元寶山露天礦改河期間剝采工程接續(xù)方式

白潤才 吳東海 劉光偉 曹 博 白 羽(.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 3000；.平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司元寶山露天煤礦，內蒙古 赤峰 04000)

元寶山露天礦改河期間剝采工程接續(xù)方式

白潤才1吳東海1劉光偉1曹 博1白 羽2
(1.遼寧工程技術大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；2.平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司元寶山露天煤礦，內蒙古 赤峰 024000)

針對露天礦境界內河流引起生產(chǎn)剝采比波動及剝采工程接續(xù)困難的問題，提出了采用雙坑配采的方法，調節(jié)構筑物移設期間的生產(chǎn)剝采比，提高資源回收率，確保剝采工程平穩(wěn)接續(xù)。詳細介紹了雙坑配采的適用條件、超前坑拉溝位置確定原則、拉溝長度的計算方法以及接續(xù)工程位置的優(yōu)化方案，結合元寶山露天礦二次改河期間剝采工程接續(xù)問題進行了實例分析。結果表明：雙坑配采可有效調節(jié)生產(chǎn)剝采比，實現(xiàn)礦山工程平穩(wěn)過渡，顯著提高礦山經(jīng)濟效益。

雙坑配采 露天礦 剝采工程接續(xù) 剝采比

保持穩(wěn)定的礦石生產(chǎn)能力是礦山健康平穩(wěn)發(fā)展的前提。當工作幫推進過程中遇到某些特殊地形或復雜地質構造時，傳統(tǒng)的開拓開采方法無法完成既定的剝采工程計劃，造成產(chǎn)量接續(xù)困難甚至生產(chǎn)中斷，直接影響礦山經(jīng)濟效益。因此，研究特殊地形條件下露天礦剝采工程接續(xù)問題具有重要意義[1]。

針對元寶山露天礦境界內受河流阻礙，影響生產(chǎn)能力接續(xù)的問題，提出將河流改道至內排土場及改河期間剝采工程協(xié)調過渡和產(chǎn)量平穩(wěn)接續(xù)的新方法，對其他受特殊地形條件約束而產(chǎn)生的接續(xù)問題的露天礦具有重要的參考意義。

1 接續(xù)方式

露天礦生產(chǎn)能力直接決定著礦山設備選型、設備數(shù)量、勞動定員、生產(chǎn)成本以及服務年限等。然而，實際生產(chǎn)過程中常因礦體自然條件、開采技術條件以及采區(qū)過渡等因素的影響，導致既定剝采進度計劃無法滿足生產(chǎn)能力要求[2]。因此，需要對生產(chǎn)能力接續(xù)方式進行研究，保證礦山工程的平穩(wěn)過渡。針對不同的地質條件及外部因素限制，露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)方式通常可分為下述3種。

1.1 超前剝離

超前剝離是保證露天礦生產(chǎn)能力接續(xù)及控制生產(chǎn)剝采比較為常用的一種手段。露天采場推進過程中，因局部地區(qū)地表剝離物突然變薄，致使剝采比短期內降低，此時，可采用超前剝離的方式，充分發(fā)揮設備效率，有效利用內排空間，均衡生產(chǎn)剝采比以降低剝離洪峰的影響。超前剝離方案可根據(jù)實際情況保證露天礦年剝離總量平穩(wěn)變化、剝采工程動態(tài)平衡發(fā)展。由于超前剝離量的存在，增加了備采煤量，提高了礦山的系統(tǒng)可靠性。若超前剝離量過大，露煤時間超過煤炭自然發(fā)火期，或遇到大的地質構造，超前剝離無法滿足礦山剝采總量時，需要尋找新的解決方法，保證露天礦生產(chǎn)能力的接續(xù)[3]。

1.2 滯后剝離

露天采場推進過程中遇到大的地質構造，導致煤層頂板起伏，剝離物厚度突然增大，生產(chǎn)剝采比急劇增加，煤量接續(xù)困難。通常采用組合臺階開采及分期境界縱采或橫采等方法滯后剝離，降低特殊時期生產(chǎn)剝采比，將剝離洪峰后移，降低峰值，保證生產(chǎn)能力平穩(wěn)接續(xù)。超前剝離和滯后剝離分別如圖1所示。

