CN109944592B

CN109944592B - 拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法

Info

Publication number: CN109944592B
Application number: CN201910243217.8A
Authority: CN
Inventors: 刘喜顺; 白润才; 曹博; 陶亚彬
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN109944592A

Abstract

本发明提供一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，涉及露天煤矿拉斗铲倒堆工艺中抛掷爆破技术领域。包括：构建所研究矿区的三维矿床地质模型并划分采掘带；计算各采掘带煤层的平均厚度；计算拉斗铲进入断陷带区域后的年平均倒堆能力V_拉和单斗卡车的辅助生产能力V_辅；计算倒堆系统的整体生产能力V_系统；计算有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数；对所研究矿区的横向坡度和纵向坡度的抛掷爆破台阶高度进行调整。本方法解决了露天矿开采过程中由于煤层断陷带而引起的地质条件变化对拉斗铲倒堆剥离工艺产生的影响，在确保爆破质量的同时降低爆破成本，提高过断陷带期间拉铲的作业效率，减小倒堆二次剥离量，提高了露天矿的经济效益。

Description

拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法

技术领域

本发明涉及露天煤矿拉斗铲倒堆工艺中抛掷爆破技术领域，具体涉及一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法。

背景技术

露天矿在开采的过程中由于煤层断陷带而引起的地质条件变化，使原有开采工艺系统布置、开采参数、开采程序等均相应地发生了变化，同时逆掩断层的存在，使煤层局部重叠，给煤台阶的正常爆破、开采也带来了不利影响。尤其是对采用拉斗铲倒堆剥离工艺的露天矿影响更大，因此为了确保爆破质量、降低爆破成本，需要根据开采参数的变化对拉斗铲倒堆高台阶抛掷爆破台阶高度重新进行优化设计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，在保证爆破质量的同时大大降低了爆破成本，可广泛应用于露天煤矿拉斗铲高台阶抛掷爆破设计的过程中。

为了实现上述目的，一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据所研究矿区的采煤工作线年推进度分析各工艺年作业量，从而构建所研究矿区的三维矿床地质模型，划分采掘带；

所述所研究矿区的三维矿床地质模型的公式如下：

式中：M_抛为抛掷爆破年有效作业量，m³；H_抛为抛掷爆破台阶高度，m；l_抛为抛掷爆破工作线长度，m；λ为抛掷爆破松散系数；f(H_抛)为有效抛掷率；M_煤为原煤年产量，t；H_煤为煤层平均厚度，m；l_煤-原煤开采工作线长度，m；γ为原煤容重，t/m³；M_倒为倒堆系统年作业量，m³；η为二次倒堆占比；

步骤2：根据所构建的三维矿床地质模型，计算各采掘带煤层的平均厚度；

步骤3：根据所研究矿区的拉斗铲实际倒堆工作线长度、拉斗铲作业走行频繁程度和现场实际作业中有效抛掷效率，计算拉斗铲进入断陷带区域后的年平均倒堆能力V_拉和单斗卡车的辅助生产能力V_辅，再根据拉斗铲进入断陷带区域后的年平均倒堆能力V_拉和单斗卡车的辅助生产能力V_辅，计算倒堆系统的整体生产能力V_系统；

步骤4：根据所研究矿区的抛掷爆破典型爆堆横剖面图，对以往的爆堆曲线进行数据拟合，得到有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数；

所述有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数如下式所示：

f(H_抛)＝AH_抛 ²与BH_抛与C；

式中：A、B、C均为常数，表示有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系的一元二次函数中的系数；

步骤5：对所研究矿区的横向剖面进行多组切割，以保证多组区域台阶的横向坡度接近同一数值为原则，对所研究矿区的横向坡度抛掷爆破台阶高度进行调整；

步骤6：在不影响有效抛掷率的前提下，结合满足钻机正常作业安全性的条件，对所研究矿区的每条采掘带纵向坡度的抛掷爆破台阶高度进行调整，得到最终调整后各采掘带抛掷爆破台阶的平均高度。

