門(mén)樹(shù)臣

（內(nèi)蒙古錫林河煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏拉蓋 026321）

U 型開(kāi)采程序在賀斯格烏拉露天煤礦的應(yīng)用

門(mén)樹(shù)臣

（內(nèi)蒙古錫林河煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏拉蓋 026321）

為了避免賀斯格烏拉露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中煤層降深過(guò)大引起的生產(chǎn)剝采比階段性大幅增加，生產(chǎn)接續(xù)失衡以及疏干降水困難等情況出現(xiàn)，在對(duì)開(kāi)采條件深入分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮各制約因素，提出了U型開(kāi)采程序的概念，闡明了U型開(kāi)采程序的具體內(nèi)容。

露天煤礦；開(kāi)采程序；疏干降水；生產(chǎn)剝采比

0 引 言

露天礦的開(kāi)采程序主要涉及工作線(xiàn)布置方式、采區(qū)劃分接續(xù)方式、采剝工程初始位置的確定、工作線(xiàn)垂直降深及開(kāi)采臺(tái)階的劃分等5個(gè)因素。這5個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)共同決定了露天礦基建工程量、礦山生產(chǎn)能力、礦山建設(shè)速度、生產(chǎn)剝采比以及露天礦生產(chǎn)的均衡性。開(kāi)采程序常被作為露天采礦領(lǐng)域中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)課題來(lái)加以研究，開(kāi)采程序的很多研究成果已被應(yīng)用到礦山生產(chǎn)中，用以指導(dǎo)礦山實(shí)際生產(chǎn)。

開(kāi)采程序的5個(gè)要素之間存在著環(huán)狀的相互作用關(guān)系。采剝工程初始位置及工作線(xiàn)布置方式二者相互制約，相互影響，在經(jīng)濟(jì)上對(duì)基建工程量、初期生產(chǎn)剝采比以及實(shí)現(xiàn)內(nèi)排的時(shí)間等方面也有著重要的影響，在技術(shù)上對(duì)整個(gè)露天礦生產(chǎn)工藝有著重要影響。采剝工程初始位置影響采區(qū)劃分及接續(xù)方式，首采區(qū)一般是圍繞采剝工程初始位置來(lái)確定的，采區(qū)劃分方案是在采區(qū)確定后根據(jù)接續(xù)方式和采礦工程發(fā)展的要求，綜合考慮礦山地質(zhì)條件來(lái)進(jìn)行確定。礦山生產(chǎn)的均衡受采區(qū)劃分及接續(xù)方式的影響。開(kāi)采臺(tái)階的劃分及工作線(xiàn)垂直降深方式與工作線(xiàn)布置方式、采剝工程初始位置、礦體賦存條件以及采場(chǎng)的幾何形狀等密切相關(guān)。降深位置直接影響基建工程量大小和礦山的投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)時(shí)間、降深方式和降深角直接影響工作線(xiàn)布置方式和水平推進(jìn)強(qiáng)度、降深速度，從而影響礦山生產(chǎn)能力。而開(kāi)采臺(tái)階的劃分方式及工作線(xiàn)的降深方式也影響著工作線(xiàn)布置方式的選擇。

從礦山的地形、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件出發(fā)，以賀斯格烏拉露天煤礦為例，針對(duì)各方面的制約因素，以“因礦制宜、區(qū)別對(duì)待、綜合優(yōu)化”為原則，對(duì)露天礦的開(kāi)采程序進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化分析，提出了U型開(kāi)采程序，為其他傾斜凹陷露天煤礦提供借鑒和參考。

1 賀斯格烏拉露天礦概況

賀斯格烏拉露天煤礦一期規(guī)模為 3.0 Mt/a，2008年一期達(dá)產(chǎn)，二期規(guī)模為15.0 Mt/a，2012年二期達(dá)產(chǎn)。首采區(qū)主采煤層為1-1#煤，其構(gòu)造形態(tài)為一寬緩向斜，兩翼傾角達(dá)10°～14°，軸位略偏東側(cè)，軸向北東30°，煤層底板整體形狀呈鍋底狀，煤層厚度20～50 m，首采區(qū)1-1#煤底板等高線(xiàn)如圖1所示。采煤采用單斗卡車(chē)+半移動(dòng)式破碎機(jī)+帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝，剝離采用單斗卡車(chē)間斷工藝。

