屈 亮

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000）

露天礦生產(chǎn)過(guò)程中，最終開(kāi)采邊界直接決定著整個(gè)礦山的采剝總量、剝采比、生產(chǎn)能力以及經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)露天礦生產(chǎn)有著重大影響，決定著礦山開(kāi)拓方法的選擇、運(yùn)輸系統(tǒng)布置以及成本與效益等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，合理的露天礦采掘邊界是露天開(kāi)采基礎(chǔ)[1-4]。針對(duì)露天礦采掘境界優(yōu)化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)境界優(yōu)化相關(guān)理論進(jìn)行了廣泛的探討。白潤(rùn)才[5]等提出1 種使露天礦提前實(shí)現(xiàn)內(nèi)排、縮短剝離運(yùn)距、增大合理經(jīng)濟(jì)剝采比、消除斜復(fù)合煤層露天礦公共邊幫優(yōu)化開(kāi)采境界的方法，使得相鄰傾斜復(fù)合煤層露天礦轉(zhuǎn)向期間能夠根據(jù)礦山自身特點(diǎn)優(yōu)化開(kāi)采境界；胥孝川等[6]根據(jù)地表構(gòu)筑位置，以礦體賦存條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)為指標(biāo)，基于椎體排除法生成利潤(rùn)值最大的無(wú)約束境界，建立了礦山開(kāi)采生態(tài)成本計(jì)算模型；孫杰[7]針對(duì)安家?guī)X露天礦東幫開(kāi)采邊界中存在重要建（構(gòu)）筑物問(wèn)題，通過(guò)分析安家?guī)X露天礦東幫端幫優(yōu)化影響因素，結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)狀，對(duì)東幫優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，最終確定了安家?guī)X露天礦東幫采掘邊界；賈明濤等[8]通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)的最大流最小割算法，以凈現(xiàn)值最大為優(yōu)化目標(biāo)，利用C＋＋編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)露天礦進(jìn)行境界優(yōu)化；趙明等[9]為解決3DMine 礦業(yè)軟件境界優(yōu)化中塊體體積和純煤密度計(jì)算與實(shí)際煤巖量不符問(wèn)題，提出塊體價(jià)值和附加運(yùn)輸費(fèi)用計(jì)算方法，并通過(guò)對(duì)塊體屬性等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置使得境界優(yōu)化更加準(zhǔn)確可靠；曹博等[10]為了優(yōu)化燒變巖侵蝕條件下傾斜煤層露天礦分區(qū)境界，通過(guò)構(gòu)建黑山露天煤礦三維仿真境界，提出建立煤、巖層塊體模型，用塊量反驗(yàn)方式校驗(yàn)三維境界的方法，并揭示了境界剝采比與平均剝采比隨分區(qū)境界外擴(kuò)的變化規(guī)律，確定了燒變巖侵蝕露天礦分區(qū)境界。

上述學(xué)者對(duì)露天礦境界優(yōu)化都是側(cè)重于境界優(yōu)化理論或整體端幫境界的優(yōu)化，但對(duì)生產(chǎn)中礦山局部端幫境界優(yōu)化較少。為此，針對(duì)安家?guī)X礦東南部區(qū)域局部采掘境界的優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際條件、生產(chǎn)剝采比及經(jīng)濟(jì)效益等，提出采掘邊界設(shè)計(jì)方案，通過(guò)比較其煤炭損失、經(jīng)濟(jì)效益、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件等，進(jìn)行最終采掘邊界優(yōu)選。

1 礦山工程概況

安家?guī)X露天礦田位于平朔礦區(qū)中南部，其深部境界東西長(zhǎng)度為4.35～7.26 km，南部寬度為0.85～4.1 km，為經(jīng)濟(jì)合理開(kāi)發(fā)礦田。將礦田劃分為3 個(gè)采區(qū)，礦山主采煤層為4＃、9＃、11＃煤層，核定年生產(chǎn)能力2 000 萬(wàn)t/a。

