白潤才,劉 闖,薛應(yīng)東,劉光偉,曹 博

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000;2．國電蒙東能源控股有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)

白潤才1,劉 闖1,薛應(yīng)東2,劉光偉1,曹 博1

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000;2．國電蒙東能源控股有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000)

為了解決相鄰露天礦獨立開采時存在的邊幫壓煤與邊坡安全問題,通過理論計算與分析,提出相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)。分析實施該技術(shù)的條件與基礎(chǔ),給出邊幫壓煤剝采比的概念及計算方法;研究相鄰露天礦采剝工程位置的協(xié)調(diào)銜接,排土空間的合理分配與利用,開拓運輸系統(tǒng)的優(yōu)化布置等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。在國電蒙東公司旗下的2個露天煤礦進(jìn)行了實踐,結(jié)果表明：此技術(shù)能夠使相鄰露天礦邊幫壓煤得到安全、經(jīng)濟(jì)地回采,有效提高煤炭資源采出率,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

露天礦;協(xié)調(diào)開采;邊幫壓煤;排土場;運輸系統(tǒng)

煤炭是不可再生資源,露天煤礦邊幫壓煤的開采問題,多年來一直是世界各國關(guān)注的焦點。國內(nèi)外關(guān)于露天礦邊幫壓煤回采技術(shù)的研究與應(yīng)用從未間斷過,其中比較成熟的技術(shù)有露天-井工聯(lián)合開采技術(shù)與端幫采煤機(jī)開采技術(shù)[1-7]。上述兩種露天礦邊幫壓煤開采技術(shù)都以單一露天礦為研究對象,改造了原有的露天開采工藝,工藝系統(tǒng)復(fù)雜度高,邊幫壓煤采出率低,存在邊坡安全隱患。而對于同一煤田中的相鄰露天礦,通過聯(lián)合協(xié)調(diào)開采,消除相鄰邊幫,安全、高效地回采邊幫壓煤,目前國內(nèi)外還沒有成熟的理論和技術(shù)[8]。我國大多數(shù)近水平露天煤田都存在2個相鄰露天礦邊幫壓煤問題,如內(nèi)蒙古的白音華煤田、勝利煤田、準(zhǔn)格爾煤田、東勝煤田,山西的平朔煤田等,因此,開展相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)研究對于實現(xiàn)煤炭資源的科學(xué)開采有著十分重要的意義[9-10]。

相鄰露天礦邊幫壓煤的協(xié)調(diào)開采,是指通過聯(lián)合協(xié)調(diào)布置相鄰兩露天礦剝、采、排工程位置,優(yōu)化布置開拓運輸系統(tǒng),消除相鄰邊幫,同步開采邊幫壓煤,實現(xiàn)相鄰邊幫下壓煤經(jīng)濟(jì)、高效、安全回采的技術(shù)。實施相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采,應(yīng)該具備以下條件：①相鄰露天礦礦山工程在時間、空間上具備實施協(xié)調(diào)開采的可能性,這是實現(xiàn)邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采的必要條件。②實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采必須要取得經(jīng)濟(jì)效益,即分析其經(jīng)濟(jì)是否合理是決定相鄰邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采的基礎(chǔ)。

1 相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比

由于露天礦穩(wěn)定幫坡角的存在,露天礦地表境界與深部境界并不一致。而國土資源部門在劃分采礦權(quán)界時,沒有考慮穩(wěn)定幫坡角,地表境界與深部境界在平面上是一致的。這一開采條區(qū)劃分方式,必然造成相鄰露天礦采場之間邊幫壓煤,形成邊幫壓煤區(qū)。邊幫壓煤區(qū)是指2個相鄰露天礦以礦權(quán)界確定的地表境界為基準(zhǔn),按照穩(wěn)定幫坡角確定深部境界形成的相鄰邊幫與最下煤層底板所構(gòu)成的區(qū)域。

相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比是指相鄰露天礦邊幫壓煤區(qū)的剝離物體積與原煤質(zhì)量之比?？梢?相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比越小,回采邊幫壓煤的經(jīng)濟(jì)效益越好。

