平朔东露天矿原煤输运通道稳定性分析.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月露天矿端帮设置原煤巷道运输系统适用于1在简单的地质条件能够保证安全的前提下，当巷道运输系统、卡车运煤与剥离运输成本和，小于破碎站设置于地表时的卡车运煤与带式输送机运输成本和时可以采用。安全性是首要考虑的问题，露天煤矿边坡角的确定、矿坑爆破的影响及大型设备在端帮干道行走对端帮内的原煤运输通道都存在一定的影响，如何判断端帮内原煤运输通道通是否稳定可靠，需经过理论计算、实际验证得出结果。1边坡对通道的影响1.1岩石力学分析煤矿岩石的抗压强度属于中硬岩类2，岩石的抗压强度由弱至强依次为泥岩寅粗砂岩寅砂质泥岩寅细砂岩寅中砂岩寅粉砂岩寅泥灰岩，松散土层为软岩。根据山西冶金岩土工程勘察总公司2008年11DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.026郑红升，张福新，孙增鹏.平朔东露天矿原煤输运通道稳定性分析 J.露天采矿技术，2023，38（3）：97原100.ZHENG Hongsheng,ZHANG Fuxin,SUN Zengpeng.Stability analysis of raw coal transportation channel inPingshuo East Open-pit Mine 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:97原100.移动扫码阅读平朔东露天矿原煤输运通道稳定性分析郑红升，张福新，孙增鹏（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）摘要：为验证露天矿非工作帮设置原煤运输通道的可行性，防止通道影响露天矿边坡稳定性，或露天边坡、爆破、地面设备行走影响通道的安全使用，在边坡稳定系数满足规范的前提下，分析边坡稳定系数与实际边坡角曲线和边坡与通道空间位置关系；依据爆破工艺参数计算爆破地震安全距离、爆破振动速度、爆破冲击波安全距离，按照矿内设备参数计算通道上部安全距离。结果表明：东露天矿非工作帮内设置原煤运输通道不影响边坡稳定性，且露天矿边坡、爆破、设备行走对通道安全使用也无影响。关键词：非工作帮；原煤运输通道；边坡稳定；边坡稳定系数；爆破中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0097-04Stability analysis of raw coal transportation channel in Pingshuo East Open-pit MineZHENG Hongsheng,ZHANG Fuxin,SUN Zengpeng（China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China）Abstract:In order to verify the feasibility of setting raw coal transportation channel in non working slope of open-pit mine,prevent the channel from affecting the slope stability of open-pit mine,or the safe use of the channel is affected by the open-pitslope,blasting and ground equipment walking,on the premise that the slope stability coefficient meets the specification,the articleanalyzes the relationship between the slope stability coefficient and the actual slope angle curve and the spatial position betweenthe slope and the channel.We calculate the blasting seismic safety distance,blasting vibration speed