羅科 李胤達(dá) 陳樹召

【摘 ?要】論文通過分析河曲露天煤礦的內(nèi)排條件及采排現(xiàn)狀，提出了一種工作幫陡幫轉(zhuǎn)向方案，通過優(yōu)化臺階參數(shù)，實現(xiàn)了短內(nèi)排跟蹤距離、無外排條件下的扇形轉(zhuǎn)向。研究表明：河曲露天煤礦工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26o，通常情況下按照優(yōu)化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18o。相比正常轉(zhuǎn)向剝離量減少了5904萬立方米，極大地緩解了扇形轉(zhuǎn)向因不等幅開采造成的超前剝離量加大的問題。

【Abstract】By analyzing the internal dumping conditions and the current situation of mining and dumping in Hequ Open-Pit Coal Mine， this paper puts forward a steering scheme for the steep slope of working slope. By optimizing the step parameters， the fan-shaped steering under the condition of short internal dumping tracking distance and no external dumping is realized. Research shows that the working face of the Hequ Open-Pit Coal Mine near the center of the circle can be increased to 26o at most. Generally， the optimized minimum working face is used as the basis for layout， and the slope angle can be increased to 18o. Compared with the normal steering， the stripping volume is reduced by 59.04 million cubic meters， which greatly alleviates the problem of increasing the advance stripping volume caused by unequal amplitude mining in fan-shaped steering.

【關(guān)鍵詞】扇形轉(zhuǎn)向;工作幫陡幫;超前剝離;內(nèi)排空間;剝采比

【Keywords】fan-shaped steering; steep slope of working slope; advance stripping; internal dumping space; stripping ratio

【中圖分類號】TD824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0194-03

1 引言

我國的露天煤礦大多采用分區(qū)開采模式，在采區(qū)接續(xù)時常常會遇到工作面轉(zhuǎn)向問題[1]，同時，露天礦的礦權(quán)界限有時也會以煤層賦存形態(tài)劃分，這使得單個采區(qū)內(nèi)也會存在轉(zhuǎn)向問題[2]，采區(qū)轉(zhuǎn)向會為露天礦的生產(chǎn)進(jìn)度、剝采比變化、內(nèi)排運距、內(nèi)排空間、人員組織等方面帶來一系列問題，這些問題直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。學(xué)者對轉(zhuǎn)向問題也進(jìn)行了深入的研究，如以內(nèi)蒙古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為研究背景進(jìn)行了大量研究[3-6]。

上述研究分析了在采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡過程中不同轉(zhuǎn)向方式對露天礦能力接續(xù)、剝采工作面布置、排土?xí)r空關(guān)系、剝采比變化、生產(chǎn)成本等方面的影響[7，8]。但關(guān)于河曲露天煤礦這種短內(nèi)排跟蹤距離條件下的轉(zhuǎn)向問題研究較少，本文以河曲露天煤礦為研究背景，通過優(yōu)化臺階參數(shù)，實現(xiàn)了短內(nèi)排跟蹤距離、剝離物外排條件下的扇形轉(zhuǎn)向，并通過與正常工作幫坡角轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行對比，驗證了這一方法的可行性。

2 轉(zhuǎn)向條件分析

2.1 露天礦概述

河曲舊縣露天礦田位于山西臺地西北部，呂梁隆起北段西翼。礦田位于河曲縣城東南部27km，行政區(qū)劃隸屬河曲縣舊縣鄉(xiāng)管轄。其地理坐標(biāo)為：北緯：39°05′18″～39°09′45″;東經(jīng)：111°09′55″～111°13′50″。礦區(qū)所處煤田埋藏淺，煤層厚，煤種為長焰煤，煤質(zhì)較好。礦田范圍內(nèi)有5層可采煤層，傾角為2°～3°，局部為8°。9、10、11、12號煤層為薄煤層，13號煤為主采厚煤層。露天礦采用單斗卡車間斷開采工藝，組織管理較為簡單，年推進(jìn)度約300m。

受區(qū)域構(gòu)造范家梁新窯褶皺帶的控制，井田構(gòu)造形態(tài)總體為一軸向NNW的向斜構(gòu)造，其東翼發(fā)育較多的向NNW傾伏的次一級褶曲構(gòu)造，地層傾角一般2°～3°，局部為8°，發(fā)育4條背向斜，發(fā)育2條正斷層。整體而言，本礦田褶曲寬緩，斷層不影響采區(qū)劃分，井田內(nèi)構(gòu)造尚屬簡單。

