孫俊東

(神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

國(guó)內(nèi)很多大型露天煤礦開采通常采用分區(qū)開采方式，然而采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)成為采區(qū)臨近終了時(shí)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[1]，采區(qū)轉(zhuǎn)向研究將影響露天礦未來(lái)十年各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)的重大技術(shù)決策，如內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾哈爾烏素露天煤礦、山西平朔安太堡露天煤礦、內(nèi)蒙古伊敏河露天煤礦、新疆準(zhǔn)東天池能源南露天煤礦等[2-5]。在采區(qū)轉(zhuǎn)向過(guò)渡過(guò)程中不同轉(zhuǎn)向方式對(duì)露天礦能力接續(xù)、剝采工作面布置、排土?xí)r空關(guān)系、剝采比變化、生產(chǎn)成本等方面均有直接影響[6-9]，采區(qū)轉(zhuǎn)向方案優(yōu)化研究是國(guó)內(nèi)很多大型露天煤礦近期面臨和亟需解決的問(wèn)題。

1 工程概況

勝利能源一號(hào)露天煤礦位于勝利煤田的西南部，距錫林浩特市6km，礦權(quán)范圍南北寬4.58km，東西長(zhǎng)7.50km，面積34.36km2，全礦劃分為首采區(qū)、二采區(qū)和三采區(qū)，首采區(qū)開采至西幫結(jié)束，二采區(qū)位于露天礦西北側(cè)，剩余部分劃分為三采區(qū)，開采順序?yàn)槭撞蓞^(qū)→二采區(qū)→三采區(qū)。

勝利能源一號(hào)露天煤礦采煤采用單斗-卡車-半移動(dòng)式破碎站半連續(xù)采工藝，剝離采用單斗-卡車間斷開采工藝。目前首采區(qū)開采已過(guò)半，采掘場(chǎng)坑底最低標(biāo)高為820m，地表標(biāo)高為1048m，剝離臺(tái)階高度15m，采煤臺(tái)階高度為10m和15m兩種，剝離臺(tái)階13個(gè)，采煤臺(tái)階5個(gè)，剝離物已完全實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，內(nèi)排土場(chǎng)已排棄至1005m，排土臺(tái)階高度為15m；外排土場(chǎng)中南卡車排土場(chǎng)、北卡車排土場(chǎng)和三采區(qū)范圍內(nèi)的沿幫排土場(chǎng)已排棄完畢，露天礦正面臨后續(xù)采區(qū)選擇及生產(chǎn)接續(xù)、轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)排空間緊張等問(wèn)題。

2 采區(qū)工作線長(zhǎng)度優(yōu)化

露天礦工作線長(zhǎng)度是露天開采的主要參數(shù)之一，是由露天礦采掘場(chǎng)尺寸決定的[10，11]。復(fù)雜礦床經(jīng)濟(jì)工作線長(zhǎng)度確定的優(yōu)化理論，在完成相同產(chǎn)量的條件下，剝離的主要費(fèi)用由爆破、采掘、運(yùn)輸、排土四部分組成，工作線長(zhǎng)度的變化直接影響生產(chǎn)剝采比和設(shè)備布置、排土運(yùn)距等，而運(yùn)輸成本一般占露天礦生產(chǎn)總成本的50%左右，部分深大露天礦的運(yùn)輸成本占比已超過(guò)60%[12-14]。

當(dāng)復(fù)雜礦床兩端覆蓋層厚度和兩端幫幫坡角均相等時(shí)，其經(jīng)濟(jì)合理工作線長(zhǎng)度計(jì)算：

式中，x為經(jīng)濟(jì)合理工作線長(zhǎng)度，km；H為剝離層厚度，m；β為端幫幫坡角，(°)；θ為煤層傾角，(°)；C1為穿孔爆破、采裝、排土費(fèi)用，元/m3；C2為綜合運(yùn)輸費(fèi)用，元/m3·km；a為排棄路線系數(shù)，雙環(huán)時(shí)a=1；b為排棄影響距離，取決于端幫運(yùn)輸，km。