and blasting shock wavesafety distance according to the blasting process parameters.We calculate the upper safety distance of the channel according to themine equipment parameters.The results show that the setting of raw coal transportation channel in the non working slope of theeast open-pit mine does not affect the slope stability,and the slope,blasting and equipment walking of the open-pit mine do notaffect the safe use of the channel.Key words:non working slope;raw coal transportation channel;slope stability;slope stability coefficient;blasting收稿日期：2022-05-10责任编辑：张东旭作者简介：郑红升（1986），男，山西忻州人，工程师，硕士，2017 年毕业于武汉科技大学，从事露天煤矿生产相关技术工作。97露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 1矿南端帮边坡角与稳定系数关系月提供的 平朔东露天煤矿采场、排土场工程地质勘探及运煤通道检查孔勘探工程施工岩土工程勘察报告（详勘），结合矿区内安太堡、安家岭露天煤矿边坡揭露的情况，煤矿最终边坡不具有水压及无明显的弱层。因此，不需进行水压变化的敏感性分析，以及岩石强度随含水率变化的边坡稳定性敏感度分析。根据地质报告的试验资料以及相邻矿山的经验，得到的东露天矿边坡岩体力学强度指标见表1。煤矿水文地质条件简单，大气降水为地下水的主要补给来源，含水层补给量有限，奥灰岩溶水水压不高，无突水危险，地下水对边坡稳定的影响不大。地面采场最终边界边坡高度虽然有270 m，但边坡倾角小，边坡岩体整体比较稳定。采掘场边坡是一个由不同岩层构成的边坡，其破坏模式比较复杂，依据本矿煤岩的赋存规律，推测地下运煤通道系统所在采场南边帮滑动模式为圆弧滑坡模式或圆弧折线滑坡模式。1.2边坡稳定性针对地下运煤通道系统所在采场南边帮边坡稳定评价，利用Bishop法计算的边坡稳定系数为1.271.42，利用瑞典条分法计算的边坡稳定系数为1.201.35，稳定系数完全满足规范要求。矿南帮首采区南部边坡角度为34毅38毅，露天边坡与原煤运输通道空间最近位置为81 m，通过对原煤运输通道长达9年的观察，未发现边坡对原煤运输通道产生影响，通道邻近地面边坡也趋向稳定，边坡稳定性系数与边坡角坡度曲线夹角为32毅。矿南端帮边坡角与稳定系数关系如图1。2爆破对通道的影响2.1爆破工艺及主要参数矿坑爆破作业采用深孔松动爆破工艺，1个炮区多排（控制在5排以内），炮孔微差起爆，在不受含水层的影响时使用铵油炸药，在遇含水岩层时使用乳化炸药，炸药由专业混装车现场混制直接装入炮孔，并使用炮孔填塞机充填。采用电力毫秒微差导爆管起爆，起爆顺序为：起爆器寅电雷管寅导爆管寅继爆管寅孔内顺发雷管寅起爆药包寅铵油炸药（或乳化炸药），爆破方向朝向采掘工作面。爆破参数见表2。2.2爆破对通道影响方式1）爆破本身的影响。爆破产生的应力波、冲击波和弹性波等动载荷叠加效应作用对原煤通道产生影响3，爆破叠加效应作用于原煤通道，与原煤通道应力再次叠加产生应力应变。如果爆破振动效应产生的振动参数如位移、应力等超过一定限值，导致爆破叠加效应与原煤通道应力叠加应力超过巷道承载能力，就会使原煤通道顶帮产生裂隙、掉渣，甚至巷道变形。2）综合应力、应变作用的影响。露天矿坑爆破作业是周期性作业行为，爆破振动对地下原煤通道产生周期性荷载作用；为持续推进原煤通道系统性作用，通道在原有基础上还要进行巷道掘进延伸，巷道掘进就要对通道周边原岩体应力进行破坏再平衡，同时还要与通道附近地面矿坑采剥作业煤岩体进行再次应力平衡。