趙紅澤，鄭群飛，趙博深

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

采礦工程

露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究

趙紅澤，鄭群飛，趙博深

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

針對目前我國大型礦田上多個相鄰露天礦開采存在的諸多問題，提出了露天礦群協(xié)調(diào)開采的概念，并根據(jù)露天礦群中相鄰露天礦之間的開采推進(jìn)關(guān)系，將礦群中相鄰露天礦開采程序間的協(xié)調(diào)開采劃分為3種模式，同時對露天礦群協(xié)調(diào)開采模式下開采影響因素進(jìn)行了分析。

露天礦群；協(xié)調(diào)開采；開采程序；模式

0 引 言

隨著我國露天煤礦的不斷發(fā)展，露天開采工藝及露天裝備逐步發(fā)展成熟，但我國露天礦的發(fā)展模式仍停留在單一露天礦開采上，在面對大型煤田同時開采多個露天礦時，現(xiàn)行的露天礦發(fā)展模式已顯得力不從心，單一露天礦發(fā)展模式帶來的問題也越來越多，如：采區(qū)轉(zhuǎn)向多、排土空間不足、端幫壓煤嚴(yán)重、基礎(chǔ)設(shè)施重建多等[1-2]。目前我國大部分露天礦群都存在相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采問題，如：黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天礦、平朔安太保露天礦和東露天煤礦等[3-5]，如何合理優(yōu)化露天礦群之間的協(xié)調(diào)開采已成為制約露天礦發(fā)展的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外關(guān)于露天礦協(xié)調(diào)開采的研究主要集中在露-井聯(lián)采技術(shù)和相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)[6-7]，2種研究并未涉及露天礦群間的開采工藝協(xié)調(diào)及開采程序協(xié)調(diào)，且對目前露天礦群遇到的協(xié)調(diào)開采問題存在局限性。因此，開展露天礦群協(xié)調(diào)開采研究對露天礦群的獨立開發(fā)和協(xié)調(diào)開采具有重要的指導(dǎo)意義和實用價值。

1 露天礦群概念及協(xié)調(diào)開采優(yōu)勢分析

露天礦群指在同一個煤田或礦區(qū)內(nèi)，由同一個法人主體對位置上相鄰或相近、開采時間上同步開發(fā)的多個露天礦的總稱。露天礦群協(xié)調(diào)開采指企業(yè)根據(jù)相鄰或相近露天礦的開采工藝、開采程序、排土系統(tǒng)、基建系統(tǒng)、管理模式等特點，充分考慮相鄰礦山的相關(guān)性和關(guān)聯(lián)性，從露天礦群的角度實現(xiàn)資源開發(fā)的整體效益和生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)調(diào)。

以露天礦群的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)開采主要有以下優(yōu)勢：

1）礦群內(nèi)統(tǒng)籌優(yōu)化，減少單個露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向次數(shù)。平朔露天礦群中安太堡露天礦采場直推進(jìn)入東露天礦資源后備區(qū)，東露天礦采場到界后也直推進(jìn)入安太堡資源后備區(qū)，兩礦通過互換采場，避免因人為劃分資源和礦權(quán)等而引起的采區(qū)轉(zhuǎn)向。安太堡與東露天礦開采程序優(yōu)化示意圖如圖1所示。

圖1 安太堡與東露天礦開采程序優(yōu)化示意圖

2）回采相鄰端幫的壓煤，提高煤炭回收率；例如：我國白音華礦群中一號和二號露天礦地表境界相距較近，相鄰端幫壓煤嚴(yán)重，經(jīng)計算兩礦相鄰端幫壓煤約為1.41億t[8]。若兩礦采用協(xié)調(diào)開采，將有助于回收該部分煤炭。

3）優(yōu)化排土程序，實現(xiàn)排土場地共享，減少二次剝離量。黑岱溝露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向期間，引起剝離量增加，運距增大。若兩礦通過協(xié)調(diào)開采進(jìn)行排土系統(tǒng)優(yōu)化，即黑岱溝露天礦剝離物排棄到哈爾烏素露天礦的排土場，轉(zhuǎn)向完成后，將哈礦的剝離物排到黑岱溝礦，有助于實現(xiàn)排土系統(tǒng)共享、減少二次剝離工作量，神華準(zhǔn)能露天礦群示意圖如圖2所示。

圖2 神華準(zhǔn)能露天礦群示意圖

4）相鄰露天礦的采場貫通后，利于消除部分相鄰端幫，減少邊坡維護(hù)工作，同時降低煤炭自燃隱患，有利于礦山安全生產(chǎn)。

2 露天礦群協(xié)調(diào)開采模式及特點

結(jié)合目前我國露天礦開采現(xiàn)狀，特別是同一礦群內(nèi)相鄰露天礦之間的推進(jìn)開采關(guān)系，將相鄰露天礦之間的協(xié)調(diào)開采劃分為同向協(xié)調(diào)開采、反向協(xié)調(diào)開采和垂直協(xié)調(diào)開采。

