楊曉偉，羅 強(qiáng)，劉晨東，涂宇航，武 璟，馬 力

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神華寶日希勒能源有限公司寶日希勒露天煤礦，內(nèi)蒙古海拉爾 021000；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安 710054）

經(jīng)濟(jì)合理剝采比是露天開采境界確定的重要技術(shù)，且以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比這一原則為依據(jù)[1-2]。經(jīng)濟(jì)合理剝采比代表的含義是在露天開采范圍內(nèi)所限定的最大剝采比，即如果露天開采剝采比大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比則經(jīng)濟(jì)性降低[3-4]。當(dāng)前露天煤礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比常用的確定方法包括比較法（與地采成本比較）和價(jià)格法（與礦石售價(jià)比較）[5-6]，而針對(duì)特殊賦存條件及受其他因素影響的礦區(qū)，伴隨有其他相關(guān)成本投入和額外收益，需綜合考慮露天開采范圍內(nèi)其他成本和收益對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比進(jìn)行修正，以適應(yīng)特殊賦存條件下露天開采境界的圈定[7]。以急傾斜煤層、上部存在井工采空區(qū)的特定礦床條件為例，分析經(jīng)濟(jì)合理剝采比的修正方法。

1 采空區(qū)及伴生礦物對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響

以急傾斜煤層為例，因煤層賦存傾角大、煤層露頭淺等特點(diǎn)，淺部煤層廣泛被小煤窯開采遺留老采空區(qū)。而隨著近年開采裝備與技術(shù)的進(jìn)步，這類急傾斜煤層尤其適用于采用露天開采方式，因采空區(qū)的存在造成礦田范圍內(nèi)地面塌陷并造成煤層與空氣的接觸，構(gòu)成了煤層的自燃條件。因老采空區(qū)分布，同時(shí)造成殘留煤柱無(wú)法有效回收，嚴(yán)重制約著資源回采率及井田作業(yè)安全。老采空區(qū)影響煤層自燃是威脅礦井安全及造成環(huán)境污染的重要隱患，采用露天開采方式使采空區(qū)煤層揭露，不僅能將老采空區(qū)周圍煤柱回收，同時(shí)以露天采空區(qū)內(nèi)排土方式將老采空區(qū)填埋，隔絕煤層與空氣，可以有效治理老采空區(qū)煤層自燃，是含采空區(qū)急傾斜煤層采用露天開采的重要決策依據(jù)。

此外，煤炭一直作為煤礦的單一資源被開采，高品位的與煤共伴生礦產(chǎn)賦存于許多礦區(qū)的煤系地層中，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)超煤炭。經(jīng)營(yíng)理念及部門分割等因素的影響由來(lái)已久，這些有價(jià)值的共伴生礦產(chǎn)常被遺棄于地下，或者被作為廢石排放到地面。這極大的浪費(fèi)了資源，并且導(dǎo)致大量的土地被占用、環(huán)境嚴(yán)重污染。露天開采將煤層上部土巖全部剝離掉使煤層揭露，具有可同步采出煤層頂板伴生礦物資源的優(yōu)勢(shì)[8-9]。從露天開采剝采特點(diǎn)及成本投入角度來(lái)看，伴生礦物資源的開采成本已計(jì)入巖石剝離成本，而實(shí)際中伴生礦物的獲得可額外增加開采的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，由采空區(qū)治理成本及伴生礦物資源的開采效益也影響這經(jīng)濟(jì)合理剝采比的大小，并對(duì)開采深度的確定產(chǎn)生不同程度的影響。

2 常規(guī)經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定

露天開采境界確定受眾多因素影響，且礦床條件不同，其影響程度不同，應(yīng)綜合考慮自然、技術(shù)組織及經(jīng)濟(jì)等諸多因素。露天開采境界的不斷延伸和擴(kuò)展，使得采礦量和剝巖量相應(yīng)增加，故要確定露天開采境界，其實(shí)質(zhì)是控制剝采比的大小，使其不超過(guò)經(jīng)濟(jì)合理界限值。而這里所指的經(jīng)濟(jì)合理界限值就是經(jīng)濟(jì)合理剝采比，對(duì)于露天礦而言，開采1 t 礦石在經(jīng)濟(jì)上所允許的最大剝離量，即保證露天礦在不虧損的前提下，單位礦石可允許分?jǐn)偟膭冸x量。對(duì)于實(shí)際露天開采境界圈定，其原則多是以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比[10-11]。