综上，爆破周期性振动效应对巷道的持续影响，地下巷道掘进应力平衡与地下巷道与地面采剥作业应力平衡的综合作用影响，多种效应相互叠加作用4，表 1岩体力学强度指标表岩土名称密度/（t m-3）内摩擦角/（毅）黏聚力/kPa第四系粗砂岩中砂岩细砂岩泥岩砂质泥岩煤1.932.512.412.462.462.461.4825.025.339.733.623.031.024.019279483598243329101表 2爆破参数孔填塞高度/m炸药密度/（t m-3）孔装药量/（kg m-1）项目名称孔深/m1.677.50117.6751510.3512.191170.6970.6917.2523.00岩石台阶采煤台阶98露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月互相耦合，就会对原煤运输通道产生负面影响。2.3爆破对通道稳定性影响露天爆破物理振动效应随着传播过程逐渐衰减5，根据距离爆源范围，由近及远可划分为粉碎区、破裂区、振动区。粉碎区距震源近，爆破振动综合效应很强，此范围岩体容易产生熔化流动、塑性变形或粉碎；破裂区距震源稍远，爆破振动综合效应衰减，此范围岩体处于弹性状态产生应力与应变可导致岩石破坏或产生残余变形；震动区距震源距离较远，爆破振动综合效应衰减为地震波，综合效应引起岩体质点的弹性震动。当原煤运输通道位于破裂区之外时可认为是安全的，因此我们把爆破振动影响的破裂区边界以外的区域称为安全区域，也就是震源至破裂区边界的距离称之为爆破地震安全距离。2.4爆破对通道的影响范围爆破地震安全距离公式如下6：Rz=（K/淄）1/琢Qm（1）式中：Rz为爆破地震安全距离，m；Q为同时起爆的最大炸药量，取3 057 kg；K、琢为与爆破地点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，按 爆破安全规程 表3取K=200、琢=1.6；淄为安全质点震动速度，cm/s，按 煤矿安全规程 第五百三十四条第一项规定，取15 cm/s：m为药量指数，取1/3。计算得爆破地震安全距离R=73.05 m。露天爆破区与原煤运输通道空间位置最近距离为81 m73.05 m，说明通道处于爆破安全区域。2.5爆破振动速度的影响爆破振动安全距离为73.05 m，露天矿均为深孔爆破，为验证爆破振动安全性，可利用深孔爆破振动速度计算公式7：淄=KqL2（HH2+L2姨-HH21+L2姨）蓘蓡琢/3（2）式中：淄为质点爆破振动速度峰值，cm/s；H为炮孔深，取23 m；H1为炮孔填塞长度，取12.19 m；q为每米孔装药量，取70.69 kg/m；L为炮孔中心到测点水平距离，取73.05 m；K、琢为与爆破地点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，按 爆破安全规程表3取K=200、琢=1.6。计算得爆破振动速度峰值淄越6.88 cm/s。岩石质点振动速度与巷道围岩稳定性的关系见表3。对照表3，原煤运输通道质点爆破振动速度峰值为6.88 cm/s，远小于运输平巷受爆破震动破坏应达到的振速28.2 cm/s，且通道距离最近的爆炸中心距离为81 m。因此，分析认为爆破振动速度对通道无破坏影响。2.6爆破冲击波的影响爆破冲击波冲在空气中形成爆风时，过大的爆风压对人员及物体易造成伤害，具体冲击强度与地面障碍物和爆破时的气象条件有关。爆炸空气冲击波传播路径上有障碍物或挡墙时，最大可减弱40豫耀50豫，一般松动爆破在矿坑内，冲击波不会对地面建筑物造成严重破坏。由于坑内空间狭小，冲击波可能会对矿坑内的人员和设备产生较大的影响。根据生产实践，提高封孔质量，加大爆破安全警戒距离，确定合理的设防标准，并将全部人员撤离到安全区域。空气冲击波安全距离计算如下8：Rc=KcQ姨（3）式中：Rc为空气冲击波安全距离，m；Q为炸药质量，取3 057 kg；Kc为空气冲击波安全系数，Kc=25。计算得空气冲击波安全距离Rc=110276 m。上述计算是在无任何障碍物的条件下的安全距离，由于原煤运输通道深埋于地下，距离最近的爆破点为81 m；由于有边坡这一坚固的障碍物，所以空气冲击波对原煤运输通道影响很小，仅对地面建筑物可能有影响。露天矿正常爆破形成的飞石、空气冲击波对原煤运输通道的影响很小，都在安全许可的范围内，是安全的。无论通道壁面岩石质点振动速度、还是空气冲击波的影响距离均满足规范和有关规定9。表 3岩石质点振动速度与巷道围岩稳定性的关系巷道种类爆破前简况实测振速/（cm s）影响情况运输巷道水平试验巷道水泵房试验水平巷道运输平巷稳固的辉绿岩绿泥石片岩局部支护，围岩中等稳固。