圖1 2種剝離方式

上述2種方式從控制露天礦剝離工程量超前或滯后的角度，分析了不同條件下調節(jié)控制生產(chǎn)剝采比的方法。然而，當露天開采境界內存在河流或其他地表構筑物時，因工作幫推進受到阻礙，無法通過調節(jié)臺階平盤寬度，改變工作幫坡角等方法控制調節(jié)生產(chǎn)剝采比。針對此種情況下的露天礦剝采工程和生產(chǎn)能力接續(xù)問題，本研究提出在工作幫推進方向構筑物的另一側重新拉溝，開辟新的超前坑與原采坑實現(xiàn)雙坑配采，調節(jié)構筑物移設期間的生產(chǎn)剝采比，從而實現(xiàn)特殊時期剝采工程和生產(chǎn)能力的過渡接續(xù)[4]。

1.3 雙坑配采(重新拉溝)

雙坑配采(如圖2)實質上是一種特殊的超前剝離方法。當采場工作幫向前推進遇到境界內河流或地表構筑物阻礙時，剝采工程計劃遭到破壞，引起產(chǎn)量接續(xù)困難，甚至生產(chǎn)停滯。針對此種特殊情況，為保證礦山工程平穩(wěn)過渡，在采場推進至構筑物之前生產(chǎn)剝采比急劇減小的時期，在工作幫推進方向構筑物的另一側開辟新的采坑，配合原采坑超前剝離，減小因原采坑推進受阻而產(chǎn)生的生產(chǎn)剝采比波動，實現(xiàn)剝采工程平穩(wěn)接續(xù)。雙坑配采期間露天礦生產(chǎn)剝采比應滿足：

(1)

式中，V0為配采期原采坑年剝離量，m3/a；P0為配采期原采坑年采煤量，t/a；V1為超前坑年配剝量，m3/a；P1為超前坑年配采量，t/a；ns為配采期間生產(chǎn)剝采比，m3/t；nj為經(jīng)濟合理剝采比，m3/t。

圖2 雙坑配采示意

雙坑配采方案相對于上述2種方案調節(jié)生產(chǎn)剝采比更加靈活，具有更強的調節(jié)能力。針對內排土場上方河流改道期間的生產(chǎn)接續(xù)問題，雙坑配采方案有利于內排空間的充分利用，加速形成了滿足改河要求的內排土場，為改河工程爭取了時間。

2 超前坑參數(shù)的確定

2.1 合理拉溝位置

露天礦拉溝位置的選擇直接影響基建工程量和初期投資。選擇拉溝位置時應綜合考慮煤層埋藏深度、煤層厚度、覆蓋物厚度以及生產(chǎn)剝采比大小等因素的影響[5]。然而，針對改河期間的接續(xù)過渡問題，超前坑拉溝方案還應堅守如下原則。

(1)超前坑具有充足的剝離量以滿足內排空間需求，及時形成滿足改河要求的內排土場形態(tài)；

(2)有利于改河工程結束后原采坑與超前坑的工程位置銜接和產(chǎn)量接續(xù)；

(3)盡量靠近原采坑，減小運距及剝采設備走行距離，提高經(jīng)濟效益；

(4)有利于工藝系統(tǒng)的布置和銜接，減小生產(chǎn)組織難度。

2.2 最佳接續(xù)工程位置

超前坑合理接續(xù)工程位置直接影響雙坑配采期間生產(chǎn)剝采比的大小和接續(xù)過渡時間，設當工作面推進至距地表構筑物L處開始進行雙坑配采，接續(xù)距離L越大，接續(xù)過渡時間越長，對生產(chǎn)造成的影響越大；反之，則造成接續(xù)期生產(chǎn)剝采比增大，影響露天礦經(jīng)濟效益。以雙坑配采時期露天礦年生產(chǎn)成本最小為目標，建立目標函數(shù)：

W=a×AP+b×ns×AP,

(2)

式中，W為配采期間露天礦年生產(chǎn)成本，元/a；a為露天礦純采煤成本，元/t；b為露天礦純剝離成本，元/m3；AP為配采期間露天礦年產(chǎn)量，t/a；ns為配采期間露天礦生產(chǎn)剝采比，m3/t。

雙坑配采期間生產(chǎn)剝采比ns可用關于接續(xù)距離L的函數(shù)f(L)表示，針對不同接續(xù)距離L進行模擬開采，得出不同情況下配采階段的生產(chǎn)剝采比，應用最小二乘法擬合出關于L的二次函數(shù)：

f(L)=A×L2+B×L+C,

(3)