排棄影響距離主要取決于端幫上的運(yùn)距，采用雙環(huán)內(nèi)排時(shí)，排棄影響距離長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中，φ為工作幫坡角，(°)；α為內(nèi)排土場(chǎng)幫坡角，(°)；m為坑底安全距離，m；h為煤層厚度，m。

在經(jīng)濟(jì)工作線長(zhǎng)度條件下的年剝離總費(fèi)用為：

式中，Ap為年產(chǎn)礦量，t/a；γ為煤的容重，t/m3。

2.1 首采區(qū)、二采區(qū)工作線長(zhǎng)度

首采區(qū)、二采區(qū)合理工作線長(zhǎng)度計(jì)算參數(shù)見表1。根據(jù)各采區(qū)參數(shù)計(jì)算露天礦年剝離費(fèi)用情況見表2。

根據(jù)勝利能源一號(hào)露天煤礦開采現(xiàn)狀，在現(xiàn)有1.5km基礎(chǔ)上增加工作線長(zhǎng)度方案，因煤層向北傾斜下降，地形高程上升，將導(dǎo)致生產(chǎn)剝采比、剝離及采煤運(yùn)輸距離增加；若在現(xiàn)有工作線長(zhǎng)度基礎(chǔ)上縮短采煤工作線長(zhǎng)度，則將增加首采區(qū)的推進(jìn)強(qiáng)度，使首采區(qū)服務(wù)年限變短，采區(qū)轉(zhuǎn)向時(shí)間提前。因此，雖然首采區(qū)工作線長(zhǎng)度1.2km的剝離費(fèi)用最低，但縮短首采區(qū)工作線長(zhǎng)度、首采區(qū)服務(wù)年限變短、采區(qū)轉(zhuǎn)向工程提前發(fā)生且生產(chǎn)組織困難，剝離運(yùn)輸通道折點(diǎn)多不順暢，最終確定首采區(qū)工作線長(zhǎng)度保持現(xiàn)狀工作線長(zhǎng)度1.5km不變。

表1 首采區(qū)、二采區(qū)合理工作線長(zhǎng)度計(jì)算參數(shù)表

表2 不同工作線長(zhǎng)度時(shí)的剝離費(fèi)用表

二采區(qū)工作線長(zhǎng)度1.5～1.9km之間年剝離費(fèi)用較低，雖然1.6km工作線長(zhǎng)度費(fèi)用較1.5km時(shí)略低，采區(qū)資源量多、服務(wù)年限長(zhǎng)、轉(zhuǎn)向周期長(zhǎng)，但工作線長(zhǎng)度1.6km時(shí)，考慮內(nèi)排土場(chǎng)松散系數(shù)和備用系數(shù)，其內(nèi)排土場(chǎng)排土空間減少約15.75Mm3。二采區(qū)1.6km工作線長(zhǎng)度相對(duì)于1.5km將發(fā)生二次剝離，剝離量為13.01Mm3，剝離費(fèi)用約為14671萬(wàn)元，同時(shí)若二采區(qū)工作線過(guò)長(zhǎng)，則內(nèi)排土場(chǎng)停止跟進(jìn)位置較早，導(dǎo)致加高內(nèi)排量(或增加外排量)過(guò)大[15]。因此，綜合考慮剝離費(fèi)用、二次剝離費(fèi)用及采區(qū)過(guò)渡的平穩(wěn)性，確定二采區(qū)與首采區(qū)工作線長(zhǎng)度一致亦為1.5km。

2.2 三采區(qū)工作線長(zhǎng)度

三采區(qū)工作線長(zhǎng)度提出了全工作線開采和半工作線長(zhǎng)度開采兩種方式，采用全工作線一個(gè)條帶開采時(shí)，工作線長(zhǎng)度2.1km，總剝離量為2561.74Mm3，平均剝采比為3.30m3/t；采用半工作線兩個(gè)條帶開采時(shí)，工作線長(zhǎng)度1.05km，因增加一次內(nèi)排土場(chǎng)的二次剝離，總剝離量為3079.45Mm3，剝采比為3.87m3/t，三采區(qū)工作線長(zhǎng)度方案對(duì)比情況見表3。