確定相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比,必須確定邊幫壓煤區(qū)范圍內(nèi)剝離物體積與原煤體積,即相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比為

式中,n為相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比,m3/t;ρ為原煤密度,t/m3;Vt為剝離物體積,m3;Vc為原煤體積,m3。

(1)單一煤層。

假設(shè)相鄰露天礦A和B為單一煤層近水平露天礦,煤層賦存穩(wěn)定,如圖1(a)所示。單一煤層條件下相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比為

式中,ns為單一煤層條件下邊幫壓煤剝采比,m3/t;H為剝離物平均厚度,m;h為煤層平均厚度,m。

圖1 相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比計算示意Fig．1 Sketch map of stripping ratio calculation of coal underlying the slopes between two adjacent open pits

單一煤層條件下邊幫壓煤區(qū)柱狀剝采比為

式中,n1為單一煤層條件下柱狀剝采比,m3/t。

由式(3)可知,相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比不到該區(qū)域柱狀剝采比的一半,開采相鄰露天礦邊幫壓煤,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)復(fù)合煤層。

假設(shè)相鄰露天礦A和B為復(fù)合煤層近水平露天礦,煤層賦存穩(wěn)定。剝離物平均厚度與煤層平均厚度自上而下分別為H1,h1,H2,h2,…,Hk,hk,相鄰邊幫穩(wěn)定幫坡角分別為α,β,如圖1(b)所示。則復(fù)合煤層條件下相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比為

式中,nm為復(fù)合煤層條件下相鄰露天礦邊幫壓煤剝采比,m3/t;Sy為所有巖層斷面面積之和;Sm為所有煤層斷面面積之和。

設(shè)煤層為k層,從地表向下各煤巖界面所形成的三角形斷面面積分別為

2 相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采關(guān)鍵技術(shù)

同一煤田中的相鄰露天礦從獨立開采狀態(tài)過渡到兩礦協(xié)調(diào)開采邊幫壓煤狀態(tài),存在如下關(guān)鍵技術(shù)問題：①采剝工程位置的協(xié)調(diào)銜接;②排土空間的合理分配與利用;③開拓運輸系統(tǒng)的優(yōu)化布置。上述問題的解決,應(yīng)以相鄰露天礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采產(chǎn)生的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 采剝工程位置的協(xié)調(diào)銜接

雖然同一煤田中相鄰露天礦的地質(zhì)條件相近,但受多種因素綜合影響,相鄰露天礦確定的開采程序并不一定能夠滿足實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采對采剝工程位置的需求,因此,需要對相鄰露天礦開采程序進(jìn)行調(diào)整。

(1)采區(qū)劃分及開采順序調(diào)整。

相鄰露天礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采的前提條件是貫通兩礦采場,消除相鄰端幫。因此,協(xié)調(diào)開采邊幫壓煤時相鄰露天礦作業(yè)采區(qū)應(yīng)平行布置在重合礦權(quán)界的兩側(cè)。對于在時空關(guān)系上不具備協(xié)調(diào)開采條件的,通過調(diào)整相鄰露天礦雙方或一方的采區(qū)劃分與開采順序,實現(xiàn)作業(yè)采區(qū)的協(xié)調(diào)布置。相鄰露天礦采區(qū)劃分及開采順序調(diào)整與否,取決于對相鄰露天礦在獨立開采與協(xié)調(diào)開采條件下綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的分析比較,只有在綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有利時,才選擇調(diào)整相鄰露天礦采區(qū)劃分及開采順序。

(2)采剝工程位置的協(xié)調(diào)布置與推進(jìn)。

在相鄰露天礦采區(qū)劃分方案具備協(xié)調(diào)開采條件的情況下開采邊幫壓煤,存在如下問題：①由于相鄰露天礦開采邊幫壓煤在時間上往往存在先后差異,超前開采一方進(jìn)入滯后開采一方的礦權(quán)范圍,承擔(dān)大量的越界剝離量;②超前開采一方完成邊幫壓煤回采以后,必然壓幫內(nèi)排,將給滯后開采一方造成大量的重復(fù)剝離量。因此,相鄰露天礦以超前—滯后關(guān)系開采邊幫壓煤,在經(jīng)濟(jì)上是極不合理的。為了避免越界剝離量與重復(fù)剝離量的產(chǎn)生,以較低的成本回采邊幫壓煤,需要協(xié)調(diào)相鄰露天礦采剝工程位置的推進(jìn)。具體措施為：平行布置兩礦采場工作線,調(diào)整工作線推進(jìn)方向,實現(xiàn)同向推進(jìn),使兩礦采剝工程從超前與滯后的關(guān)系逐步過渡到同步推進(jìn)。