圖1 首采區(qū)1-1煤底板等高線(xiàn)

首采區(qū)主要有2個(gè)含水層：①第四系孔隙潛水含水層，厚度3.01～3.50 m，水位標(biāo)高在+903 m左右；②煤系裂隙風(fēng)化帶承壓含水層底板平均標(biāo)高約為+776 m，等效水頭標(biāo)高約為+900 m。兩含水層之間被穩(wěn)定發(fā)育的第四系黏土層阻隔，無(wú)水力聯(lián)系。

2 U型開(kāi)采程序設(shè)計(jì)

2.1 工作線(xiàn)布置方式的選擇

國(guó)內(nèi)大型露天煤礦主要有以下幾類(lèi)工作線(xiàn)布置方式：①走向工作線(xiàn)布置方式。沿煤層傾向推進(jìn)，全區(qū)縱向布置工作線(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是工作線(xiàn)長(zhǎng)大、設(shè)備效率發(fā)揮好；②傾向工作線(xiàn)布置。全區(qū)傾向布置工作線(xiàn)，沿煤層走向推進(jìn)，特點(diǎn)是在開(kāi)采過(guò)程中剝采比變化小，便于內(nèi)排；③分區(qū)走向工作線(xiàn)布置方式，適用于長(zhǎng)大露天礦，可減少運(yùn)距，拉溝速度快，減少基建工程量；④分區(qū)傾向工作線(xiàn)布置方式，前期可在較淺的境界范圍內(nèi)開(kāi)采，與大境界相比可以降低初期生產(chǎn)基建工程量和剝采比，在礦體水平或近水平埋藏條件下，可利用鄰近分區(qū)的采空區(qū)就近內(nèi)排，缺點(diǎn)是煤巖混雜大。適用于露天開(kāi)采境界為分期擴(kuò)大的技術(shù)要求（遠(yuǎn)期境界不清或不可靠開(kāi)采條件）；⑤基坑布置，適用于單斗-卡車(chē)工藝，由于初期可形成3個(gè)工作面，故可有效縮短基建時(shí)間，減少初期生產(chǎn)剝采比；⑥扇形工作線(xiàn)布置方式存在零采寬處，易造成設(shè)備效率低下，主要適用于輪斗連續(xù)工藝或采區(qū)過(guò)渡。

結(jié)合以上工作線(xiàn)布置方式的特點(diǎn)以及本礦首采區(qū)開(kāi)采條件，對(duì)本礦選擇工作線(xiàn)布置方式分析如下：

1）開(kāi)采工藝的類(lèi)型對(duì)工作線(xiàn)布置起到重要的影響，對(duì)單斗-卡車(chē)工藝而言，工作線(xiàn)的長(zhǎng)度影響著設(shè)備工作效率和運(yùn)距，針對(duì)首采區(qū)主采煤層的賦存條件而言，工作線(xiàn)縱向布置時(shí)，工作線(xiàn)長(zhǎng)度可達(dá)1.2～ 1.5 km，工作線(xiàn)橫向布置時(shí)，工作線(xiàn)長(zhǎng)度僅為0.7 km左右，不利于作業(yè)設(shè)備效率的發(fā)揮。

2）首采區(qū)主采煤層構(gòu)造形態(tài)為一寬緩向斜，兩翼傾角達(dá)10°～14°，若工作線(xiàn)采取縱向布置，可沿煤層頂板露煤，煤質(zhì)可得到保證，資源損失?。蝗魴M向布置工作面，靠近煤層頂板上方位置處會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階尖滅，煤巖分采難度大、損失多，煤質(zhì)不易保證。