表3 三采區(qū)工作線長(zhǎng)度方案主要影響指標(biāo)對(duì)比表

經(jīng)上述對(duì)比分析，雖然半工作線長(zhǎng)度方案比全工作線長(zhǎng)度方案剝離運(yùn)輸距離短，但因其增加二次剝離量517.7Mm3，生產(chǎn)期增加剝離成本9.16億元，因此確定三采區(qū)工作線長(zhǎng)度采用全工作線長(zhǎng)度2.1km更經(jīng)濟(jì)。

3 采區(qū)過(guò)渡方案研究

采區(qū)過(guò)渡是指一個(gè)采區(qū)開采即將結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)向其它采區(qū)繼續(xù)進(jìn)行開采，其過(guò)渡時(shí)應(yīng)保證生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，一般有平行緩幫過(guò)渡，重新拉溝過(guò)渡和扇形轉(zhuǎn)向過(guò)渡三種方式。采區(qū)過(guò)渡方式優(yōu)選是在保證露天礦生產(chǎn)能力、降低露天礦生產(chǎn)成本的前提下，從技術(shù)可行的方案中選擇最優(yōu)的采區(qū)過(guò)渡方式[16]，本次對(duì)勝利能源一號(hào)露天煤礦可能采用的三種采區(qū)過(guò)渡方案進(jìn)行分別研究。

3.1 方案一：平行緩幫過(guò)渡方案

平行緩幫過(guò)渡方式是指剝采工作線平行推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)至二采區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，內(nèi)排土場(chǎng)工作面與二采區(qū)端幫留溝，隨著采剝工作線向西推進(jìn)逐漸到界，二采區(qū)逐漸緩幫，形成工作幫，完成工作線的轉(zhuǎn)向。這種過(guò)渡方式生產(chǎn)具有組織簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向速度快等優(yōu)點(diǎn)，但需在首采區(qū)東、北端幫留溝，排土空間緊張、過(guò)渡期間運(yùn)距遠(yuǎn)、提升高度大等缺點(diǎn)。

按照礦山的產(chǎn)能要求，對(duì)采區(qū)L形過(guò)渡4個(gè)典型階段位置進(jìn)行模擬分析，如圖1所示。

圖1 L形過(guò)渡剝采排位置模擬

由圖1可知，L形過(guò)渡第一個(gè)5年剝采工作線在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上平行推進(jìn)，內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)排棄，該階段采煤128.00Mt，剝離521.60Mm3，其中內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)可排棄最大空間457.14Mm3，剩余的64.46Mm3剝離物排至新增加的東排土場(chǎng)，由于該階段二采區(qū)緩幫工作線較短不滿足緩幫工作空間的要求，所以該階段未進(jìn)行二采區(qū)緩幫工作。

當(dāng)首采區(qū)逐漸到界，二采區(qū)緩幫工作空間逐漸被釋放，二采區(qū)逐漸進(jìn)行緩幫，最終形成工作幫，完成首采區(qū)向二采區(qū)的緩幫過(guò)渡，由模擬開采得到的L形過(guò)渡第10年最終開采位置，該階段采煤140.00Mt，剝離630.00Mm3，剝離物全部排至內(nèi)排土場(chǎng)，該階段最終位置首采區(qū)已開采到界，二采區(qū)已緩幫過(guò)渡完畢，即表明在滿足技術(shù)要求及內(nèi)排土場(chǎng)排棄空間需求的前提下順利完成了首采區(qū)向二采區(qū)的緩幫轉(zhuǎn)向過(guò)渡。