目前，礦山工程位于首采區(qū)，首采區(qū)北部工作線目前已經(jīng)處于靠界狀態(tài)，南部表層剝離工作線正逐步進(jìn)行靠界，而安家?guī)X露天礦東部礦界附近由北向南依次存在后安變電室、后安礦臨時(shí)停車場(chǎng)、后安礦工業(yè)廣場(chǎng)、平陶公路、白蘆礦工業(yè)廣場(chǎng)等，所以首采區(qū)東部采掘邊界考慮到采場(chǎng)構(gòu)筑物以及爆破安全距離等因素，采掘邊界相對(duì)礦權(quán)向內(nèi)縮界200 m，南部采掘邊界仍采用礦權(quán)界，東部采掘邊界與南部礦權(quán)界相交形成拐角，要回收該區(qū)域煤層則需要布置相應(yīng)的運(yùn)輸系統(tǒng)及到界端幫，延深到露天礦底部境界時(shí)，拐角區(qū)域剝離量較大，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)并非最佳的端幫布置方案，所以有必要綜合考慮各種因素，對(duì)安家?guī)X露天礦東南部境界進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)礦山收益最大化，達(dá)到降本增效的效果。

2 邊界優(yōu)化影響因素及優(yōu)化參數(shù)

2.1 邊界優(yōu)化影響因素

1）露天礦礦權(quán)界。露天礦最終采掘位置不應(yīng)超出礦權(quán)界。

2）永久采掘邊界處的端幫對(duì)其周圍地面建筑物不能造成破壞性影響。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定：露天礦開(kāi)采深度小于200 m 時(shí)，地表采掘邊界與周邊重要構(gòu)筑物安全距離不宜小于最大開(kāi)采深度；露天礦采掘深度超過(guò)200 m 時(shí)，地表采掘邊界與周邊重要構(gòu)筑物距離不宜小于200 m。

3）露天礦最終幫坡角度應(yīng)不大于邊坡穩(wěn)定所允許的最大角度，從而保證采場(chǎng)安全。

4）開(kāi)采成本。對(duì)于露天煤礦來(lái)說(shuō)，采出的煤炭獲得利潤(rùn)，采煤、剝離巖石等采礦過(guò)程產(chǎn)生費(fèi)用。

2.2 采掘邊界優(yōu)化參數(shù)

以安家?guī)X露天礦近期生產(chǎn)成本、煤炭坑口價(jià)格、礦山合理邊坡角度等為計(jì)算參數(shù)，對(duì)安家?guī)X礦東南部最終采掘邊界方案進(jìn)行綜合計(jì)算比較。用于采掘邊界優(yōu)化主要參數(shù)：原煤售價(jià)300 元/t；單位采剝成本15.3 元/m3；單位煤炭運(yùn)輸成本2.28 元/（m3·km）；資源回收率95%；邊坡角30°～32°。

3 東南部境界優(yōu)化方案

3.1 采掘境界優(yōu)化方案

為達(dá)到優(yōu)化東南部采掘境界優(yōu)化目標(biāo)，減少無(wú)效剝離，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益，根據(jù)端幫穩(wěn)定幫坡角、礦權(quán)界和爆破安全距離等影響采掘邊界優(yōu)化的因素，結(jié)合安家?guī)X礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了以下4種東南部采掘境界方案。

1）方案1。該方案為原始設(shè)計(jì)方案，東南部采場(chǎng)采掘境界按照礦權(quán)及原始設(shè)計(jì)邊界作為最終采掘邊界，直接布置最終端幫運(yùn)輸系統(tǒng)。最終端幫參數(shù)為運(yùn)輸平盤寬度40 m、安全平盤寬度10 m，下部煤層全部靠幫開(kāi)采，僅留設(shè)5 m 安全平盤。

2）方案2。東南部采場(chǎng)采掘境界按照礦界拐角處端幫運(yùn)輸系統(tǒng)取直，將南幫拐角處境界向內(nèi)縮界，南部端幫與東幫垂直布置，最終端幫參數(shù)為運(yùn)輸平盤寬度40 m、安全平盤寬度10 m，下部煤層全部靠幫開(kāi)采，僅留設(shè)5 m 安全平盤。

3）方案3。在方案2 基礎(chǔ)上將拐角處端幫回縮，地表境界拐角處向內(nèi)縮界135 m，最終端幫參數(shù)為運(yùn)輸平盤寬度40 m、安全平盤寬度10 m，下部煤層全部靠幫開(kāi)采，僅留設(shè)5 m 安全平盤。與方案2 相比，減少無(wú)效剝離，基本不損失煤量，進(jìn)一步降低無(wú)效剝離和剝采比，最大限度地回收煤炭資源，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

4）方案4。按照經(jīng)濟(jì)效益最大化原則在方案3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步回縮境界，地表境界拐角處向內(nèi)縮界135 m，最終端幫參數(shù)為運(yùn)輸平盤寬度40 m、安全平盤寬度10 m，下部煤層全部靠幫開(kāi)采，僅留設(shè)5 m安全平盤。在降低無(wú)效剝離的同時(shí)考慮了煤炭回收的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)最大化。