3）相對(duì)于工作線(xiàn)橫向布置，縱向布置工作線(xiàn)時(shí)，礦山基建時(shí)間更短，推進(jìn)速度更快，初期投資較少。

因此，首采區(qū)工作線(xiàn)采用縱向布置較為合理。但由于本露天礦首采區(qū)主采1-1煤非單一傾斜煤層，整體形狀呈“鍋底狀”，四周高，中間低，且兩側(cè)傾角過(guò)大。同時(shí)地下水大量聚集在向斜軸附近。如果在拉溝位置工作線(xiàn)采用全區(qū)縱向布置方式，隨著工作線(xiàn)的推進(jìn)，原工作線(xiàn)方向與實(shí)際煤層的頂板走向產(chǎn)生近90°夾角，將對(duì)露天礦生產(chǎn)產(chǎn)生以下不利影響：①大量煤被覆蓋，不能及時(shí)揭露出來(lái)，年度二量正常儲(chǔ)備困難；②增大生產(chǎn)剝采比，導(dǎo)致年度剝離投入增大，增加生產(chǎn)成本；③采區(qū)中間是煤層最低處，地下水大量聚集在采區(qū)中間，降深露煤受疏干水位的制約較大，使整體推進(jìn)和降深不協(xié)調(diào)。綜上所述，首采區(qū)應(yīng)采用分區(qū)縱向開(kāi)采方式。

2.2 采剝工程初始位置確定

賀斯格烏拉露天煤礦首采區(qū)地表境界線(xiàn)如圖2，本礦初始采剝工程位置的確定主要從以下幾個(gè)方面綜合考慮：

1）本區(qū)煤巖賦存條件特殊，為一巨大的向斜，主采的1-1煤在境界內(nèi)有掩覆露頭，兩翼傾角約為10°～14°，屬于傾斜煤層。

2）根據(jù)露天礦的地質(zhì)地形條件，由于礦區(qū)西部地面起伏較大，有兩“山頭”存在，而礦田東北部覆蓋層薄，僅為27～39 m。

3）礦區(qū)東部由于地勢(shì)較為平坦，且沒(méi)有重要的地面建構(gòu)筑物，雖然存在一條河流，但由于其屬季節(jié)性河流且水量不大，暫不需對(duì)其進(jìn)行改道，且將來(lái)對(duì)之進(jìn)行改道也較為容易，便于就近布設(shè)外排土場(chǎng)和工業(yè)廣場(chǎng)。因此確定采剝工程初始位置為1-1煤北部露頭。

2.3 條區(qū)劃分及接續(xù)方式

根據(jù)首采區(qū)主采煤層的賦存條件以及前面確定的采剝工程初始位置、工作線(xiàn)布置方式，將首采區(qū)劃分4個(gè)條區(qū)如圖2所示。

圖2 條區(qū)劃分示意圖

條區(qū)開(kāi)采先后順序一條區(qū)→二條區(qū)→三條區(qū)→四條區(qū)，一條區(qū)向二條區(qū)、三條區(qū)過(guò)渡采用間斷式過(guò)渡。一、二、三條區(qū)有足夠的露煤量后，再剝離第四條區(qū)煤層上部覆蓋物，可有效均衡首采區(qū)后期剝采比。

2.4 劃分開(kāi)采臺(tái)階

根據(jù)以上確定的工作線(xiàn)布置方式，首采區(qū)的開(kāi)采臺(tái)階在頂板以上采用水平分層，在煤層部分采用傾斜分層。

2.5 工作線(xiàn)垂直降深方式

露天開(kāi)采程序的主要內(nèi)容之一是工作線(xiàn)垂直降深方式。它與采剝工程初始位置、工作線(xiàn)布置方式、采場(chǎng)的幾何形狀及煤與采場(chǎng)之間的相對(duì)位置等條件密切聯(lián)系。降深位置直接影響基建工程量大小和礦山的投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)時(shí)間，降深方式和降深角直接影響工作線(xiàn)布置方式和降深速度、水平推進(jìn)強(qiáng)度，進(jìn)而影響礦山的生產(chǎn)能力。必須全面考慮相關(guān)的工藝技術(shù)因素和綜合經(jīng)濟(jì)效果，經(jīng)分析比較后加以確定。