式中，A為擬合函數(shù)的二次項系數(shù)；B為擬合函數(shù)的一次項系數(shù)；C為擬合函數(shù)的常數(shù)項。

將式(3)代入式(2)，求出當露天礦年生產(chǎn)成本W(wǎng)取極小值時的最佳接續(xù)距離L。

2.3 初始拉溝長度

露天礦初始拉溝長度不僅與生產(chǎn)能力有直接關系，同時還影響露天礦基建工程量、噸煤剝離成本、礦巖運距及生產(chǎn)剝采比。然而，確定雙坑配采情況下超前坑的初始拉溝長度，需在分析以上影響因素的同時，考慮是否有利于動態(tài)調節(jié)雙坑配采期間生產(chǎn)剝采比、保證露天礦生產(chǎn)能力以及提早見煤，進而盡快實現(xiàn)雙坑共采[6]。

雙坑配采期間露天礦的礦石采出量和剝離量為原采坑和超前坑的剝采工程量之和，在滿足露天礦生產(chǎn)能力和經(jīng)濟合理剝采比的前提下，通過協(xié)調2個采坑的剝采程序，實現(xiàn)對生產(chǎn)剝采比的動態(tài)調節(jié)，保證露天礦在特殊時期的平穩(wěn)接續(xù)過渡。因此，配采期間露天礦剝采工程量應滿足：

AP=A0+A1≥A,

(4)

V=V0+V1,

(5)

(6)

式中，A為露天礦設計生產(chǎn)能力，t/a；A0為配采期間原采坑年采煤量，t/a；A1為配采期間超前坑年配采量，t/a；V為配采期間露天礦年剝離總量，m3/a；V0為配采期間原采坑年剝離量，m3/a；V1為配采期間超前坑年配剝量，m3/a。

超前坑拉溝長度直接影響其配采能力，因此，可根據(jù)不同配采參數(shù)的約束確定拉溝長度的最佳范圍。針對不同露天礦地質條件，超前坑初始拉溝長度的確定方法略有不同。

對于近水平露天礦而言，在確定超前坑初始拉溝長度X時，主要考慮拉溝長度能否滿足超前坑年配采量A1和配剝量V1的要求。圖3為超前坑垂直于推進方向的斷面示意圖，由各參數(shù)幾何關系可得近水平煤層條件下，A1和V1與X的關系為：

(7)

當n=1時：

(8)

當n≥2時：

(9)

式中，n為配采期間超前坑配采煤層數(shù)；vx為超前坑水平推進度，m/a；hi為超前坑第i層煤平均埋藏深度，m；mi為超前坑第i層煤平均厚度，m；γ為露天礦煤層平均容重，t/m3；α、β均為超前坑端幫幫坡角，(°)。

圖3 近水平煤層超前坑斷面

對于傾斜、緩傾斜礦體而言，按拉溝方向與煤層賦存狀態(tài)的關系，超前坑拉溝長度可分別按照縱采和橫采確定。如圖4所示。

圖4 傾斜煤層超前坑斷面

超前坑縱采時，生產(chǎn)剝采比主要受開采深度的影響。因此，在確定超前坑初始拉溝長度時主要考慮超前坑年配采量A1的影響。超前坑縱采時，由圖4(a)中各參數(shù)的幾何關系可得出A1與X的關系式：

(10)

式中，vy為超前坑垂直延深速度，m/a；θi為第i層煤傾角，(°)；di為第i層煤與最下一層煤之間的距離，m；vy與水平推進速度vx的關系式：

vy=vx×(tanα+tanθn).

(11)

超前坑橫采時，由圖4(b)中各參數(shù)幾何關系可得相關關系式：

A1=Sm×vx×γ+Ld×H×vx×γ,

(12)

V1=Sb×vx,

(13)

Ld=X-H×(cosα+cosθn),

(14)

式中，Sm為超前坑除最下一個煤層外總露煤面積，m2；Sb為超前坑總露巖面積，m2；Ld為最下一個煤層水平露煤寬度，m；H為超前坑開采深度，m；θn為最下一個煤層礦體傾角，(°)。在確定超前坑重新拉溝長度X時，根據(jù)露天礦煤層賦存狀態(tài)，根據(jù)上述公式計算出符合配采能力和生產(chǎn)剝采比的拉溝長度范圍，在此范圍內，提出不同拉溝長度的拉溝方案，綜合考慮開采工藝適應性、礦巖運輸距離以及充分發(fā)揮設備效率等因素的影響，比選出最優(yōu)方案。