經(jīng)濟(jì)合理剝采比是由市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)因素影響的露天礦最大剝采比，與露天開采成本及原煤售價(jià)、原礦可供選擇開采方式成本等技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)合理剝采比的傳統(tǒng)計(jì)算方法主要以露天開采成本與地下開采成本比較法和露天開采成本和礦石售價(jià)比較法2 種為主[12]，其中前者是以區(qū)分露天開采和地下開采2 種方法開采同一礦床成本最小的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，后者是確定保障露天開采具有盈利為目的的極限剝采比。

1）原礦成本比較法。為使露天開采的原礦成本等于地下開采的成本，在此把原礦作為計(jì)算的基礎(chǔ)，計(jì)算方法為：

式中：nj為經(jīng)濟(jì)合理剝采比，m3/t；CD為地下開采單位的礦石成本，元/t；a 為露天開采純采礦成本，元/t；b 為露天開采單位巖石剝離費(fèi)用（露天開采的剝離成本），元/m3。

2）精礦成本比較法。此方法的計(jì)算基礎(chǔ)是選礦或者冶煉后的產(chǎn)品的精礦量，這樣就能夠使露天開采后的經(jīng)過(guò)選礦和冶煉得到的產(chǎn)品的精礦成本等于地下開采的成本，計(jì)算方法為：

式中：KL、KD為露天開采、地下開采每噸原礦的精礦產(chǎn)出率，t/t；DL、DD為露天開采、地下開采每噸原礦所分?jǐn)偟牟傻V、選礦、冶煉的成本，元/t。

3）儲(chǔ)量盈利比較法。本法的基本思想是將單位工業(yè)儲(chǔ)量的地采盈利作為露采盈利的下限，計(jì)算方法如下：

式中：UL、UD為露天開采、地下開采每噸工業(yè)儲(chǔ)量礦石所獲得的盈利，元/t。

4）價(jià)格法。價(jià)格法基本原則是產(chǎn)品的銷售價(jià)格要低于露天開采單位的成本，從而增加礦山的效益。原礦價(jià)格法是指原礦售價(jià)與露天開采單位礦石成本相對(duì)比，求出經(jīng)濟(jì)合理剝采比，計(jì)算方法為：

式中：Pa為每噸礦石的價(jià)格，元/t。

3 采空區(qū)及伴生礦物對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響

3.1 伴生礦物開采效益

我國(guó)煤系地層中與煤共生和伴生的礦產(chǎn)資源豐富、種類較多，其中較普遍的、便于開發(fā)利用的主要包括：高嶺土、膨潤(rùn)土、石膏、石墨、硫鐵礦、油頁(yè)巖。伴生礦物資源量與露天開采深度密切相關(guān)，則相應(yīng)開采深度獲得伴生礦物資源的經(jīng)濟(jì)效益為：

式中：Vi為獲得第i 中伴生礦物資源量，m3；H 為露天開采深度，m；B 為開采伴生礦物資源獲得的額外經(jīng)濟(jì)效益，元；bi為第i 種礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟(jì)效益，元。

3.2 采空區(qū)探測(cè)及煤自燃防治成本

井工開采過(guò)后形成的采空區(qū)為原煤提供了與氧氣接觸條件，首先煤表面通過(guò)物理吸附的方式吸附氧分子，氧分子在煤表面被活性基團(tuán)物理吸附，之后再被化學(xué)吸附完成煤氧復(fù)合反應(yīng)。，導(dǎo)致自燃。煤火災(zāi)害是礦井的五大災(zāi)害之一，造成大量的人員傷亡和設(shè)備損壞，同時(shí)也產(chǎn)生大量的有毒有害氣體、污染環(huán)境，并導(dǎo)致大量不可再生資源的浪費(fèi)。對(duì)與煤層中存在采空區(qū)影響的礦床而言，在露天開采過(guò)程中需采用相關(guān)方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)和治理，以避免采空區(qū)火災(zāi)及塌陷引起的設(shè)備作業(yè)安全。

其中采空區(qū)探測(cè)成本與探測(cè)方法與探測(cè)區(qū)域大小有關(guān)，采空區(qū)煤自燃防治成本與采空區(qū)空間尺寸密切相關(guān)，則采空區(qū)探測(cè)及煤自然防治成本Cr為：

式中：ct為單位探測(cè)成本，元/m2；A 為探測(cè)區(qū)域面積，m2；cz為采空區(qū)煤自燃單位治理成本，元/m3；Vj為已探測(cè)的獲得第j 個(gè)采空區(qū)體積，m3。

3.3 改進(jìn)經(jīng)濟(jì)合理剝采比

由于伴生礦物資源量及境界內(nèi)采空區(qū)數(shù)量、尺寸具有不確定性，與境界大小密切相關(guān)。因此，由伴生礦物開采效益和采空區(qū)探測(cè)及煤自燃防治成本影響的單位原煤對(duì)應(yīng)成本由境界因素影響。而通常情況下，露天開采合理境界的確定以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比為原則，代表每增加單位采深所采出礦量都是經(jīng)濟(jì)上有利可圖的，以成本比較法為例，可表示為：