本发明的有益效果：

本发明提出一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，解决了露天矿开采过程中由于煤层断陷带而引起的地质条件变化，对拉斗铲倒堆剥离工艺产生的影响，在拉铲过断陷带区域期间通过重新设计拉铲倒堆台阶高度，可以确保爆破质量、降低爆破成本及提高过断陷带期间拉铲的作业效率，减小倒堆二次剥离量，降低煤层断陷带对露天矿产能的影响，提高了露天矿的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法的流程图；

图2为本发明实施例中剥离台阶划分方式示意图；

图3为本发明实施例中采掘带划分与剖面位置图；

图4为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度35m条件下剖面图；

图5为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度40m条件下剖面图；

图6为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度45m条件下剖面图；

图7为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度50m条件下剖面图；

图8为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度与有效抛掷率关系图；

图9为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度与倒堆系统生产能力、原煤平均厚度关系图；

图10为本发明实施例中抛掷爆破台阶高度均衡图；

图11为本发明实施例中序号1的采掘带抛掷爆破台阶高度设计(43m)图；

图12为本发明实施例中序号2的采掘带抛掷爆破台阶高度设计(44m)图；

图13为本发明实施例中抛掷爆破台阶坡面修正前图；

图14为本发明实施例中抛掷爆破台阶坡向修正后图；

其中，1、倒推台阶；2、煤层；3、爆堆曲线；4、倒推排土场。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，流程如图1所示，具体包括以下步骤：

本实施例中，选取HDG露天煤矿作为研究对象，其6煤顶板以上约45m厚度岩石剥离采用抛掷爆破-拉斗铲倒堆开采工艺，受设备作业坡度及抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺系统生产能力限制，此部分剥离台阶采用倾斜分层方式，其他剥离台阶采用单斗-卡车工艺，台阶水平分层，最终剥离台阶划分方式如图2所示。

步骤1：根据所研究矿区的采煤工作线年推进度分析各工艺年作业量，从而构建所研究矿区的三维矿床地质模型，划分采掘带。

本实施例中，为保证完成原煤生产计划，HDG露天煤矿采煤工作线年推进度如公式(1)所示：

式中：T为采煤工作线年推进度，m；M_煤为原煤年产量，t；l_煤-原煤开采工作线长度，m；H_煤为煤层平均厚度，m；γ为原煤容重，t/m³。

而各工艺环节的推进度至少应与采煤工艺工作面保持一致，则各工艺年作业量如公式(2)和公式(3)所示：

式中：M_单斗为剥离黄土、上部岩石的单斗-卡车工艺年作业量，m³；H_单斗为单斗-卡车工艺剥离台阶总高度，m；l_单斗为单斗-卡车剥离工艺工作线长度，m；M_抛-倒为爆破后下部岩石的松方量，m³；H_抛为抛掷爆破台阶高度，m；l_抛为抛掷爆破工作线长度，m；λ为抛掷爆破松散系数。

但由于物料爆破后膨胀，且拉斗铲倒堆作业存在二次倒堆量，因此抛掷爆破-拉斗铲倒堆综合工艺实际作业量比爆破后的岩石松方量大，年有效抛掷量及倒堆系统作业量(松方)，即HDG露天煤矿的三维矿床地质模型如下公式(4)和公式(5)所示：

式中：M_抛为抛掷爆破年有效作业量(进入排土场物料量)，m³；f(H_抛)为有效抛掷率；M_倒为倒堆系统年作业量，m³；η为二次倒堆占比，15％。

本实施例中，基于2018年末计划工程位置、拉斗铲倒堆顶盘面模型、6煤顶底板面模型、断层面模型、二采区开采境界等，按拉斗铲倒堆剥离台阶85m采掘带宽度沿工作帮推进方向划分条带，并沿垂直于工作线方向布置18组剖面，最终得到的采掘带划分与剖面位置如图3所示。

本实施例中，HDG露天煤矿各采掘带煤层的平均厚度如表1所示。

表1各采掘带煤层平均厚度

步骤3：根据所研究矿区的拉斗铲实际倒堆工作线长度、拉斗铲作业走行频繁程度和现场实际作业中有效抛掷效率，计算拉斗铲进入断陷带区域后的年平均倒堆能力V_拉和单斗卡车的辅助生产能力V_辅，再根据拉斗铲进入断陷带区域后的年平均倒堆能力V_拉和单斗卡车的辅助生产能力V_辅，计算倒堆系统的整体生产能力V_系统。