3 實例研究

元寶山露天礦位于內蒙古自治區(qū)赤峰市，隸屬于平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司，根據(jù)集團公司的部署元寶山露天礦經(jīng)歷數(shù)次擴能改造。然而，受境界內英金河的影響，露天礦區(qū)被分為東北、西南2部分，極大地制約了元寶山露天煤礦擴能工程的實施。為保證露天礦剝采工程及生產(chǎn)能力接續(xù)，元寶山露天礦已在2011年末實施了第一次改河工程，將英金河河道北移800m，可滿足露天礦以擴能后的規(guī)模繼續(xù)生產(chǎn)至2020年。因此，在2020年之前完成二次改河工程是元寶山露天礦目前亟待解決的問題，關系著元寶山露天礦的生死存亡和可持續(xù)發(fā)展。

在充分考慮設計審批時間、改河征地費用、村莊搬遷時間及水利工程可實施性等相關問題后，擬定將二次改河河道位置設置在內排土場上方。

由于二次改河方案將河流改道至內排土場上，盡快形成滿足改河要求的內排土場是改河工程的核心問題，然而，因工作幫推進受河流阻礙，造成露天礦剝采工程接續(xù)困難，致使無法及時提供內排土場需要的足夠的內排量。根據(jù)露天礦制定的坑內破碎站移設計劃，內排空間與原采坑剝離量變化趨勢如圖5所示。元寶山露天礦內排空間呈現(xiàn)“前期有量無空間，后期有空間無量” 的變化規(guī)律，這對二次改河工程的實施十分不利。因此，需協(xié)調剝采工程，在加速形成內排空間的同時，適當進行超前剝離及時提供足夠的內排量，盡早形成滿足改河要求的內排土場。傳統(tǒng)的超前剝離方式無法在短時間內提供足夠內排量并保證改河期間的剝采工程平穩(wěn)接續(xù)，擬采用雙坑配采方案解決改河期間的剝采工程接續(xù)問題。

圖5 內排空間與剝離量變化曲線

根據(jù)元寶山露天礦實際生產(chǎn)情況，對不同接續(xù)距離L進行模擬開采得出相應的接續(xù)方案的生產(chǎn)剝采比，應用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合，得出過渡期生產(chǎn)剝采比的擬合函數(shù)為

f(L)=0.000 056 2×L2-0.035 2×L+6.416.

(15)

將式(15)代入式(2)中，參考元寶山露天礦經(jīng)濟指標，取a=68.49元/t；b=29.04元/t；AP=1 500×104t/a。得出當C取最小值時，最佳接續(xù)距離L=313.17 m。根據(jù)露天礦工程推演，最佳接續(xù)時間為2016年，然而，由圖3可知，受露天礦坑內破碎站移設影響，內排空間直到2017年底才開始大量釋放，同時考慮到采場與河道需保留一定的安全距離，因此，將最佳接續(xù)距離適當調整為200 m。

元寶山露天礦煤層呈北東—北北東走向，河道北部地區(qū)受F4正斷層影響煤層賦存較深，最淺處為西部地區(qū)。露天礦設計生產(chǎn)能力為15 Mt/a，根據(jù)上述確定的最佳接續(xù)位置，對露天礦進行模擬開采和工程推演，得出采場推進至接續(xù)位置時，原采坑仍有可采煤量50 Mt左右，基本可以滿足改河期間生產(chǎn)能力要求，因此，改河期間北部超前坑配采只考慮4煤，平均可采厚度10.77 m；平均埋藏深度50 m；平均傾角為5°；容重γ=1.25 t/m3；超前坑端幫幫坡角分別為α=22°、β=23°；水平推進速度v=120 m/a；改河期間原采坑年平均出煤量A0=13 Mt/a，年平均剝離量V0=25 Mm3；改河期間nj=4.43 m3/t。

將上述參數(shù)代入式(7)～式(9)，得出超前坑重新拉溝長度X≥913 m。結合河道以北露天礦境界形狀，確定4個超前坑重新拉溝方案分別為：

方案一：東部走向拉溝1 600 m方案；

方案二：中部走向拉溝1 600 m方案；

方案三：中部走向拉溝1 000 m方案；

方案四：中部傾向拉溝1 000 m方案。

以南坑開采參數(shù)為基礎，設計北坑開采模版，各方案最終工程位置如圖6。對各方案分別從改河期間配采煤量、可提供內排量、剝離物加權平均運距、生產(chǎn)剝采比以及降深水平等方面進行綜合比選如表1，同時考慮便于生產(chǎn)管理及提早揭露4煤，盡快實現(xiàn)雙坑共采，推薦采用方案三：中部走向拉溝1 000 m方案，即圖6(c)所示。