2.1 同向協(xié)調(diào)開采及特點

同向協(xié)調(diào)開采是指礦群中的相鄰露天礦工作線推進(jìn)方向一致，兩個露天煤礦開采方向基本一致，可采用同向協(xié)調(diào)開采，回采端幫壓煤，提高資源回收率，同向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖如圖3所示。

圖3 同向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖

由于同一礦群中的相鄰露天礦采剝工程推進(jìn)度一般都會存在差異，加之礦權(quán)的影響，引起相鄰端幫下所壓煤炭資源難以采出。因此，對相鄰露天礦的開采程序進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，有助于回收大量端幫壓煤，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。同時，相鄰露天礦采場貫通后，會引起采礦工作線發(fā)生變化，且相鄰端幫消失后，也會造成運輸線路及卡車運距發(fā)生變化，但內(nèi)排空間會增加。

2.2 反向協(xié)調(diào)開采及特點

反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采是指：礦群中相鄰露天礦采場推進(jìn)方向基本相反，且工作面的距離逐漸縮小，如圖4所示。反向協(xié)調(diào)開采最重要的是選擇合理的采場貫通位置，如果貫通位置選擇不合理將會對后期的開采工藝、開拓運輸系統(tǒng)、排土布置及管理產(chǎn)生巨大的影響。

圖4 反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖

反向協(xié)調(diào)開采的相鄰露天礦，可按照現(xiàn)場實際情況選擇是否貫通采場。為了采出相鄰端幫下的煤炭資源，兩礦開采時可選擇不貫通采場，即各礦進(jìn)行壓幫內(nèi)排，該方式也有助于增加排土空間，但增加了二次剝離工程量；當(dāng)兩礦選擇貫通采場時，為了避免增加二次剝離量，各礦內(nèi)排時可在相鄰端幫一側(cè)做留溝處理，該方式在協(xié)調(diào)開采前期，各礦排土空間有所減小，后期內(nèi)排空間增大。

2.3 垂直方向協(xié)調(diào)開采及特點

垂直方向協(xié)調(diào)開采是指兩個相鄰露天礦的推進(jìn)方向基本垂直，這是目前露天礦開采中常見的情況，由于前期設(shè)計與境界劃分存在局限性，可能出現(xiàn)多個露天礦要同時進(jìn)行采區(qū)轉(zhuǎn)向，造成露天礦投資增加，而且要進(jìn)行必要的生產(chǎn)工藝改造，引起礦山生產(chǎn)效率下降。

垂直方向協(xié)調(diào)開采可劃分為2類：一類為兩礦采場推進(jìn)的前方為資源儲備區(qū)，如圖5（a）所示，此時兩礦可根據(jù)具體的地質(zhì)條件及生產(chǎn)工藝條件，協(xié)調(diào)由哪一礦進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)變?yōu)橥騾f(xié)調(diào)開采或者反向協(xié)調(diào)開采；另一類如圖5（b）所示，其中一個露天礦的采場前方已經(jīng)開采，此時，必須由該露天礦進(jìn)行采區(qū)轉(zhuǎn)向，另一礦根據(jù)兩礦的位置條件，增大或減緩采剝推進(jìn)力度，為以后兩礦實現(xiàn)同向或反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采創(chuàng)造條件。

3 露天礦群協(xié)調(diào)開采影響因素分析

3.1 開采工藝的影響

圖5 垂直方向推進(jìn)開采示意圖

開采工藝在礦群協(xié)調(diào)開采中是一個重要影響因素。同一礦群內(nèi)的露天礦，由于開采煤層相同、煤層賦存條件相似，大部分都采用相同的開采工藝，如平朔露天礦群中的三大露天礦均采用半連續(xù)開采工藝。然而，同一礦群中的露天礦也存在開采工藝不同的情況，如黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦同屬于準(zhǔn)能露天礦群，兩礦開采同一煤層，且煤層賦存條件相似，但兩礦開采工藝存在很大差異，黑岱溝露天煤礦不僅采用了半連續(xù)開采工藝，而且還采用了輪斗鏟連續(xù)工藝和拉鏟倒堆開采工藝，哈爾烏素露天煤礦的部分剝離采用了外包作業(yè)形式，其余部分剝離和采煤主要采用半連續(xù)工藝[9]。所以，在對露天礦群進(jìn)行協(xié)調(diào)開采優(yōu)化時，應(yīng)依據(jù)各礦開采工藝特點，綜合考慮優(yōu)化后各開采工藝之間的相互配合，使礦群協(xié)調(diào)開采的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