本实施例中，HDG露天煤矿的实际情况是：当前，其拉斗铲实际倒堆工作线已经缩短至1550m，相比于首采区，拉斗铲作业走行频繁，其作业效率将会有明显下降，且现场实际作业中有效抛掷效率难以稳定保持，因此实际值将会比理论值低，研究中将理论分析与现场工程实践情况相结合，对2018、2019年各工艺环节工程量进行估算，并给出关键的工艺参数设计，具体如下：

根据矿方2016～2017年统计数据，拉斗铲进入二采区后年平均倒堆作业量约1680万m³，进入断陷带区域后，拉斗铲效率会进一步下降，按照1600万m³/a保守估计。倒堆系统内投入1台WK-55、1台EX3600、4台930E型卡车参与爆堆上分层剥离与平盘拓展作业，其中EX3600主要进行刷帮辅助作业，WK-55作为倒堆作业主要设备，其年作业量约为1000万m³，因此倒堆系统整体生产能力约为2600万m³。

步骤4：根据所研究矿区的抛掷爆破典型爆堆横剖面图，对以往的爆堆曲线进行数据拟合，得到有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数。

所述有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数如下公式(6)所示：

f(H_抛)＝AH_抛 ²+BH_抛+C (6)

式中：A、B、C均为常数，表示有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系的一元二次函数中的系数。

再根据现场经验对系数C进行修正，得到新的系数C_修，进行保守设计。

本实施例中，所研究矿区的抛掷爆破典型爆堆横剖面图如图4到图7所示，对以往的爆堆曲线进行数据拟合，得到有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度满足以下关系：

f(H_抛)＝-0.0001H_抛 ²+0.0119H_抛+0.0457；

根据图8得到：台阶高度在36～44m范围内基本以0.4％/m递增，但超过44m后其增速逐渐降至0.2％/m甚至0.1％/m，即抛掷台阶高度与有效抛掷率呈非线关系。在黑岱沟露天煤矿的特定岩性、炸药性质以及采用扩展平盘的作业方式下，最大有效抛掷率约为39％，考虑到断陷带期间采场推进方向煤层存在倾角，研究根据现场经验给出0.9的修正系数，进行保守设计，如图8所示。

由于抛掷爆破作为拉斗铲倒堆系统的前置环节，到倒堆系统作业能力的制约，因此存在合理的抛掷爆破台阶高度，既保证综合开采工艺系统的接续稳定，又尽可能不降低有效抛掷率，研究中根据拉斗铲推进度确定最大可行的抛掷爆破台阶高度，进而确定有效抛掷量。结合公式(5)得到得抛掷爆破台阶高度、原煤厚度、倒堆系统生产能力三轴图进而可以得到三者之间的关系，如图9所示。

在倒堆系统不额外增加剥离设备的条件下，倒堆系统整体生产能力约为2600万m³/a，因此根据图9可以得到原煤厚度与抛掷爆破台阶高度关系如表2所示。

表2原煤厚度与抛掷爆破台阶高度关系参考表

抛掷台阶高度(m)	38	39	40	41	42	43	44
								煤层厚度(m)	27.7	28.2	28.7	29.2	29.7	30.2	30.8
抛掷台阶高度(m)	45	46	47	48	49	50	51
								煤层厚度(m)	31.8	32.4	32.9	33.9	34.9	35.9	36.9

根据倒堆系统整体生产能力约为V_系统，根据抛掷爆破台阶高度、原煤厚度、倒堆系统生产能力之间关系，并通过公式(4)验算可得各幅抛掷爆破台阶高度设计结果如表3所示。

表3抛掷爆破台阶高度设计值

从表3中可以看出，随着煤层厚度的增加，抛掷爆破台阶高度不断增加，但考虑到现场作业时，抛掷爆破台阶高度变化不宜频繁，且前后幅变化不宜过大，因此在保证一年周期单位内(约推进4幅)不影响露煤量的前提下，对抛掷爆破台阶高度进行线性调整，本实施例中采用直线逼近调整，如图10所示，具体结果如表4所示。