二采區(qū)轉(zhuǎn)向完畢進(jìn)行向北開采，進(jìn)入第15年階段，該階段剝離量700.00Mm3，由于排土工作線變短及二采區(qū)東側(cè)進(jìn)行留溝，導(dǎo)致內(nèi)排容量減小且排土空間釋放變緩，該階段內(nèi)排土場(chǎng)排棄空間與第10年的排棄空間相比最大可新增排棄實(shí)方剝離物335.62Mm3，剩余實(shí)方剝離物364.38Mm3排至新增加的排土場(chǎng)，該階段剝離運(yùn)距及剝離提升高度有明顯提高。第20年階段完成二采區(qū)向三采區(qū)的緩幫轉(zhuǎn)向，該階段采煤140.00Mt，剝離714.00Mm3，其中包括二次剝離119.09Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)排棄空間與第15年的排棄空間相比最大可新增排棄實(shí)方剝離物564.30Mm3的空間，剩余實(shí)方剝離量149.70Mm3排至新增沿幫排土場(chǎng)東側(cè)排土場(chǎng)，此時(shí)在滿足技術(shù)及排棄空間需求的前提下順利完成了二采區(qū)向三采區(qū)的緩幫轉(zhuǎn)向過(guò)渡。

3.2 方案二：扇形推進(jìn)過(guò)渡方案

扇形過(guò)渡是指剝采工作線采用不等幅推進(jìn)方式，工作線長(zhǎng)度不斷變化[17]，分別沿著各自的回轉(zhuǎn)中心向著同一方向旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，即首采區(qū)開采即將結(jié)束時(shí)，剝采工作線沿著回轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°向北旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，過(guò)渡到二采區(qū)。二采區(qū)即將結(jié)束時(shí)，剝采工作線分別沿著各自的回轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°向東旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，二采區(qū)過(guò)渡到三采區(qū)。這種過(guò)渡方式具有工作線長(zhǎng)度變化較小，系統(tǒng)過(guò)渡自然，內(nèi)排空間好利用，無(wú)采掘設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備無(wú)長(zhǎng)距離調(diào)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，但具有端部和軸部采掘帶不能等幅開采，生產(chǎn)管理稍復(fù)雜的缺點(diǎn)[18]。

按照礦山的產(chǎn)能要求，對(duì)采區(qū)扇形過(guò)渡4個(gè)典型階段位置進(jìn)行模擬分析，如圖2所示。

圖2 扇形過(guò)渡剝采排位置模擬

根據(jù)露天礦采區(qū)劃分的幾何形態(tài)，從轉(zhuǎn)向開始扇形端部工作幫的推進(jìn)度為650m，軸部的工作幫推進(jìn)度為40m，工作面扇形推進(jìn)，內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)排棄。扇形轉(zhuǎn)向生產(chǎn)第4年時(shí)，露天礦工作線完成轉(zhuǎn)向45°，此階段內(nèi)排空間不足。為減少后期內(nèi)排加高高度，轉(zhuǎn)向初期在首采區(qū)東側(cè)已征地范圍內(nèi)新增一個(gè)排土場(chǎng)、命名為新增東排土場(chǎng)，生產(chǎn)第2年和生產(chǎn)第3年開始排棄，新增排土場(chǎng)排棄實(shí)方剝離物66.55Mm3、排棄空間容量為76.90Mm3。

扇形轉(zhuǎn)向生產(chǎn)第10年時(shí)，已完成首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)的扇形轉(zhuǎn)向，此階段內(nèi)排空間充足。首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向完畢后，繼續(xù)采用扇形轉(zhuǎn)向方式開采，到扇形轉(zhuǎn)向生產(chǎn)第15年時(shí)，露天礦工作線完成轉(zhuǎn)向45°，由于二采區(qū)煤層埋藏深度加大，同時(shí)剝離工作面遇到沿幫外排土場(chǎng)，剝采比增加、剝離工作線長(zhǎng)度增加，而內(nèi)排土場(chǎng)工作線縮短、內(nèi)排空間釋放變緩，導(dǎo)致內(nèi)排空間嚴(yán)重不足，不足部分剝離物排棄至沿幫排土場(chǎng)的東側(cè)，新增排土場(chǎng)排棄實(shí)方剝離物100.83Mm3、排棄空間容量為122.01Mm3。到扇形轉(zhuǎn)向第20年時(shí)，露天礦完成了二采區(qū)向三采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向的過(guò)程，同時(shí)內(nèi)排釋放空間可以滿足剝離量需求。