2.2 內(nèi)排空間計算

內(nèi)排空間主要受坑底工作線位置的限制。扇形轉(zhuǎn)向過程中遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角端的工作幫需要快速推進(jìn)，造成上部臺階超前剝離較大，但內(nèi)排土場受工作幫最下臺階的空間限制，導(dǎo)致上部排土臺階滯后于上部剝離臺階，所以扇形轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)排空間較為緊張且與等幅開采相比端幫運距加大。最終的采排關(guān)系如圖1所示。

以2017年12月的排土場現(xiàn)狀作為研究起點，以工作幫最下部臺階完成轉(zhuǎn)向為終點，保留50m的最小坑底距離，利用3DMine模擬內(nèi)排過程，內(nèi)排土場幫坡角設(shè)置為19°，塊體模型大小采用10m×10m×5m，次級模塊采用5m×5m×2.5m，由于排土場巖性相同，為排棄物料，所以這樣的塊體大小能夠滿足計算精度。計算排土空間區(qū)域如圖1b所示。

為安排詳細(xì)的排土作業(yè)，分水平計算出排棄空間，如表1所示，表格數(shù)據(jù)為3DMine直接導(dǎo)出的模型數(shù)據(jù)，均為實方數(shù)據(jù)，而排土安排需要松方量，松方系數(shù)取1.15。

通過河曲露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向期間的剝離量與內(nèi)排空間分階段對比分析可以發(fā)現(xiàn)，從2017年12月工作幫最上部剝離臺階開始轉(zhuǎn)向到工作幫最下煤臺階完成轉(zhuǎn)向期間，內(nèi)排的總空間是足夠的，轉(zhuǎn)向過程中不需要外排。但是在這一過程中，內(nèi)排容量不是均勻發(fā)展的，導(dǎo)致采區(qū)轉(zhuǎn)向過程中不同時期會發(fā)生內(nèi)排空間不足和排棄空間富余。這是因為排土場在采區(qū)轉(zhuǎn)向前期是倒梯形等幅向前發(fā)展的，轉(zhuǎn)向過程中圓心側(cè)排土臺階停止向前發(fā)展，遠(yuǎn)離圓心側(cè)排土臺階扇形發(fā)展，所以當(dāng)排土場尤其在最下部排土工作線開始轉(zhuǎn)向后，排土工作線長度驟減，最終形成2個斜坡面構(gòu)成的排土場。因此，在整體排土空間充足的條件下，為節(jié)約運輸費用，需要在內(nèi)排土場最短追蹤距離條件下完成扇形轉(zhuǎn)向。

2.3 采排條件分析

通過對河曲露天煤礦地質(zhì)資料和開采方案的分析發(fā)現(xiàn)，河曲露天煤礦剝離和采煤工藝均為單斗卡車間斷工藝，這種

開采工藝機(jī)動靈活，對不同轉(zhuǎn)向方式的適應(yīng)性強(qiáng);露天礦的主采煤層為13號煤，其余煤層在首采區(qū)區(qū)域性分布，所以開采煤種較為單一，開采過程中不需要考慮配煤要求;受首采區(qū)邊界限制，轉(zhuǎn)向過程中采剝工程量較少，轉(zhuǎn)向過渡時間不足以作為一個單獨的均衡期來考慮;由于工作線西側(cè)地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側(cè)端幫，轉(zhuǎn)向期間需要著重考慮物料流的合理分配，降低運輸成本;露天礦生產(chǎn)過程中內(nèi)排跟進(jìn)較快，所以轉(zhuǎn)向期間內(nèi)排空間緊張，需充分利用，減少外排成本。

開采過程采用扇形轉(zhuǎn)向方案，即沿工作面非等強(qiáng)度開采，實現(xiàn)工作線逐漸轉(zhuǎn)向。具體程序為：當(dāng)工作面向北推進(jìn)到某一位置時，調(diào)整工作線上不同位置的設(shè)備密度，工作線西段設(shè)備密度大，東端密度小，從而使工作線外側(cè)（西端）開采強(qiáng)度大于內(nèi)側(cè)（東端），由等幅開采變?yōu)椴坏确_采，形成以工作線東端為圓心的扇形工作線發(fā)展過程，直至工作線方向達(dá)到設(shè)計要求后，再次調(diào)整工作線設(shè)備密度，恢復(fù)等幅開采，完成轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

該方案的主要優(yōu)點有：

①工作線保持平直，臺階完整，運輸線路通暢;②內(nèi)排空間連續(xù)完整，內(nèi)排空間利用率較高;③內(nèi)排土場與工作線同步推進(jìn)，剝離物由工作面到排土場的運輸距離較短;④設(shè)備不需要頻繁調(diào)動，能充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力。