式中：△P 為開采境界延深單位深度后增加的礦石量；△V 為露天開采境界延深單位深度后所增加的巖石量；η 為原礦采出率；CD為地下采礦成本。

伴生礦物開采經(jīng)濟(jì)效益和采空區(qū)探測(cè)及煤自然防治成本發(fā)生在露天開采境界內(nèi)，換算成對(duì)應(yīng)的原礦單位經(jīng)濟(jì)效益和成本，則綜合考慮境界內(nèi)伴生礦物資源量和采空區(qū)尺寸影響的邊界層成本關(guān)系為：

式中：P 為露天開采深度為H 時(shí)所對(duì)應(yīng)的采出礦量。

式（8）變換后得修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比n′j1：n′，顯見修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比由原經(jīng)濟(jì)合理剝采比和考慮伴生礦物和采空區(qū)影響因子n′之和構(gòu)成，其大小與境界內(nèi)伴生礦物資源量、采空區(qū)探測(cè)面積和采空區(qū)尺寸、境界內(nèi)原礦量有關(guān)。

同理，以精礦成本比較法、儲(chǔ)量盈利比較法及價(jià)格法確定的修正后經(jīng)濟(jì)合理剝采比可以表示為：

4 算例分析

某急傾斜煤層傾角45°、煤層厚度20 m，礦田走向長(zhǎng)度4 km，擬采用露天開采，原煤采出系數(shù)98%，頂幫邊坡角40 °。附近可供參考井工礦開采成本192 元/t，估計(jì)露天開采純采礦成本為12 元/t，剝離成本18 元/m3。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，礦田內(nèi)含有豐富的黏土礦物，可作為伴生礦物資源開采，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，該礦床由于歷史原因，上部存在零星開采采空區(qū)并引起煤層自燃，造成環(huán)境污染且是影響礦山安全開采的重要隱患。需采取必要措施進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)及火區(qū)治理，以保證露天開采正常安全生產(chǎn)。按照傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的成本比較法計(jì)算，有：nj1=10 m3/t。

假定勘探采空區(qū)面積400 m2，單位勘探費(fèi)用48元/m3，采空區(qū)總體積1 600 m3，單位采空區(qū)煤火防治成本40 元/m3；礦田范圍內(nèi)伴生礦物采出量是開采深度的函數(shù)為50 Ht，伴生礦物單位售價(jià)60 元/t。按照成本比較法的修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比為：

顯然，根據(jù)式（11）可知經(jīng)濟(jì)合理剝采比隨開采深度增加而增大，當(dāng)H→∞時(shí)，n′j1=10 m3/t。修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比較傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比較大。

另外，依據(jù)境界圈定原則確定斷面合理開采深度是經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定的目的。而式（11）中存在開采深度變量。因而，從修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比的應(yīng)用角度分析，綜合考慮境界剝采比nk和修正合理剝采比n′j1的關(guān)系有：

剝采比與開采深度關(guān)系曲線如圖1。

圖1 剝采比與開采深度關(guān)系曲線

從圖1 中可以看出，依據(jù)境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比原則確定露天開采境界時(shí)，如果按照傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比方法確定的最大開采深度為89 m，而按照修正的修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定的最大開采深度可以達(dá)到132 m。修正的經(jīng)濟(jì)合理剝采比充分考慮了礦田開采范圍內(nèi)的伴生礦物效益、采空區(qū)及煤層自燃影響因素，更能充分說(shuō)明開采成本與效益關(guān)系，所確定的開采深度和境界更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

1）礦田范圍內(nèi)伴生礦物資源開采經(jīng)濟(jì)效益對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響較大，在露天礦開采設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告有效評(píng)估伴生礦物開采收益，并作為露天開采境界確定的重要因素予以考慮其中。

2）露天礦田內(nèi)存在的井工采空區(qū)為煤層自燃提供了充分條件，是影響礦山正常安全開采和環(huán)境污染的重要隱患，為采空區(qū)探測(cè)及火區(qū)治理所發(fā)生的相關(guān)費(fèi)用應(yīng)一并計(jì)入到露天開采成本中，并作為影響經(jīng)濟(jì)合理剝采比要素。

3）修正的經(jīng)濟(jì)合理剝采比能夠更充分反映露天礦田特征，依據(jù)修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比所確定的露天開采深度能夠滿足最佳開采經(jīng)濟(jì)效益。