不稳定的花岗片麻岩，节理发育。稳固的辉绿岩12.714.916.425.828.2有小块岩石掉落，小块仅几厘米有掉块，原节理张开进口处有石块掉落，临近爆源侧拱座有较多的石块掉落有 0.4 m3的岩块塌落，节理张开，产生裂隙有个别落石99露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月3地面设备对通道的影响3.1矿内主要移动设备及其参数平朔东露天煤矿现有可能通过原煤运输通道的大型移动设备有挖掘设备P&H4100XPB电铲工作重力1 423 t，对地比压为353.8 kPa，根据设备接地面积计算设备对地面的单位压力为123 t/m2；自卸卡车930E和730E最大工作重力499 t，最大对地比压为637.4 kPa，同上可计算设备对地面的单位压力为175 t/m2；25 m3的液压挖掘机工作重力522 t，对地比压为256 kPa，同上可计算设备对地面的单位压力为36 t/m2。移动设备对原煤运输通道的影响主要来源于移动设备自身质量产生的竖向力和因设备制动带来的冲击荷载，有时候冲击荷载带来的竖向力要比静止时静荷载大得多。3.2通道上部安全厚度的确定采空区长度与宽度之比大于2时，假定采空区顶板至露天工作平盘间为一嵌固梁板，受均衡连续荷载作用，其最小安全厚度为10：Hn=Ln籽gLn+（籽g）2Ln+16啄（p+p1）姨蓘蓡8啄（4）式中：Hn为最小安全厚度，m；Ln为采空区宽度，取5 m；籽为采空区顶板岩石密度，取2.48 t/m3；啄为采空区顶板岩石的准许拉应力，取93 t/m2；p1为设备对地面的单位压力，考虑冲击地压，300 t级的自卸汽车为175 t/m2，4100XPC电铲为123 t/m2，小型液压挖掘机为36 t/m2；p为由爆破产生的动载荷，取150 t/m2。计算得300 t级自卸卡车、55 m3级单斗挖掘机、25 m3级液压挖掘机最小安全厚度分别为4.80、4.40、3.70 m。有关研究表明11，爆破冲击荷载和设备压力荷载条件下跨度10 m时其顶板安全厚度12 m；可见在上述值上再加了1个安全厚度。实际上，根据通道空间位置，其上覆岩石（或煤层）到地面的厚度均大于40 m，因此，大型设备在巷道上部行走是安全的。4结语在露天矿边坡稳定系数满足规范的前提下，边坡角低于露天最终边坡角，边坡稳定系数与边坡角曲线控制在32毅及以下，且边坡空间位置距离通道大于81 m以上，露天矿非工作帮内设置原煤运输通道不影响边坡稳定性，且边坡也不影响通道安全使用。当露天矿非工作帮原煤运输通道空间位置到爆破炮孔中心水平距离大于爆破地震安全距离，爆破振动速度峰值小于实际观察的爆破振动速度损坏值，且爆破空气冲击破对有障碍物的地下原煤运输通道几乎无影响，就可验证露天爆破对通道安全使用无影响；如果实际验证有影响的情况下，可考虑调整露天爆破工艺参数保障通道安全。当依据设备参数计算的通道上部安全厚度，再加1个安全厚度，小于实际通道空间位置到地面的厚度，就可验证露天地面设备对通道安全使用无影响。参考文献：员 陈再明，崔宏伟援露天矿端帮巷道运输工艺实践 允 援露天采矿技术，圆园圆员，猿远（远）：远圆原远源援圆 中煤西安设计工程有限责任公司援平朔煤炭工业公司东露天煤矿初步设计 砸 援西安：中煤西安设计工程有限责任公司，圆园员猿援猿 王润和，朱新平，郭昭华，等援露天矿爆破对边坡体内巷道的影响分析 允 援露天采矿技术，圆园园怨（猿）：圆苑原圆愿援源 蔡美峰援岩石力学与工程 酝 援北京：科学出版社，圆园员猿援缘 谷存磊，赵振井，张俊生援露天爆破振动对地采区巷道的影响 允 援露天采矿技术，圆园员员（圆）：源愿原源怨援远 中华人民共和国应急管理部，国家矿山安全监察局.煤矿安全规程 酝 援北京：应急管理出版社，2022援苑 程康，沈伟，陈庄明，等援工程爆破引起的振动速度计算经验公式及应用条件探讨 允 援振动与冲击，圆园员员，猿园（远）：员圆苑原员圆怨援愿 郧月 远苑圆圆圆园员源 爆破安全规程 杂 援怨 赵俊，张卫国，朱新平援安太堡露天矿爆破震动对端帮运输巷道的影响 允 援 露天采矿技术，圆园园怨（缘）：24-25援员园 田志恒，聂永祥援复杂采空区顶板最小安全厚度的确定方法 允 援采矿技术，圆园园怨，怨（缘）：圆远原圆苑援员员 吴明援平朔东露天矿地下采空区顶板安全厚度及处理研究 阅 援武汉：武汉理工大学，圆园员缘援100