董志龍，孫進(jìn)步，王宏健，車志翔

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展西部露天煤炭資源，露天礦在煤炭產(chǎn)量中占比不斷增大，而露天礦開(kāi)采在設(shè)計(jì)初期，為了使整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率最優(yōu)，通常采用分區(qū)開(kāi)采的形式[1-2]。在露天礦擴(kuò)幫擴(kuò)能、采區(qū)轉(zhuǎn)向及并行采區(qū)平行開(kāi)采時(shí)，為了減小后行采區(qū)的剝離量，會(huì)采用先行采區(qū)在內(nèi)排土場(chǎng)留溝內(nèi)排的方式[3]。留溝作為一種“失利在前，得利在后”的方案，其合理的設(shè)計(jì)可以保證開(kāi)采合理性的同時(shí)獲得最大限度的收益[4-5]，因此，相鄰采區(qū)間合理留溝內(nèi)排方式的選擇尤為重要[6-7]。

白潤(rùn)才等[8]通過(guò)采用數(shù)學(xué)期望法和費(fèi)用補(bǔ)償法建立以壓幫長(zhǎng)度為單一變量的一元二次函數(shù)，分析得出了國(guó)能平莊煤業(yè)集團(tuán)平西白音華一號(hào)露天礦壓幫內(nèi)排轉(zhuǎn)變?yōu)榱魷蟽?nèi)排的最優(yōu)位置；張丁等[9]通過(guò)建立留溝高度數(shù)學(xué)模型確定了影響留溝高度的關(guān)鍵因素，結(jié)合黑岱溝與哈爾烏素生產(chǎn)狀況與實(shí)際問(wèn)題，得出了最佳留溝位置及不同留溝水平情況下留溝降低經(jīng)濟(jì)性臨界值；韓萬(wàn)東等[10]通過(guò)建立二維模型并從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行全留溝－搭橋、全留溝、半留溝方案對(duì)比，得出全留溝－搭橋方案最為合適，為黑岱溝露天礦順利轉(zhuǎn)向提供了最優(yōu)解。

通過(guò)比較將軍戈壁二號(hào)露天礦（簡(jiǎn)稱將二礦）2采區(qū)間留溝高度、長(zhǎng)度與寬度等參數(shù)并考慮開(kāi)采連續(xù)性、合理性及經(jīng)濟(jì)性確定優(yōu)化的留溝參數(shù)，為類似露天礦采區(qū)接續(xù)研究提供參考。

1 將軍戈壁二號(hào)露天煤礦概況

將二礦深部境界東西平均長(zhǎng)為7.70 km，南北平均寬為8.65 km，目前首采區(qū)設(shè)計(jì)寬度1.2 km，地表境界東西平均長(zhǎng)為8.60 km，南北平均寬為9.53 km。根據(jù)礦床的地質(zhì)條件，在技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的前提下，將被開(kāi)采的礦田劃分為4 個(gè)采區(qū)，從首采區(qū)開(kāi)始，按照既定的開(kāi)采順序，依次開(kāi)采各采區(qū)，直至全礦開(kāi)采結(jié)束。各采區(qū)間近乎平行，因此先開(kāi)采的采區(qū)壓幫內(nèi)排（現(xiàn)階段的開(kāi)采方案）會(huì)在后續(xù)采區(qū)開(kāi)采時(shí)產(chǎn)生二次剝離，從而增大后續(xù)采區(qū)的剝采比，增加生產(chǎn)成本。

將二礦首采區(qū)由東向西開(kāi)采，按照3 000 萬(wàn)t/a生產(chǎn)能力剩余服務(wù)年限約11 年。首采區(qū)轉(zhuǎn)向二采區(qū)為180°轉(zhuǎn)向，在首采區(qū)開(kāi)采結(jié)束前二采區(qū)地表南北向拉溝降深過(guò)渡接續(xù)。

內(nèi)排土場(chǎng)留溝，減少壓幫剝離物排棄量，直接降低二次剝離成本，但會(huì)切斷工作幫剝離物料的內(nèi)排運(yùn)輸通道，同時(shí)要將南幫留溝處的剝離量調(diào)整到北側(cè)排土，增加先期開(kāi)采采區(qū)內(nèi)物料的運(yùn)輸成本。因此合理優(yōu)化采區(qū)間的壓幫內(nèi)排參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，對(duì)于將二礦資源開(kāi)發(fā)的整體效益具有重要意義。相鄰采區(qū)間留溝內(nèi)排示意圖如圖1。

圖1 相鄰采區(qū)間留溝內(nèi)排示意圖

2 采區(qū)間留溝參數(shù)優(yōu)化

2.1 礦山采剝工程總體分析

將二礦2022—2030 年采排計(jì)劃見(jiàn)表1。

表1 將二礦2022—2030 年采排計(jì)劃

由表1 可知：將二礦2022—2025 年采排關(guān)系緊張，內(nèi)排土場(chǎng)排棄到590 m 水平后不具備留溝條件；2026 年開(kāi)始，內(nèi)排容量大于當(dāng)年剝離總量，具備留溝空間，但具體留溝時(shí)間需要結(jié)合留溝效益進(jìn)行最終確定。

2.2 留溝模型

綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，構(gòu)建將軍戈壁二號(hào)露天煤礦端幫內(nèi)排壓幫高度優(yōu)化模型，確定首采區(qū)不同開(kāi)采位置的合理內(nèi)排壓幫高度和排土場(chǎng)參數(shù)。壓幫高度優(yōu)化原則為：①保證露天礦采排空間平衡，通過(guò)計(jì)算確定采用外排還是內(nèi)排加高方案；②調(diào)研首采區(qū)剝離物內(nèi)排運(yùn)輸費(fèi)用、二采區(qū)剝離費(fèi)用、原煤提升運(yùn)輸費(fèi)用、資金的時(shí)間價(jià)值；③當(dāng)壓幫高度減小時(shí)，剝離物運(yùn)距將增加，二次剝離量少，當(dāng)壓幫高度增大時(shí)，剝離物運(yùn)距減少，二次剝離量大。壓幫內(nèi)排示意圖如圖2。