3.2 開拓運輸系統(tǒng)的影響

礦山開拓運輸系統(tǒng)對露天礦群協(xié)調(diào)開采有著極大的影響。礦群協(xié)調(diào)開采時，可回收相鄰端幫所壓煤炭，同時會引起露天礦的運輸條件發(fā)生變化，造成運距的增加。為了避免因運距增大而引起的運輸費用增加，露天礦協(xié)調(diào)開采后可采用在采場中部搭橋的方式緩解內(nèi)排運距過長的問題。礦群協(xié)調(diào)開采時，相鄰端幫下的井巷運輸將會給協(xié)調(diào)開采后的運輸系統(tǒng)布置帶來很多麻煩，在協(xié)調(diào)開采前期，需提前改造端幫井巷運輸系統(tǒng)，做好協(xié)調(diào)期間的開拓運輸系統(tǒng)設(shè)計。

3.3 內(nèi)外排土場的影響

礦群協(xié)調(diào)開采的本質(zhì)是對整個礦群中的露天礦進(jìn)行綜合優(yōu)化，而不過分遷就于某一礦的效益，可能造成某一礦在綜合優(yōu)化中需要作出很大犧牲。例如：相鄰露天礦垂直協(xié)調(diào)開采時，致使某一礦必須轉(zhuǎn)向以達(dá)到協(xié)調(diào)推進(jìn)，而轉(zhuǎn)向?qū)鸬V山的運輸系統(tǒng)、排土場大小發(fā)生變化，造成內(nèi)排空間不足、運距增大等問題，這就需要尋找新的外排土場，或者利用礦群開采的優(yōu)勢，實現(xiàn)排土空間的共享。

如烏蘭圖嘎露天礦與西二號露天礦采用協(xié)調(diào)開采時[10]，遇到了排土場的問題。由于烏礦剝離及排土工程均超前西二露天礦，且烏礦的內(nèi)排土場與西二礦的外排土場相鄰，所以兩礦協(xié)調(diào)開采時應(yīng)對排土系統(tǒng)的優(yōu)化方案進(jìn)行詳細(xì)論證。此外，烏礦與西二礦的相鄰端幫壓煤量大，如果回采端幫煤炭，需考慮烏礦實行壓幫內(nèi)排還是留溝內(nèi)排，但無論烏礦內(nèi)排采取何種方式，都將給西二礦的開采帶來很多問題。因此，兩礦協(xié)調(diào)開采時應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，選擇合適的協(xié)調(diào)方案。

3.4 邊坡穩(wěn)定性的影響

露天礦群開展協(xié)調(diào)開采優(yōu)化時，不僅要考慮相鄰端幫的壓煤問題，還要考慮露天礦之間在不貫通采場的情況下如何做好相鄰端幫的邊坡維護(hù)工作，以確保邊坡的穩(wěn)定。針對相鄰露天礦進(jìn)行協(xié)調(diào)開采時，在同向協(xié)調(diào)開采過程中，超前剝、采的露天礦形成的內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定與否給滯后露天礦的生產(chǎn)帶來極大威脅；反向協(xié)調(diào)開采過程中，相鄰兩礦各自形成的排土高邊坡也給對方的安全生產(chǎn)帶來重大威脅。協(xié)調(diào)開采露天礦的相鄰端幫還存在著滑坡和煤炭自燃的問題，引起邊坡圍護(hù)工程量加大。同時，邊坡的穩(wěn)定性對協(xié)調(diào)開采中的排土參數(shù)、排土空間大小、運輸系統(tǒng)等產(chǎn)生著很大的影響，也關(guān)系到工作人員的安全和礦山的正常生產(chǎn)。

由于邊坡穩(wěn)定性較差，致使現(xiàn)場施工無法達(dá)到設(shè)計角度，在優(yōu)化時必須重新對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。烏蘭圖嘎露天礦與西二露天礦內(nèi)外排示意圖如圖6，典型工程地質(zhì)剖面圖如圖7所示。

圖6 烏蘭圖嘎露天礦與西二露天礦內(nèi)外排示意圖

圖7 典型工程地質(zhì)剖面圖

3.5 相鄰露天礦空間位置的影響

礦群協(xié)調(diào)開采優(yōu)化的關(guān)鍵就是選擇貫通采場的位置及貫通時間，既要保證采場貫通過程中的正常生產(chǎn)，也要保證兩礦剝采工程位置和推進(jìn)速度具有相對一致性，這樣才有利于后期對運輸系統(tǒng)的協(xié)同布置以及端幫煤炭的采出。貫通兩礦采場主要受兩方面因素影響：①相鄰端幫壓煤范圍及兩礦目前剝采位置；②兩礦各自形成的剝采排空間位置。相鄰2礦采場貫通的前提是要能保證兩礦各自的生產(chǎn)規(guī)模、剝采排均衡等，因此礦群協(xié)調(diào)開采時應(yīng)充分考慮各礦之間的空間位置關(guān)系，對各個貫通方案進(jìn)行詳細(xì)論證、比較，并編制具體的優(yōu)化實施方案。