該方案的主要缺點有：

①由于轉(zhuǎn)向過程為不等幅推進(jìn)，加之西端工作線受首采區(qū)邊界線控制，工作線長度存在波動，這使得生產(chǎn)管理難度較大;②不等幅開采造成超前剝離量較大，內(nèi)排跟進(jìn)相對，造成內(nèi)排空間緊張，必要時部分物料需要外排;③由于工作線西側(cè)地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側(cè)端幫，再加上扇形工作面西側(cè)的高強(qiáng)度快速推進(jìn)，剝離重心再次向西側(cè)端幫移動，同時，排土空間也是扇形發(fā)展，排棄空間重心也偏向西側(cè)端幫，從而造成了西側(cè)端幫路運輸負(fù)擔(dān)較重，必要時需要將部分西側(cè)剝離物料通過東端幫運輸至排土場，加大了剝離物料的工作線運距，增加了運輸成本。

3 轉(zhuǎn)向方案

在轉(zhuǎn)向過程中，為加快推進(jìn)速度及緩解內(nèi)排空間緊張問題，最大化突出扇形轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢，減少其缺點，可以采用轉(zhuǎn)向過程中提高工作幫幫坡角的方式，可將采掘帶寬度減小，由上排炮孔變?yōu)閱闻?，具體參數(shù)見圖3a。同時，可以采用組合臺階開采方式，提高工作幫坡角，具體參數(shù)見圖3b。

工作線靠近圓心端的極限最小工作面可以取消采掘帶寬度，可減小到20m。以12m臺階高度，共14個臺階數(shù)量，畫出工作幫靠近圓心端的剖面，如圖4所示。由圖可以看出，當(dāng)工作幫只保留運輸?shù)缆窌r的幫坡角可提高到26°，當(dāng)工作幫采用優(yōu)化后的最小工作平盤寬度時，幫坡角可提高到18°，由于初設(shè)中給出工作幫最終穩(wěn)定幫坡角為34°，所以采用18°幫坡角滿足安全需求。

綜合上述分析，本文提出了2個扇形轉(zhuǎn)向方案：

第一種方案：為加快轉(zhuǎn)向的完成，工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下按照優(yōu)化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18°。臺階布置方式如圖4所示。

第二種方案：為降低生產(chǎn)組織管理難度，工作幫幫坡角在轉(zhuǎn)向過工程中不加陡，幫坡角為9°。臺階布置方式如圖5所示。

轉(zhuǎn)向過程由于管理較為復(fù)雜，剝采工程量波動較大，所以需要盡可能地縮短轉(zhuǎn)向時間，現(xiàn)只從空間上考慮，以工作幫最上部臺階開始轉(zhuǎn)向為研究起點，以工作幫最下臺階完成轉(zhuǎn)向為終點，使用3DMine軟件建立礦山三維模型，將空間轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)的煤巖量圈定出來。

考慮到礦巖賦存及地表黃土覆蓋物的厚度的差異，為了每年都能達(dá)到設(shè)計產(chǎn)量，需要具體分析轉(zhuǎn)向過程中礦巖量的變化，因此，將轉(zhuǎn)向過程按照每10°轉(zhuǎn)角為間隔，劃分為7個部分，即由7個工作面劃分整個轉(zhuǎn)向過程。工作面位置如圖6所示。

由此將整個轉(zhuǎn)向區(qū)域分為階段0～階段6共7個階段，階段0到階段1為現(xiàn)狀到第一個工作面，階段1到階段2為現(xiàn)狀到第一個工作面和第二個工作面之間的礦巖量，以此類推。

陡幫轉(zhuǎn)向方案與正常轉(zhuǎn)向方案相比，縮短了剝離物料的端幫運輸距離，以50m跟蹤距離估算，陡幫工作幫與正常工作幫相比大約節(jié)約端幫運輸距離272m;陡幫轉(zhuǎn)向過程中剝采比較小，內(nèi)排空間不緊張，相比正常轉(zhuǎn)向剝離量減少5904萬立方米，有效地緩解了扇形轉(zhuǎn)向因不等幅開采造成的超前剝離量加大的問題。

4 結(jié)論

河曲露天煤礦正常工作幫幫坡角為9°，為加快轉(zhuǎn)向工作的完成，減小運輸費用，緩解采區(qū)轉(zhuǎn)向期間的內(nèi)排空間緊張問題，本文提出了局部加陡工作幫坡角的扇形轉(zhuǎn)向方案。工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下，按照優(yōu)化后的最小工作面進(jìn)行布置，幫坡角可以提高至18°。該方案支持開采過程中工作幫幫坡角根據(jù)煤層賦存和地表起伏情況進(jìn)行靈活調(diào)整，從而縮短端幫內(nèi)排運距和減少初期剝離量，從而實現(xiàn)采區(qū)轉(zhuǎn)向期間經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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