相鄰露天礦貫通兩礦采場,實現(xiàn)工作幫同步推進(jìn),即完成了由兩礦獨立開采到邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采的過渡,邊幫壓煤以較低成本隨工作幫推進(jìn)順利回采,如圖2所示。

圖2 相鄰露天礦由獨立開采過渡到協(xié)調(diào)開采Fig．2 Two adjacent open pits transit from independence mining state to coordination mining state

2.2 排土空間的合理分配與利用

露天礦排土工作是露天礦整個生產(chǎn)工藝過程中的一個重要環(huán)節(jié)。受露天礦生產(chǎn)成本、土地使用等影響,排土空間緊張是大部分露天礦山所共同面臨的問題。相鄰露天礦回采邊幫壓煤的同時,也增加了露天礦的排棄量,使得相鄰露天礦從獨立開采狀態(tài)向協(xié)調(diào)開采狀態(tài)過渡期間的排土空間更加緊張。此時對有限排土空間的整合、合理分配與利用,顯得尤為重要。

(1)貫通兩礦排土場,增加排土空間。相鄰兩露天礦在獨立開采的前提下,由于相鄰邊幫的存在,以及兩礦剝、采、排工程發(fā)展的時空關(guān)系不協(xié)調(diào)一致,各生產(chǎn)系統(tǒng)相互干擾,有限的排土空間很難得到充分利用。貫通兩礦采場,消除兩礦相鄰邊幫,為排土場的貫通創(chuàng)造了條件。排土場貫通,可最大限度地釋放排土空間,實施協(xié)調(diào)排土,使排土空間得到充分利用,減少外排征地,縮短運距,降低生產(chǎn)成本。

(2)優(yōu)化排土場幾何形態(tài),充分利用排土空間。由幾何學(xué)知,排土場的幾何形態(tài)決定排土場容量大小,露天礦內(nèi)排土場是利用采剝工程結(jié)束后留下的采空區(qū)作為排土空間形成的[11-12],而露天礦生產(chǎn)能力在一段時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定,所以實現(xiàn)完全內(nèi)排以后,采剝工程位置決定了內(nèi)排土場容量。因此,應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)布置兩礦采剝工作線,在保證排土場穩(wěn)定的前提下,盡可能使排土工作線呈直線或圓弧形布置,使有限的排土空間得到充分利用。

2.3 開拓運輸系統(tǒng)的優(yōu)化布置

汽車運輸內(nèi)排時,傳統(tǒng)的露天礦開拓運輸系統(tǒng)通常采用單環(huán)內(nèi)排和雙環(huán)內(nèi)排。相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采邊幫壓煤,貫通兩礦采場,消除相鄰端幫,對兩礦開拓運輸系統(tǒng)影響重大：①采用雙環(huán)內(nèi)排的露天礦,變?yōu)閱苇h(huán)內(nèi)排,內(nèi)排運距增大,露天礦生產(chǎn)成本增加;②采用單環(huán)內(nèi)排的露天礦,運輸系統(tǒng)中斷。

為了避免上述情況發(fā)生,在兩礦采場與排土場之間修筑臨時排土橋(圖2),建立運輸聯(lián)系。臨時排土橋按修筑方式分為雙橋和單橋,與露天剝離作業(yè)方式有關(guān)。對于采用全年剝離作業(yè)的露天礦,需要建立雙橋(排土橋邁步式發(fā)展)[13-15];對于采用季節(jié)性剝離作業(yè)的露天礦,只需建立單橋(在剝離作業(yè)期修筑臨時排土橋,在非作業(yè)期部分拆除排土橋,回采橋下壓煤)。排土橋一般修筑在采場中部,排土橋參數(shù)通過優(yōu)化計算確定。