3.6 其他輔助環(huán)節(jié)的影響

輔助環(huán)節(jié)對礦群協(xié)調(diào)開采的影響主要是指基礎(chǔ)設(shè)施、礦山供電、采場排水等環(huán)節(jié)。

露天礦的基建工程量一般來說是巨大的，相關(guān)的生產(chǎn)輔助設(shè)施同樣需要非常大的人力、物力和財力，特別是單一露天礦隨著開采的不斷深入，后期需要花費大量資金引進(jìn)新設(shè)備和重建基礎(chǔ)設(shè)施。如果礦群間采用協(xié)調(diào)開采，不僅能實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施和開采設(shè)備的共享，同時會帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

露天礦群在協(xié)調(diào)開采過程中，將會引起相鄰端幫的改變，進(jìn)而影響到供電線纜的鋪設(shè)。而目前我國露天礦大多采用環(huán)形供電方式，該供電方式主要取決于露天礦的開采程序，協(xié)調(diào)開采導(dǎo)致開采程序的變化也將引起供電方式的改變。所以，礦群協(xié)調(diào)開采時需充分考慮供電方式對協(xié)調(diào)開采的影響。

排水環(huán)節(jié)一般不會成為礦群協(xié)調(diào)開采的限制性因素，特別是內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)的露天礦群進(jìn)行協(xié)調(diào)開采時，可以根據(jù)具體情況適當(dāng)考慮排水對協(xié)調(diào)開采的影響。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)協(xié)調(diào)開采的目的，提出了露天礦群的概念，并對協(xié)調(diào)開采的優(yōu)勢進(jìn)行了分析。

2）按照露天礦群中相鄰露天礦之間的開采關(guān)系，將露天礦群協(xié)調(diào)開采劃分為3種模式：同向協(xié)調(diào)開采模式、反向協(xié)調(diào)開采模式和垂直協(xié)調(diào)開采模式，并詳細(xì)分析了3種礦群協(xié)調(diào)開采模式的特點。

3）通過對露天礦群3種協(xié)調(diào)開采模式的研究，分別分析了開采工藝、開拓運輸系統(tǒng)、內(nèi)外排土場、邊坡穩(wěn)定性、露天礦空間位置及其他輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)對露天礦群協(xié)調(diào)開采的影響，為露天礦群協(xié)調(diào)開采優(yōu)化提供參考。

［1］趙紅澤，甄選，厲美杰.中國露天煤礦發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國礦業(yè)，2016，25（6）：12-15.

［2］張瑞新，梅曉仁，高永勝，等.露天開采規(guī)劃決策系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，32（3）：270-273.

［3］趙博深.露天礦群開發(fā)設(shè)計理論與工程優(yōu)化研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2015.

［4］張瑞新，張幼蒂.露天煤炭資源合理開發(fā)的優(yōu)序決策［J］.化工礦物與加工，1993（3）：1-5.

［5］吳會江，李建祥.露天礦生產(chǎn)計劃的現(xiàn)狀、問題與對策［J］.金屬礦山，2005（4）：4-6.

［6］劉憲權(quán)，朱建明，馮錦艷，等.水平厚煤層露井聯(lián)合開采下邊坡破壞機(jī)理［J］.煤炭學(xué)報，2008，33（12）：1346-1350.

［7］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.

［8］尚濤，才慶祥，張幼蒂，等.白音華露天煤礦合理開采規(guī)模和工藝研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2007，24（3）：321-325.

［9］張瑞新，孫健東，溫曉可，等.黑岱溝露天礦拉斗鏟挖掘作業(yè)方式研究［J］.煤炭工程，2016，48（1）：10-13.

［10］劉闖.相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Research on the coordination m ining patterns of open-pitm ine group

ZHAO Hongze,ZHENG Qunfei,ZHAO Boshen
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

According to the exploitation problems of several adjacent open-pit mines in large ore fields,the article presents the concept of coordination mining of open-pitmine group.According to the promoting relationships of the adjacent open-pitmines, the mining procedure patterns of open-pit mine group are divided into three types.At the same time,the article analyzes the influence factors ofmining under the coordination mining patterns of open-pitmine group.

open-pitmine group;coordination mining;mining procedure;pattern

TD824

B

1671－9816（2017）09－0001－05

2017-06-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金資助項目（2013QZ04）

趙紅澤（1978—），男，山西河津人，副教授，博士，主要從事采礦工程及礦山信息化方面的研究工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.001.

趙紅澤，鄭群飛，趙博深．露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：1-5.