3.3 方案三：重新拉溝方案

首采區(qū)向西推進(jìn)，當(dāng)最上部剝離推到最終境界后，在二采區(qū)西側(cè)地段重新拉溝，向東推進(jìn)。這種過(guò)渡方式的優(yōu)點(diǎn)是工作線推進(jìn)強(qiáng)度比較均勻，新采區(qū)的重新拉溝與原有采區(qū)的收尾工程不發(fā)生干擾，但其具有新增基建工程量大，需建外部排土場(chǎng)，不能連續(xù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，采剝系統(tǒng)變化較大等缺點(diǎn)。二采區(qū)西側(cè)煤層埋藏較深，重新拉溝后計(jì)算新增基建量約為450.58Mm3，拉溝位置不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，排土場(chǎng)排棄標(biāo)高需增加，同時(shí)方案三比方案二的扇形過(guò)渡方案多672.83Mm3的二次剝離量，生產(chǎn)成本約增加662738萬(wàn)元。

3.4 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)前文提出的三種過(guò)渡方案，綜合考慮運(yùn)距、提升高度、二次剝離量、剝采比等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因素，經(jīng)計(jì)算各采區(qū)過(guò)渡方案20年生產(chǎn)期成本見表4。從表4可以看出重新拉溝方案是三個(gè)采區(qū)過(guò)渡方案中的最差方案。方案一和方案二各年的總成本累計(jì)對(duì)比分析曲線(L形-扇形)如圖3所示。

表4 采區(qū)過(guò)渡方案20年生產(chǎn)期生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)表

圖3 總成本累計(jì)對(duì)比分析曲線(L形-扇形)

在采區(qū)轉(zhuǎn)向過(guò)渡生產(chǎn)20年的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，方案二的累計(jì)總成本低于方案一和方案三，且方案一新增兩個(gè)排土場(chǎng)、合計(jì)排棄空間為700.04Mm3，方案二同樣新增兩個(gè)排土場(chǎng)、合計(jì)排棄空間僅為198.91Mm3，方案一比方案二多增加501.13Mm3的排棄空間，且新增排土場(chǎng)的二次剝離均發(fā)生在三采區(qū)開采范圍內(nèi)，經(jīng)計(jì)算本礦全部生命周期內(nèi)方案一比方案二增加二次剝離量480.22Mm3。

因此，從技術(shù)角度做好前瞻性、系統(tǒng)性分析和規(guī)劃的前提下[19]，綜合考慮采區(qū)轉(zhuǎn)向期間的組織管理、設(shè)備效率、工作線長(zhǎng)度、運(yùn)距及提升高度、內(nèi)排的及時(shí)性、內(nèi)排空間、外排量、二次剝離量、轉(zhuǎn)向過(guò)渡時(shí)間、生產(chǎn)期的經(jīng)濟(jì)性等因素，確定采區(qū)過(guò)渡方案二-扇形過(guò)渡方案為最優(yōu)。

4 結(jié) 論

1)基于復(fù)雜礦床經(jīng)濟(jì)工作線長(zhǎng)度理論，根據(jù)露天礦實(shí)際開采情況，得出勝利一號(hào)露天礦首采區(qū)和二采區(qū)合理的采區(qū)轉(zhuǎn)向工作線長(zhǎng)度為1.5km，三采區(qū)合理工作線長(zhǎng)度為2.1km。

2)利用三維軟件對(duì)勝利一號(hào)露天礦采區(qū)過(guò)渡各方案典型階段的開采位置進(jìn)行三維模擬分析，發(fā)現(xiàn)了各方案過(guò)渡期間外排量、內(nèi)排釋放空間、二次剝離量、生產(chǎn)成本的關(guān)系，最終得出勝利一號(hào)露天礦的采區(qū)最優(yōu)轉(zhuǎn)向方式為方案二扇形轉(zhuǎn)向過(guò)渡。

3)勝利一號(hào)露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向采用扇形過(guò)渡方案能夠及時(shí)釋放內(nèi)排空間，減少外排土場(chǎng)的占用，減少后期將發(fā)生的二次剝離量，大幅降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。