各方案對(duì)比示意圖如圖1。

圖1 各方案對(duì)比示意圖

3.2 優(yōu)化方案比較分析

3.2.1 采剝量

根據(jù)各方案端幫設(shè)計(jì)，建立最終境界坑模型，對(duì)圈定的首采區(qū)東南部區(qū)域各方案可回收原煤及剝離量進(jìn)行計(jì)算，安家?guī)X露天礦東南部各方案最終境界煤巖量見(jiàn)表1。

表1 安家?guī)X露天礦東南部各方案最終境界煤巖量

由表1 可知：與方案1 相比，后3 種方案剝離量及原煤量都有所減少，剝離量減少程度較大，煤炭損失相對(duì)較少。

3.2.2 運(yùn) 距

根據(jù)安家?guī)X露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，安家?guī)X露天礦二采區(qū)東部物料經(jīng)由首采區(qū)東南部端幫運(yùn)輸至北內(nèi)排土場(chǎng)，而各東南部端幫設(shè)計(jì)方案在拐角處運(yùn)輸距離各不相同，運(yùn)距大小排序?yàn)榉桨?﹥方案2﹥方案3﹥方案4。東南部端幫運(yùn)距示意圖如圖2。

圖2 東南部端幫運(yùn)距示意圖

由于各平盤端幫拐角處運(yùn)距各不相同，在比較各方案運(yùn)距時(shí)需要根據(jù)各平盤運(yùn)輸物料及運(yùn)距求得各方案在該區(qū)域的綜合運(yùn)距L，具體計(jì)算公式為：

式中：L 為運(yùn)輸物料經(jīng)過(guò)東南部域拐角區(qū)綜合運(yùn)距，m；Qk為經(jīng)過(guò)首采區(qū)東南部端幫各平盤物料量（k 代表平盤），萬(wàn)m3；lk為東南部區(qū)域拐角處各平盤運(yùn)輸距離，m。

據(jù)此可以計(jì)算求出各方案在該區(qū)域加權(quán)運(yùn)距：方案1 運(yùn)距547.43 m；方案2 運(yùn)距450.55 m；方案3運(yùn)距407.30 m；方案4 運(yùn)距366.27 m。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)對(duì)各方案的采剝量及運(yùn)距進(jìn)行分析，可知各方案中經(jīng)由端幫運(yùn)輸物料運(yùn)距和剝離量相比原始設(shè)計(jì)方案1 都有所下降，其中方案4 剝采比最小，同時(shí)形成的端幫拐角處運(yùn)輸距離最短，但煤炭損失較大，相比方案1 損失煤炭13 萬(wàn)t，方案2 和方案3 煤炭損失相差不大，方案3 剝采比和運(yùn)距均比方案2小。為比較各方案經(jīng)濟(jì)效益，按安家?guī)X礦近期原煤價(jià)格和生產(chǎn)成本，計(jì)算各方案經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用，計(jì)算公式為：

式中：Y 為單位體積剝離物料每公里運(yùn)費(fèi)；p 為噸煤成本，元/t；Q 為剝離量，萬(wàn)m3；A 為煤炭資源回收量，萬(wàn)t；ρ 為煤密度，t/m3；C 為采剝成本，元/m3；Qw為經(jīng)由東南部端幫排棄物料量，萬(wàn)m3。

各境界方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 各境界方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 萬(wàn)元

根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算，可知各方案相對(duì)于原設(shè)計(jì)方案1 的原煤經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)約排土運(yùn)輸費(fèi)用情況，相比較方案4 相對(duì)最優(yōu)，與方案1 相比可增加原煤經(jīng)濟(jì)效益5 782 萬(wàn)元，節(jié)省排土運(yùn)費(fèi)2 478 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

以安家?guī)X露天煤礦東南靠界區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)采掘境界優(yōu)化影響因素分析，提出了采掘境界的4 種優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)各方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析，將東南幫拐角處采掘邊界縮界開(kāi)采，合理優(yōu)化了東南部靠界拐角處端幫形狀，在減少13 萬(wàn)t原煤采出量的情況下，可減少剝離量633 萬(wàn)m3，與最初端幫設(shè)計(jì)相比可增加經(jīng)濟(jì)效益5 782 萬(wàn)元，同時(shí)可減少二采區(qū)東部排棄物料運(yùn)輸費(fèi)用2 478 萬(wàn)元，有效地提升了礦山經(jīng)濟(jì)效益。