3 工程實例

3.1 工程背景

蒙東能源旗下的西二號露天煤礦和烏蘭圖嘎露天煤礦(簡稱西二礦、烏礦)是勝利煤田的2個相鄰露天礦,西二礦與烏礦生產(chǎn)系統(tǒng)相對獨立,自成體系,如圖3所示。

圖3 西二礦與烏礦獨立開采境界及邊幫壓煤區(qū)Fig．3 Independence mining limits and coal area pinned underlying the slopes of West 2 and Wulantuga Open Pits

西二礦西臨烏礦,主采煤層為6號煤層。生產(chǎn)能力為10．0 Mt/a。服務(wù)年限為35．3 a。開采工藝為：剝離采用單斗鏟采裝—自卸式卡車運輸?shù)拈g斷工藝。采煤采用單斗鏟采裝—自卸式卡車—地面半固定破碎站—膠帶運輸?shù)陌脒B續(xù)工藝。開采方法為分區(qū)開采,采區(qū)南北劃分,首采區(qū)位于剝采比較小的南部,沿煤層露頭拉溝,工作線由西向東推進(jìn),如圖4(a)所示。

圖4 西二礦采區(qū)劃分方案Fig．4 Projects of mining district partition of West 2 Open Pit

烏礦主采煤層為6-1號煤層(與西二礦6號煤層實為同一煤層),生產(chǎn)能力為1．2 Mt/a(實際生產(chǎn)能力5．0 Mt/a),服務(wù)年限42．7 a。開采工藝與西二礦相同,首采區(qū)位于境界東部(圖3(a)),在其南部沿煤層露頭拉溝,工作線由南向北推進(jìn)。

3.2 邊幫壓煤量及邊幫壓煤剝采比計算

西二礦與烏礦相鄰邊幫壓煤區(qū)剝離物平均厚度132 m,煤層平均厚度23 m,煤層密度1．26 t/m3,邊幫壓煤區(qū)平均寬度620 m,長約2．62 km。按式(2),(3)分別計算邊幫壓煤區(qū)柱狀剝采比n1與邊幫壓煤剝采比ns。

可見,西二礦與烏礦相鄰邊幫壓煤量大,邊幫壓煤剝采比小,開采邊幫壓煤經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 西二礦與烏礦協(xié)調(diào)開采實施方案及效果分析

在西二礦與烏礦的獨立開采設(shè)計中,烏礦首采區(qū)位于礦權(quán)界西側(cè),工作線由南向北推進(jìn);西二礦劃分為3個采區(qū),首采區(qū)位于剝采比較小的礦田南部,工作線由西向東推進(jìn),如圖4(a)所示。從兩礦獨立開采的角度看,該采區(qū)劃分方案是合理的。但該方案的缺點也是明顯的,即兩礦47．07 Mt邊幫壓煤無法順利回采。為了給兩礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采創(chuàng)造條件,提出了西二礦西部首采區(qū)方案,該方案將西二礦劃分為東西2個采區(qū),首采區(qū)位于礦田西部,工作線東西向布置,由南向北推進(jìn),如圖4(b)所示。

通過理論分析與計算,對西二礦獨立開采南部首采區(qū)方案和協(xié)調(diào)開采西部首采區(qū)方案的生產(chǎn)剝采比、煤質(zhì)、外排運距等12個方面進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與比較(表1),可以看出,在兩礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采條件下,西部首采區(qū)方案比南部首采區(qū)方案具有更高的綜合經(jīng)濟(jì)益。同時,烏礦與西二礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采,實現(xiàn)雙贏。因此,確定西二礦選擇西部首采區(qū)方案。

表1 西部首采區(qū)方案與南部首采區(qū)方案對比Table 1 Comparison of projects of west and south first mining area

