件，排土场已不能向东跟进，背斜区范围纵向1.2 km，横向2.3 km，随着东部工作平盘的不断延深，端帮道路在矿坑延深拉沟位置已不能延深至最下部水平，导致下部平盘需经过采场折返去往端帮道路，再经过土场道路折返去往内排土场加高排弃，过背斜期间采排关系示意图如图1。

图1 过背斜期间采排关系示意图

2）过背斜前以及过背斜期间数据对比。以2011年安太堡矿过背斜前以及2018 年过背斜期间数据为例，对2 年的卡车、电铲能力以及柴油、轮胎单耗做对比，可以看出卡车、电铲能力明显下降，卡车效率下降37%，电产能力下降24%，柴油、轮胎单耗明显提高，柴油单耗及轮胎单耗提升至1 倍左右，安太堡矿过背斜前以及过背斜期间数据对比见表1。

表1 安太堡矿过背斜前以及过背斜期间数据对比

2 过背斜期间南部并帮区改造

南部并帮区排土是在安太堡矿南部缩界区改造的背景下进行的。由于安太堡矿煤层底板倾角较大，内排土场不能及时跟进，剥离物只能加高加远排弃，这样就会导致运输成本居高不下，为解决成本问题，开采程序的改造势在必行。安太堡矿内排空间不足，减少剥离量是解决安太堡矿排土空间不足的有效途径，故提出缩短采掘工作线长度来减少排土量[4]。

1）合理工作线的确定。合理的工作线长度对露天采矿至关重要，根据安太堡矿生产能力、推进度、煤层平均厚度、煤的密度等指标，最终确定安太堡矿合理的工作线长度为1 400 m，为减少过背斜期间的剥离量[5-6]，坑底工作线由原来的2 km 缩短为1.1 km 左右，过背斜之后工作线逐渐恢复到合理工作线长度，矿坑工作线示意图如图2。

2）南部缩界区开拓运输系统。安太堡矿并帮区自上而下进行组合台阶改造，每2 个工作平盘合并成1 个台阶，中间留有10 m 的保安平台，每2 个平盘留设1 个40 m 的运输平盘，从上到下依次形成1 240、1 210、1 180、1 150、1 120 m 水平永久运输道路，剥离物料经工作帮移动坑线经并帮区道路、南帮运输道路去往外排土场（南寺沟排土场）以及缩界区内排土场进行排弃。靠帮之后的缩界区将会优先于矿坑北部采出原煤，充分释放缩界区排土空间。

图2 矿坑工作线示意图

3 缩界区排土规划

3．1 排土参数

根据排弃物料性质、地形特点、气候条件，确定卡车分台阶多段排弃，卡车排土工作平盘形成3%～5%的反坡，坡顶由推土机堆成大于1．5 m 高的挡车土堤，排土时在靠近台阶坡顶线卸载或远离坡顶线卸载再由推土机推下。

1）内排土场最终帮参数[7]。内排土场最终帮是指在矿坑使用的排土场，各平盘均排弃到设计位置，停止继续排土后全部边帮平盘的组合。为保证内排土场边坡稳定性，内排土场最终平盘宽度确定为55 m，内排土场最终帮典型断面如图3。

2）内排土场工作帮参数。内排土场工作帮是指在矿坑采矿工程发展过程中，排土场各工作平盘自上至下的组合。内排土场工作帮典型断面图如图4。

图3 内排土场最终帮典型断面图

图4 内外排土场工作帮典型断面图

3）内排土场最小工作平盘宽度。卡车运输推土机排土内排土场最小工作平盘确定为65.6 m，卡车运输推土机排土最小工作平盘示意图如图5。

图5 卡车运输推土机排土最小工作平盘示意图

式中：B 为最小平盘宽度，m；L1为台阶边缘安全宽度，一般取2 m；L2为计算卡车全长，取15.6 m；L3为双车道路面宽度，取40 m；e 为大块滚动距离，取8 m。

3.2 排土场建设

2019—2021 年南部缩界区排土场发展规划如图6。

图6 2019—2021 年南部缩界区排土场发展规划

1）2019 年南部缩界区内排土空间较大，因此内排土场的建设由南向北逐步发展，当排弃至1 105 m 采场水平时，排土台阶以一定安全距离追踪排弃，当1 120 ~ 1 270 m 排土平盘建立起来后排土台阶随之向前跟进排弃即可。2019 年缩界区排土标高1 270 m 共6 个排土台阶，计划排土量4 200 万m3。

2）2020 年南部缩界区计划新起1 300 m 水平排土台阶，南部缩界区已经基本排弃到界，排弃标高1 300 m，其上部仍有空间可排弃。1 300 m 以下排土台阶可做新的南部端帮。计划排土量1 500 万m3。

3）2021 年南部缩界区在2020 年的1300 排土平盘上部再排弃1 个排土台阶排弃至1 330 m 水平，计划排土量1 500 m3。

4 边坡稳定性

南帮缩界区排土后，经过3 年规划的排土方案，缩界区将形成高度达200 m 以上的排土边坡，同时在排土场坡底将形成高约100 m 的采场端帮边坡，此时排土场边坡和采场边坡将形成高度300 m 以上的土-岩复合边坡，存在极大的滑坡隐患[8]。因此，开展安太堡矿南部缩界区边坡稳定性研究，有效解决过背斜期间遇到的困难，扭转生产经营的被动局面，确保矿山安全、经济、高效运行具有重要意义。

1）南部缩界区排土场物力力学参数。通过综合考虑和分析，得到的安太堡矿南部缩界区排土场力学参数见表2。

2）稳定性分析方法选取以及安全储备系数的确定。本次稳定计算利用GEO-SLOPE 计算软件，采用Morgenstern-Price 方法计算边坡稳定性系数。根据目前对安太堡露天矿背斜区地质条件、构造条件及边坡重要程度等情况进行考虑，本次稳定计算安全储备系数的选取充分考虑边坡稳定的时效特性，出于安全考虑，对于内排土场边坡，选取边坡安全储备系数为1.2（服务年限小于10 年）计算。

3）南部缩界区未来3 年设计排土工程边坡稳定计算结果分析。排弃物料型滑动是指滑坡集中发生在排弃物料内部，在排土段高达到一定数值后，由于外荷载作用诱使排弃物压密，变形增大，处于极限平衡后，排土场后部区在自重载荷下先期压实沉陷而形成的主动楔形区，在其它外力或降雨等因素的诱发下，下部阻挡被动楔体难以支撑，导致滑坡。通过对未来3 年南部缩界区设计排土工程典型地质剖面进行分析，得出2019—2021 年边坡稳定性计算结果均满足安全储备系数要求。

表2 安太堡矿南部缩界区排土场力学参数

5 结 语

针对安太堡露天矿过芦子沟背斜期间煤层底板倾角大、内排空间不足等问题，优先采出南部缩界区域的4#、9#煤，在保证边坡稳定性计算结果满足安全储备系数要求条件下，利用此区域的空间进行排土，可腾出排土空间7 200 万m3，达到充分利用内排空间和保证露天矿产能顺利衔接的目标，扭转安太堡矿受复杂地质构造影响下生产被动局面，并帮区排土可节省卡车运距2 000 m 左右，大幅降低露天矿运输成本，经济效益显著。