賀斯格烏拉露天煤礦首采區(qū)縱向工作線(xiàn)布置沿煤層傾向推進(jìn)，采用單斗卡車(chē)運(yùn)輸，具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。條區(qū)為狹長(zhǎng)條形，走向長(zhǎng)度較大，煤層傾角較大，約為最終幫坡角，因此需要破底板開(kāi)采?？紤]減少露天礦初期的基建工程量，縮短礦山投達(dá)產(chǎn)時(shí)間，較快的取得經(jīng)濟(jì)效益，減小開(kāi)采過(guò)程中的貧化和損失，降深位置需選擇在緊靠煤層露頭頂板位置。因此各采掘帶平盤(pán)的降深位置應(yīng)選擇在煤層上盤(pán)，即在各工作平盤(pán)上頂板拉溝，向頂幫推進(jìn)剝離，向底幫推進(jìn)采煤，降深角為礦體傾角。而本礦的首采區(qū)工作線(xiàn)布置方式為走向布置，傾向推進(jìn)，整個(gè)露天礦的整體降深方式應(yīng)為沿非工作幫降深，降深角為露天礦非工作幫的幫坡角。

綜上所述，本礦的工作線(xiàn)垂直降深方式為沿煤層頂板+非工作幫的綜合降深方式。本礦采用單斗卡車(chē)運(yùn)輸，可以滿(mǎn)足這一綜合降深方式的要求。

2.6 運(yùn)輸系統(tǒng)布置

由于在首采區(qū)北部有北排土場(chǎng)，東部有東排土場(chǎng)，儲(chǔ)煤場(chǎng)位于首采區(qū)西北部，因此在各條區(qū)地表分別設(shè)置出入溝，在非工作幫形成固定坑線(xiàn)（底板）運(yùn)輸，各條區(qū)的剝離物以及原煤量通過(guò)最近通道運(yùn)輸至附近的排土場(chǎng)及儲(chǔ)煤場(chǎng)。同時(shí)可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況調(diào)配各個(gè)通道的卡車(chē)流量。運(yùn)輸系統(tǒng)布置示意圖如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸系統(tǒng)布置示意圖

2.7 疏干排水系統(tǒng)

依據(jù)賀斯格烏拉煤田水文地質(zhì)資料及近年水文觀測(cè)孔實(shí)測(cè)顯示，從區(qū)域地下等水位圖分析，判斷出地下水的徑流補(bǔ)給方向，首先對(duì)采區(qū)外側(cè)地下水補(bǔ)給源進(jìn)行疏干井布置，形成有效疏干帶，同時(shí)采區(qū)內(nèi)的井深穿透2-1煤底板，對(duì)第四系淺部孔隙含水層及煤系風(fēng)化裂隙帶承壓含水層含水進(jìn)行同時(shí)控制和有效疏干。

動(dòng)態(tài)外源補(bǔ)給截流控制后，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)對(duì)坑下煤層的靜儲(chǔ)量進(jìn)行有效疏干，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，一、二、三條區(qū)內(nèi)的疏干井逐漸被廢除，但第四條區(qū)范圍內(nèi)8眼主疏干井穿透煤層底板最低處，可持續(xù)抽排首采區(qū)范圍內(nèi)的地下水，解決這3個(gè)條區(qū)的開(kāi)采過(guò)程中的地下水疏降問(wèn)題。

