露天煤矿剥离工程施工安全关键技术研究

顾晓君

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

露天煤矿开采施工过程中需按照各项政策、环保要求及其他要求进行筹划布局，采取各种技术手段、先进技术创新及设备等，以此保障施工安全和质量。露天煤矿剥离工程涉及到采装、运输、排弃及道路设计维保、排水设置、特殊地层处理等各项工序工作，工序繁多、风险较多，采取科学有效的施工方案、信息化科技手段及成套的安全管控制度，严防各类安全事故发生。

1 工程概况

1.1 工程简介

内蒙古白音华蒙东露天剥离工程，项目总剥离工程量共计3 250 万m3，包括剥离物（矸石）的采装、运输、排弃。附属工程包括道路养护、排土场整形、排土场到界边坡削坡（25°以下）、排土场覆土、表土单堆单放、冻层冻顶处理、工作面及排土场整理、工作面及排土场排水、运输道路修筑维护、洒落剥离物料清理及洒水降尘、安全设施构筑、安全及道路标识设立、采场作业面防灭火、冬雨季及特殊条件下施工、黏土粘车厢处理、驻地检修区建设、环保设施工程的施工准备、施工及维护和撬式加油站点建设等工程工作。

1.2 地质水文

1.2.1 工程地质

根据本露天区煤层赋存的实际条件，将区内岩层按岩组及开采深度划分为3 段：新近系以上、新近系底板至3 煤组底板及3 煤组底板以下50 m。

1）新近系底板至3 煤组底板岩性组合及物理力学性质。本层段地层主要由泥岩（碳质泥岩）、砂岩（粗、中、细、粉）和煤层组成。该层段岩性组合见表1。

表1 新近系底板至3 煤组底板岩性组合统计表 m

2）硬岩的分布与岩性特征。本区硬岩（R＞15 MPa）层一般多出现在3 煤组-1#煤底板与3 煤组-2#煤顶板之间，其表现特征是致密、坚硬、捶击声响，且多以细粒为主，抗压强度15～45.1 MPa。

3）煤层的强度。煤层约占地层厚度的15%～20%，煤层的抗压强度值在2.81～40.86 MPa，其中强度值应属中硬岩类。

1.2.2 水文地质

本区地下水的形成，主要受地层、地貌、水文地质及气候条件等因素控制和影响，不同类型地下水的形成条件、富水性及水化学特征不尽相同。勘查显示：区内主要分布有第四系松散岩类孔隙潜水，基岩裂隙水和煤系孔隙裂隙水，其中基岩裂隙水和煤系孔隙裂隙水富水性较差。

1.3 工程特点及难点

地表第四系含水且松软，给施工作业带来相应困难；采场和排土场出现裂痕有滑坡迹象；环保要求质量较高。黏土层：开挖容易造成边坡失稳，雨季造成车辆运输道路湿滑，容易出现行车安全事故，卸载时容易车厢粘土。

2 剥离工程施工方法及施工技术

2.1 剥离工程施工方法

配置能力匹配的大斗容挖掘机（7 m3）采装及大吨位自卸汽车运排，辅助大功率推土机平整地表土、裂较硬软岩、集土、场地整平碾压。同时配备专业人员进行机械设备维修、道路养护。排土场采用大功率推土机平整压实，排土平盘边帮、平整度、标高达到设计要求。挖掘机和装载机协同作业修建田字格及安全挡墙；推土机、装载机协同作业修建标准反坡。

采剥方法采用传统的开采工艺即单斗-卡车运输工艺，采用自上而下分台阶缓帮开采的方法，液压反铲分层开挖下装车或者平装车。施工应做到整体扩帮，使采场均衡协调、有序推进。

2.2 剥离工程施工技术

2.2.1 采装施工技术

1）分层剥离按照从上至下的原则，分平盘多工作面开挖，每个平盘高度12 m，分4 次开挖完成，先施工高处作业平盘，然后逐级降低高程。剥离方式按“横向分层、纵向分段、两段同步、阶梯掘进”的原则进行。当多个作业平盘同时施工时，平盘宽度宜不小于40 m；同一作业平台上相邻2 个挖掘机距离不应低于50 m。