圖2 壓幫內(nèi)排示意圖

由圖2 可知，第I 部分可以實(shí)現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排，第II部分由于留溝只能單側(cè)排土，因此運(yùn)距增加的剝離量為：

式中：V 為運(yùn)距增加的單位推進(jìn)距離剝離量，m3；l0為坑底工作線長(zhǎng)度，m；H 為露天礦開(kāi)采深度，m；ΔH 為壓幫高度，m；α 為最終幫坡角，（°）；β 為二次剝離最終幫坡角，（°）。

假設(shè)該部分運(yùn)量為溝底以上且與溝同側(cè)的剝離量，內(nèi)排運(yùn)距的增加值為該部分運(yùn)量運(yùn)距的增加值。運(yùn)距增加值為：

式中：d 為運(yùn)距增加值，m；l 為坑底工作線長(zhǎng)度，m；H 為露天礦開(kāi)采深度，m；ΔH 為壓幫高度，m；α為最終幫坡角，（°）。

2.3 留溝方案

2026 年剝離量8 213 萬(wàn)m3，采煤量3 000 萬(wàn)t，剝采比2.74 m3/t。在滿足全部?jī)?nèi)排的情況下，按照二次剝離邊界及575 m 水平排滿為界限：560 m 留溝水平，減少二次剝離量約419 萬(wàn)m3；545 m 水平部分留溝，減少二次剝離約347 萬(wàn)m3，共計(jì)減少二次剝離量約766 萬(wàn)m3。

2027 年剝離量10 278 萬(wàn)m3，采煤量3 000 萬(wàn)t，剝采比3.43 m3/t。在滿足全部?jī)?nèi)排的情況下，按照二次剝離邊界及575 m 水平排滿為界限：575 m 留溝水平，減少二次剝離約580 萬(wàn)m3，590 m 水平按照二次剝離線以上排滿且占用2026 年590 m 水平部分排土空間。

2028 年剝離量8 902 萬(wàn)m3，采煤量3 000 萬(wàn)t，剝采比2.97 m3/t。在滿足全部?jī)?nèi)排情況下，590 m 水平按照二次剝離線排滿，575 m 水平部分留溝，減少二次剝離量約215 萬(wàn)m3。

2029 年剝離量7 412 萬(wàn)m3，采煤量3 000 萬(wàn)t，剝采比2.47 m3/t。剝離物部分排至590 m 水平，575 m 水平減少二次剝離量約100 萬(wàn)m3。

2030 年剝離量5 833 萬(wàn)m3，采煤量3 000 萬(wàn)t，剝采比1.94 m3/t。沿二次剝離線560 m 水平至515 m 水平留溝，減少二次剝離量約3 000 萬(wàn)m3。

2.4 留溝參數(shù)均衡

考慮到實(shí)際工程的需要，對(duì)上述留溝方案進(jìn)行均衡，整體按照二次剝離線為界，以北590 m 水平排滿，以南560～545 m 水平留溝。其中2026 年多余內(nèi)排量為1 006 萬(wàn)m3，2027 年多余內(nèi)排量為387萬(wàn)m3，2028 年多余剝離量為860 萬(wàn)m3，2029 年多余剝離量為1 100 萬(wàn)m3，至2030 年內(nèi)排量剛好。2028、2029 年多余剝離量排至590 m 水平，其中2029 年部分剝離量需等待2030 年內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)后，排至590 m 水平。留溝參數(shù)均衡后年減少的二次剝離量：2026 年766 萬(wàn)m3；2027 年580 萬(wàn)m3；2028 年215萬(wàn)m3；2029 年100 萬(wàn)m3；2030 年3 000 萬(wàn)m3。

3 留溝效益

在實(shí)施采區(qū)間留溝方案后，二采區(qū)在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)將大幅減少二次剝離費(fèi)用，2026—2030 年共計(jì)減少二次剝離量為4 661 萬(wàn)m3，剝離費(fèi)用按10 元/m3，減少二次剝離費(fèi)用4.661 億元。

但在首采區(qū)留溝期間，開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)會(huì)隨著留溝形態(tài)而改變，剝離物料運(yùn)距加大，并出現(xiàn)提升運(yùn)距。留溝前后運(yùn)距及運(yùn)費(fèi)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 留溝前后運(yùn)距及運(yùn)費(fèi)對(duì)比

將軍戈壁二號(hào)露天煤礦采用留溝方案后，總增加運(yùn)費(fèi)8 446.8 萬(wàn)元，但減少二次剝離費(fèi)用4.661 億元，綜合收益為3.8 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

1）將二礦首采區(qū)剩余服務(wù)年限約11 年，內(nèi)排土場(chǎng)留溝，合理優(yōu)化采區(qū)間的壓幫內(nèi)排參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，對(duì)于將二礦資源開(kāi)發(fā)的整體效益具有重要意義。

2）2026 年開(kāi)始，將二礦內(nèi)排容量大于當(dāng)年剝離總量，具備留溝空間，可開(kāi)始留溝。

3）給出了2026—2030 年的采區(qū)間留溝方案，綜合對(duì)比留溝后增加的剝離運(yùn)費(fèi)及減少的二次剝離費(fèi)用，測(cè)算出采區(qū)間留溝的綜合收益為3.8 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。