調(diào)整西二礦采區(qū)劃分方案以后,烏礦采剝工程位置在推進(jìn)方向上超前于西二礦,不能同步推進(jìn)。為此,協(xié)調(diào)兩礦采剝工程位置及工程量,加快西二礦推進(jìn),貫通兩礦采場,使兩礦采剝工程逐步過渡到同步向北推進(jìn)。經(jīng)過模擬開采計算,兩礦采剝工程同步推進(jìn),可順利回采47．07 Mt邊幫壓煤,延長兩礦服務(wù)年限4 a,既避免了烏礦獨立開采邊幫壓煤承擔(dān)68．44× 106m3越界剝離量,又避免了給西二礦獨立開采邊幫壓煤造成1．2×108m3重復(fù)剝離量,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在西二礦與烏礦采場貫通基礎(chǔ)上,貫通兩礦排土場(圖5),增加排土場容量;協(xié)調(diào)兩礦排土工程位置,合理利用排土空間。經(jīng)測算,兩礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采,避免了兩礦獨立開采時增加外排量44．25× 106m3(折合征地面積0．4 km2)。

圖5 兩礦采場貫通后剝、采、排工程位置關(guān)系Fig．5 Relationships of stripping,mining and dumping position after unifying stopes

為恢復(fù)兩礦由于消除相鄰邊幫而中斷的內(nèi)排運輸通路,烏礦沿Fx1斷層修筑臨時排土橋,西二礦臨時排土橋修筑在采場中部(圖6)。兩礦均采用季節(jié)性剝離作業(yè),故排土橋均為單橋,排土橋的修筑與拆除交替進(jìn)行。修筑臨時排土橋,兩礦內(nèi)排運距大大縮短。

圖6 剝離工程作業(yè)前修筑臨時排土橋Fig．6 Build temporary bridges before stripping working

4 結(jié) 論

(1)相鄰露天煤礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采在技術(shù)上是可行的。

(2)相鄰露天礦實施邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采,可最大限度地回采邊幫壓煤,提高資源回收率,延長露天礦服務(wù)年限,消除邊坡安全隱患,減少外排征地,降低環(huán)境破壞,具有較高的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

(3)實例研究證明了上述論斷,西二礦與烏礦回采邊幫壓煤47．07 Mt,剝采比僅為2．05 m3/t,延長兩礦服務(wù)年限4 a,減少外排占地0．4 km2。

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Coordination mining technology for coal underlying the slopes between two adjacent open pits

BAI Run-cai1,LIU Chuang1,XUE Ying-dong2,LIU Guang-wei1,CAO Bo1

(1.College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Guodian Mengdong Energy Holdings Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)

To solve the problems associated with extracting coal underlying the slope between two adjacent open pits and its safety,authors proposed a coordination mining technology to extract the coal underlying the slope between two adjacent open pits by using theoretical calculation and analysis．Authors analyzed the implementation conditions and the bases of the technology,provided a conception and calculation method of stripping ratio of coal underlying the slope,and investigated key techniques such as smooth connecting of mining and stripping engineering positions,reasonable utilization and distribution of dumping space,optimal location of in-pit haulage system development．The technology was applied in two coal open pits of Guodian Mengdong Energy Holdings Co．,Ltd．The results show that the technology makes coal underlying the slope between two adjacent open pits be mined economically and safely,enhances the recovery rate of coal resources,eventually maximizes the economic benefits of two adjacent open pits．

open pit;coordination mining;coal underlying the slopes;dumping area;transporting system

TD82

A

0253-9993(2014)10-2001-06

2013-09-05 責(zé)任編輯：王婉潔

遼寧省教育廳科學(xué)研究基金資助項目(L2011051)

白潤才(1961—),男,內(nèi)蒙古察右中旗人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：bairuncai@126．com。通訊作者：劉 闖(1988—),男,江蘇沭陽人,博士研究生。E-mail：lchyn2006@126．com

白潤才,劉 闖,薛應(yīng)東,等．相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)[J]．煤炭學(xué)報,2014,39(10)：2001-2006．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1262

Bai Runcai,Liu Chuang,Xue Yingdong,et al．Coordination mining technology for coal underlying the slopes between two adjacent open pits [J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2001-2006．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1262