每台采装设备配有独立的工作区间，当剥离强度增大且采装空间紧张时，可采取2 台采装设备在一个工作区间工作。但2 台采装设备不应互相干扰。采掘作业方式如图1 所示。

图1 采掘作业方式示意图（一）

方法一：台阶高度3 m，采用单台阶、液压反铲后退式下挖、下装车作业，物料直接由液压反铲回转卸在自卸卡车厢斗内，通过矿山运输道路运至排土场。

方法二：台阶高度6 m，液压反铲采用上下组合台阶作业，上挖3 m，下挖3 m。2 个6 m 台阶最终并段形成12 m 作业台阶，物料直接由液压反铲回转卸在自卸卡车厢斗内，通过矿山运输道路运至弃土场。采掘作业方式如图2 所示。

图2 采掘作业方式示意图（二）

2）采装施工要严格按照规范及设计施工，其主要技术参数详见表2。

表2 主要技术参数表

3）采装作业措施：①勺斗容积和物料块度一定要与汽车载重相适应。②单面装车作业，在挖掘机装车前，挖掘机驾驶员示意车辆可以进入，待车辆行驶至装车地点停车后；两面装的时候，车头装的时候，车可以提前到装车的位置，后面装的时候，用挖掘机斗把车指引到装车的位置。③汽车出入采掘工作场地时，汽车距离挖掘机在下列范围内挖掘机不得回转，出车为20 m，进车为30 m。④要保证装车质量，不得偏装一侧，要做到四角平衡，并按核定数量装车。⑤装车时严禁勺斗从汽车驾驶室上方越过。

2.2.2 道路运输施工技术

运输车辆采用额定载重65 t 自卸车88 台。挖机装车完毕，经检测满足安全行驶要求后即可向排土场运输，运输时车辆速度不要大于30 km/h，拐弯时车速不得大于15 km/h；车辆前后间距不要太近；道路会合或者分叉路口要设置警示标志以及指路标志；在路口会车时，空车让重车先行；倒土时不要过快，防止车体因重心后移而使车体反转、倾覆；每次倒土完毕，车斗完全复位后方可驶离排土场；尤其应该注意的是在能见度不足30 m 的情况下一定要停止作业。

在露天矿坑工作区周围、台阶联络道和矿岩道路的两侧、排弃场的顶部以及在其他车辆运行或有潜在危险的区域，要用适合的土料修建安全挡墙，计划配置1 台挖掘机、1 台装载机进行挡墙修筑。顶部宽度不应小于1 m、高度不应小于1 m，边坡坡度为1∶1 修筑挡墙。安全挡墙现场施工图如图3 所示。

图3 安全挡墙现场施工图

2.2.3 排土施工技术

排土方式采用推土机沿废石场边缘纵向排土，配置3 台排土设备，当推土机用于工作面整理时由装载机临时替补。弃土场采用自卸汽车加推土机的联合排放，采用自下而上覆盖式排土工艺、多台阶堆存的方式。

排土时由自卸卡车将废土石翻卸至排土线上，再由推土机/前装机推至排土线下，推土机/前装机在向下推土的过程中要求留有3%的反坡，为保证卡车安全作业，要求沿排土线修筑安全土挡，土挡高度要求不小于汽车轮胎直径的2/5，底宽不小于2.5 m。

当排弃物料含水量较少、边坡稳定性较好时采用边缘排土，当排弃物料含水量较大、边坡稳定性较差、不适合边缘排土时采用场地排土。

排土场为外排土场。排土台阶段高为20 m；排土台阶坡面α=33°；最小工作平盘宽度90 m；以水平方式进行条带排弃，排土方式采用边缘排土与场地排土相结合。

2.2.4 疏干排水施工技术

1）采掘场防排水。根据水源来源方式防排水方案如下：地表径流采取在生活区及开采境界外设置截洪沟，拦截地表径流、防止汇入到采场、设置排水明渠导流出境界线外；或者是在采场最低水平设置集水坑安装水泵抽取外排。