在考慮開(kāi)采第四條區(qū)時(shí)，地表8眼主疏干井被替代的情況下解決坑下煤層排水，在坑下采煤工作面對(duì)應(yīng)的煤層底板最低處設(shè)計(jì)疏干井6眼，分別下設(shè)排量為160 m3/h的潛水泵進(jìn)行抽水。同時(shí)在采煤工作面靠近向斜軸的東北部挖設(shè)明排集水坑，采用2臺(tái)280 m3/h排水量的臥式離心泵，利用明排輔助暗排的方式替代剝離作業(yè)區(qū)內(nèi)的8眼主疏干井，解決了第四條區(qū)開(kāi)采時(shí)首采區(qū)地下水疏降的問(wèn)題，2010年首采區(qū)疏干系統(tǒng)布置如圖4。

圖4 2010年首采區(qū)疏干系統(tǒng)布置

3 效益分析

由于受到首采區(qū)主采煤層賦存條件及地下水賦存條件的限制，考慮生產(chǎn)期間剝采比均衡及開(kāi)采過(guò)程中疏干排水工程的接續(xù)，將首采區(qū)進(jìn)行分條區(qū)U型開(kāi)采，在2008—2011年實(shí)施U型開(kāi)采期間生產(chǎn)剝采比及產(chǎn)銷(xiāo)情況如圖5所示。

圖5 2008—2011年首采區(qū)產(chǎn)銷(xiāo)量及剝采比示意圖

從圖5中可以看出，采用U型開(kāi)采程序，在首采區(qū)開(kāi)采過(guò)程中，生產(chǎn)剝采比一直穩(wěn)定在2～3 m3/t這一合理區(qū)間之內(nèi)，未因1-1煤賦存條件的變化而出現(xiàn)較大的波動(dòng)。從產(chǎn)銷(xiāo)量發(fā)展關(guān)系上來(lái)看，露天礦從2008年產(chǎn)量4.2 Mt跨越式發(fā)展至2011年產(chǎn)量21.4 Mt，該時(shí)期恰逢國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)升溫，煤炭需求量和煤價(jià)均大幅提升。采用U型開(kāi)采程序，快速、充分的釋放了露天礦的產(chǎn)能，及時(shí)把握住市場(chǎng)的脈搏，為露天礦、集團(tuán)公司及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

首采區(qū)主采1-1煤整體形狀呈“鍋底狀”，兩側(cè)傾角達(dá)10°～14°，同時(shí)地下水大量聚集在向斜軸附近，在開(kāi)采至煤層最低處時(shí)將面臨著剝采比階段性大幅增加，二量正常儲(chǔ)備困難，煤層水不易疏干等困難，針對(duì)以上問(wèn)題，在對(duì)首采區(qū)開(kāi)采條件進(jìn)行深入分析，因礦制宜地提出了分條區(qū)縱向開(kāi)采的U型開(kāi)采程序，并通過(guò)在不同開(kāi)采階段對(duì)礦坑疏降水工程的優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中煤層水的有效疏降，為露天礦正常生產(chǎn)接續(xù)提供保證。U型開(kāi)采程序的實(shí)施，使得露天礦生產(chǎn)剝采比穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，快速、充分地釋放了露天礦產(chǎn)能，及時(shí)把握住了市場(chǎng)的脈搏，為露天礦、集團(tuán)公司及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，獲得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Application of U-typem ining program in Hesigewula Open-pit Coal M ine

MEN Shuchen
(Inner Mongolia Xilinhe Coal Chemical Industry Co.,Ltd.,Wulagai 026321,China)

In order to avoid the sudden increase of production stripping ratio,the imbalance of production connection and the difficulty of drought caused by deepening the coal seam during the mining process,on the basis of the deep analysis of the mining conditions,the author considers the various restriction factors,puts forward the concept of U-typemining program,and clarifies the specific content of the U-typemining program.

open-pit coalmine;mining procedure;drainage and precipitation;production stripping ratio

TD824

B

1671－9816（2017）09－0006－05

2017-05-18

門(mén)樹(shù)臣（1969—），男，采礦高級(jí)工程師，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任（國(guó)電）內(nèi)蒙古錫林河煤化工有限責(zé)任公司總工程師。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.002

門(mén)樹(shù)臣.U型開(kāi)采程序在賀斯格烏拉露天煤礦的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：6-9.