表4均衡后的抛掷爆破台阶高度

步骤5：对所研究矿区的横向剖面进行多组切割，以保证多组区域台阶的横向坡度接近同一数值为原则，对所研究矿区的横向坡度抛掷爆破台阶高度进行调整。

本实施例中，为保证现场施工作业相对简单，控制点要相对合理，最终使得抛掷爆破工作面相对平缓，尽可能减少作业面的坡度调整，因此，考虑到煤层存在起伏，抛掷爆破台阶高度也是一个理论值，实践中就要尽可能的保证大部分区域台阶高度要接近同一数值，工作面具体设计如下：

(1)在表计算结果的基础上进行调整；

(2)为保证现场施工作业相对简单，控制点要相对合理，最终使得抛掷爆破工作面相对平缓，尽可能减少作业面的坡度调整；

(3)抛掷爆破台阶高度要尽可能控制在所设计的抛掷爆破台阶高度理论值附近，台阶高度最底不得小于35m，最高不得超过55m；

(4)由于北开采境界已圈定，受北端帮破碎站布置水平限制，抛掷爆破台阶北部应与端帮路搭接，最低不得低于35m，如图11和图12所示。

其他各采掘带基于横向坡度限制的抛掷爆破台阶高度调整方法同上。

本实施例中，考虑抛掷爆破台阶设计是否合理，一方面要考虑不影响有效抛掷率，另一方面要考虑钻机正常作业的安全性是否能够满足。按照钻机安全作业规程：钻机作业地点必须安全可靠，抛掷爆破钻机距坡顶不得小于5m，松动爆破距坡顶不得小于3m，遇到散檐、裂隙、危石或松散物应当适当加大。边排作业时钻机履带应垂直于台阶坡顶线或调角布置(最小夹角不得小于45°)。而根据钻机现场实际作业要求，一般钻机所站立的横向工作面坡度不得大于4％，纵向向工作面坡度不得大于5％，因此所设计的抛掷爆破台阶横向坡度如表5所示。

表5各采掘带钻机站立局部横向坡面角度范围

采掘带序号	1	2	3	4	5
						坡度范围	1.3％～2.4％	1.1％～2.0％	1.1％～3.9％	1.5％～3.1％	1.7％～3.8％
采掘带序号	6	7	8	9	10
						坡度范围	0～1.4％	1.4％～2.3％	1.4％～2.6％	1.3％～3.1％	1.4％～4.0％

本实施例中，拉斗铲过断陷带期间，经过对抛掷爆破站立台阶坡面进行设计和调整，钻机作业时一般坡面基本水平，而局部站立坡面角度如表5，按照现场实际作业坡面角不得大于4％条件下，进入断陷带后，钻机作业所站立坡面满足现场作业要求。若抛掷爆破台阶按照图11、图12等坡面设计，仅能满足钻机横向作业条件，而钻机纵向作业条件有些局部点需要修正，修正之前如图13所示。

按照钻机纵向作业坡度需要小于4％的条件要求，对不满足条件的采掘带中的各点进行局部范围内的调整，调整后的抛掷爆破坡面如图14所示。

按设备作业坡度限制调整后各采掘带抛掷爆破台阶的平均高度如表6所示。

表6调整后各采幅抛掷爆破台阶平均高度

采掘带序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											平均高度/m	42	44	47	43	43	44	46	48	50	50

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述所研究矿区的三维矿床地质模型的公式如下：

；

；

式中：M_抛为抛掷爆破年有效作业量，m³；H_抛为抛掷爆破台阶高度，m；l_抛为抛掷爆破工作线长度，m；λ为抛掷爆破松散系数；f(H_抛)为有效抛掷率；M_煤为原煤年产量，t； H_煤为煤层平均厚度，m；l_煤—原煤开采工作线长度，m；γ为原煤容重，t/m³；M_倒为倒堆系统年作业量，m³；η为二次倒堆占比；

2.根据权利要求1所述的拉斗铲倒堆工艺抛掷爆破台阶高度设计方法，其特征在于，所述步骤4中有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系函数如下式所示：

；

式中：f(H_抛)为有效抛掷率；H_抛为抛掷爆破台阶高度，m；A、B、C均为常数，表示有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度关系的一元二次函数中的系数。