2）弃土场防排水。当发生暴雨时，在弃土场表面会形成径流，在弃土场排土时修设不小于3%～5%的排水坡度，将地表径流引入弃土场周围的截水沟；由于弃土场堆填物料以松散材料为主，因此部分降雨会渗入弃土场内，在排土过程中将大块岩石排弃在底层形成渗流通道将水引至废石场下方的冲沟内；而弃土场外围的地表径流，可自行流入到冲沟内。

3）运输道路防排水。运输道路防排水为道路横坡两侧做3%的坡度，在两侧制作M7.5 浆砌石梯形结构排水沟，上口宽80 cm，下口宽40 cm，深50 cm，底板、侧墙厚30 cm。

2.2.5 边坡防护施工技术

1）常规施工：常规开挖是随着台阶开挖全段分层刷坡、装车。个别少量不到位的部位采取破碎锤清理，而后开挖、修整到设计位置。

2）分层采装：边坡质量要求较高时（如永久边坡），边坡可采用分层刷坡施工。

考虑到工期较长，配置边坡雷达检测仪进行检测，同时利用自主发明的“一种边坡岩体监测系统”实用性国家专利进行边坡研究，确保边坡随时处于监测范围内。

2.3 剥离工程施工安全关键技术

2.3.1 黏土层开挖

黏土层开挖时容易形成边坡不稳定，所以开挖时注意以下几点。

1）基底有足够的坡度，边坡坡度按设计要求放坡，如果没有设计要求执行规范要求，避免随意切割坡脚。

2）做好地质勘查、施工现场勘查工作。

3）边坡附近不允许行车、排水沟应靠台阶内侧。

4）挖装过程中，反铲的挖装平台在靠近石渣面留有适当的缓冲沟，确保石渣滑落时不会滚至挖装平台上。

2.3.2 黏土层道路维护

黏土层下雨容易造成车辆打滑，所以黏土层道路上铺设50 cm 厚山皮石，使用压路机压实，并对道路经常进行维修，保持平整。

2.3.3 黏土卸载

黏土装箱时，容易造成与车厢的粘连，采用在车厢内铺设PVC 塑料板方法，防止黏土粘连。

2.3.4 煤顶板施工

施工至煤顶板范围时，采用小型机械施工，防止煤土混合造成煤炭污染。

1）进入煤顶板层时，安排有经验的负责人，进行专门指挥作业，遇到煤层时放缓速度。

2）配备清理挖机，在装土挖机大面积进行挖除后，再配备小型挖机在后面进行清理，小型卡车装载清运，清除至煤层后通知业主进行验收。

2.3.5 出水层施工

1）防排水设计应为矿山总体设计的一部分，与矿山总体设计同时进行。

2）树立“以防为主，防排结合”的原则。

3）工程技术人员在施工前要针对防排水进行详细调查，在施工过程中要做好监测、预测和预报工作。

4）各项工作严格落实到人，做到各负其责。

5）摸清矿区及附近地表水流系统及汇水面积、河道沟渠汇水情况、疏水能力、积水区及水利工程现状及规划，以及当地日最大降雨量、历年最高洪水位等情况，建立健全防水排水系统，并结合矿区特点，切实做到防患于未然。

6）出水层水流视地形设置排水沟和集水井，无法排出部分，使用抽水泵进行排水。

7）每年雨季前，应由项目技术负责人组织一次防水检查，并编制防水计划，并在雨季来临前完成防水预防工作。

8）地面排水系统要设置合理，拦截水不要流入采煤区。排水设备、设施能力应满足排水要求。

9）采场的总出入沟、平硐口、排水井口和工业场地的防洪措施要满足安全要求。

10）当防排水情况出现变化时，要进行相应的变化管理程序，变化影响的信息应得到充分更新。

11）对出水层边坡进行测量沉降观测，防止流水造成边坡失稳坍塌。

3 结束语

露天煤矿剥离工程看似难度不大，实际是一项系统性的技术工作，施工安全尤为重要，针对关键部位、难点，需要制定专项的技术措施，以此来保障施工进度、效益及质量。因此，更要在既有施工经验上优化，认真科研施工技术，保障施工安全。