圖6 不同拉溝方案最終工程位置

表1 不同拉溝方案綜合對比Table 1 Comprehensive comparison of different trenching scheme

4 結 論

(1)采用雙坑配采技術解決露天礦遇地表構筑物時的生產(chǎn)能力接續(xù)問題在技術上是可行的。

(2)雙坑配采技術可實現(xiàn)對特殊時期生產(chǎn)剝采比的動態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)能力平穩(wěn)接續(xù)，針對傳統(tǒng)調節(jié)生產(chǎn)剝采比方法無法實現(xiàn)的露天礦遇地表構筑物時期生產(chǎn)能力接續(xù)問題效果明顯。

(3)元寶山露天煤礦采用雙坑動態(tài)協(xié)調開采技術保證了內排土場上改河工程的順利實施，保證改河期間平穩(wěn)過渡，避免改河征地和再次改河，提高了露天礦經(jīng)濟效益。

(4)我國大多數(shù)露天礦存在境界內特殊構筑物影響采場推進引起的接續(xù)問題，因此，雙坑配采方法具有廣泛應用價值。

[1] 劉光偉，李成盛，于 淵．露天煤礦采區(qū)接續(xù)方案[J]．科技導報，2014，32(1)：59-64． Liu Guangwei，Li Chengsheng，Yu Yuan.Mining area connection scheme in surface coal mine[J].Science & Technology Review，2014，32(1)：59-64.

[2] 陳俊智.露天礦生產(chǎn)剝采比的優(yōu)化與控制[D].昆明:昆明理工大學,2001. Chen Junzhi.Optimization and Regulation for Stripping-ration of Open-pit Mines[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2001.

[3] 孫 寬,鄧有燃,劉如成,等.安家?guī)X露天礦超前剝離方案優(yōu)化研究[J].露天采礦技術,2012，28(5):1-4. Sun Kuan，Deng Youran，Liu Rucheng，et al.Research on optimization of Anjialing Open-pit Mine advance stripping[J].Opencast Mining Technology，2012,28(5)：1-4.

[4] 高長志.安家?guī)X露天煤礦首采區(qū)轉向時期剝采工程計劃優(yōu)化研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2011. Gao Changzhi.Research on Stripping and Mining Engineering Plan Optimization during the First-section Mine-turning in Anjialing Open Coal Mine[D].Fuxin：Liaoning Technical University，2011.

[5] 孫宇霆,才慶祥.露天礦首采區(qū)以及拉溝位置選擇的評價[J].金屬礦山,2014(7):46-50. Sun Yuting，Cai Qingxiang.Evaluation on locations′ selection of the first mining area and open segment ditch in open-pit mine[J].Metal Mine，2014(7)：46-50.

[6] 趙紅澤,張瑞新,甄 選,等.近水平轉傾斜煤層煤礦生產(chǎn)能力約束指標研究[J].金屬礦山,2012(9):16-20. Zhao Hongze，Zhang Ruixin，Zhen Xuan，et al.Study of production capacity constraint index in coal mine from flat seam to inclined seam[J].Metal Mine，2012(9)：16-20.

(責任編輯 徐志宏)

Stripping and Mining Engineering Splice during the River Diversion in Yuanbaoshan Surface Mine

Bai Runcai1Wu Donghai1Liu Guangwei1Cao Bo1Bai Yu2
(1.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China；2.YuanbaoshanSurfanceMine，PingzhuangCoalIndustry(Group)，Co.，Ltd.，Chifeng024000，China)

Aiming at the problems such as the production stripping ratio fluctuation caused by rivers in surface mine limit and the difficulties in connecting stripping and mining engineering，double pits coordinated mining method is put forward to regulate stripping ratio，increase the recover rate of resources，ensure the smooth connection of stripping and mining engineering.The applicable conditions for double pits coordinated mining，principles to decide the position of initial trenching，calculation method for advanced pit parameters and optimization of engineering splicing location are introduced in detail，and the difficulties in connecting stripping and mining engineering that occurred during the second river diversion in Yuanbaoshan surface mine is analyzed as a case.The results show that：the double pits coordinated mining method can effectively regulate the stripping ratio，get a smooth transition in the mining engineering，and thus significantly improve the economic efficiency of mine.

Double pits coordinated mining，Surface mine，Stripping and mining engineering splice，Stripping ratio

2014-10-21

遼寧省教育廳科學技術研究項目(編號：L2011051)，中國煤炭工業(yè)協(xié)會指導性計劃項目(編號：MTKJ2012-306)。

白潤才(1961—)，男，教授，博士研究生導師。

TD824

A

1001-1250(2015)-01-020-05