急傾斜煤層礦山合理開采規(guī)模的確定

竇 勇

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

木里四井田煤礦位于青海省東北部聚乎更煤礦的西南部，隸屬天峻縣木里鎮(zhèn)管轄，東起F3斷層與一井田連接，西至F7斷層與哆嗦公馬井田相連，井田東西長約5.6 km，南北平均寬度約2.5 km，面積約14.09 km2。礦田地貌西高東低，東部為沼澤濕地，海拔相對較低，地表水系和高原草甸發(fā)育；西部為高山區(qū)，地形切割較大，海拔+4 043～+4 300 m，高差257 m。哆嗦河西支流在礦田中央從西向東流過，最低侵蝕基準(zhǔn)面位于礦田東側(cè)的上哆嗦河與西支流分叉地帶，海拔高度+4 043 m。

木里四井田的露天開采區(qū)可采煤層主要集中在木里組下含煤段地層中，僅上13煤層在上含煤段中存在，且煤層厚度小，在東井田內(nèi)為大部可采煤層，自上至下依次為上13、下1、下中和下2煤層。下1、下中和下2煤層為全區(qū)可采煤層，淺部較陡傾角為35°～45°，向深部逐漸變緩傾角為5°～20°，煤層可采平均厚度22.73 m，覆蓋層厚度215～272 m。根據(jù)木里四井田地質(zhì)勘探報(bào)告，該礦田由2個(gè)獨(dú)立賦煤區(qū)域組成，即北區(qū)和南區(qū)。北部賦煤區(qū)域由F5斷層分為2塊，F(xiàn)5斷層以東為東采區(qū)，F(xiàn)5斷層以西為西采區(qū)。由于購地限制，該礦可選擇的外排土場有限，可外排棄量為257.5 Mm3(實(shí)方)。為此，根據(jù)本煤田自然剝采比、地形條件、外排土場選擇情況，結(jié)合北部東采區(qū)剝采比小、地形簡單、外排土場條件好的實(shí)際，確定北部東采區(qū)作為露天煤礦的首采區(qū)，進(jìn)而探究其合理的開采規(guī)模。

1 拉溝長度

1.1 拉溝長度的范圍

外排量及運(yùn)距計(jì)算：根據(jù)露天開采理論，露天煤礦拉溝長度與露天煤礦的基建工程量、開采規(guī)模、外排量、內(nèi)排時(shí)間、剝離和采煤運(yùn)輸距離密切相關(guān)，同時(shí)也直接關(guān)系到露天煤礦的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。拉溝長度短，基建工程量小、生產(chǎn)剝采比相對較大、外排量小、運(yùn)輸距離小，拉溝長度大則與其相反，這就需要尋找出一個(gè)最佳的拉溝長度，使其達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，采用計(jì)算機(jī)模擬方法對首采區(qū)不同拉溝長度的可采煤量、首采區(qū)平均剝采比、可達(dá)到產(chǎn)量、外排運(yùn)距、內(nèi)排運(yùn)距進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 北區(qū)不同拉溝長度對應(yīng)的外排量及運(yùn)距

拉溝長度的選取范圍：該礦有2個(gè)外排土場，北排土場可排棄量123 Mm3(實(shí)方)，南排土場可排棄量為134.5 Mm3(實(shí)方)。從表1可知，隨著拉溝長度的增加，外排量逐漸增加，運(yùn)輸距離也逐漸增加，拉溝長度達(dá)到或者超過3 km時(shí)，露天煤礦的外排土場就不能夠滿足外排要求，因此露天煤礦最大拉溝長度不能超過3 km。另外，可以看出拉溝長度在1.3～1.7 km時(shí)，隨著拉溝長度的增加，剝采比逐漸減小，拉溝長度1.7 km時(shí)剝采比達(dá)到最小；而后由于地形條件的變化，特別是拉溝長度超過2.1 km時(shí)剝采比急劇增加。從前期生產(chǎn)剝采比來看，露天煤礦拉溝長度不宜超過1.7～2.1 km。

1.2 拉溝長度的確定

綜合當(dāng)量運(yùn)輸功計(jì)算：不同拉溝長度方案中，外排量及外排運(yùn)輸距離變化較大，因此運(yùn)用當(dāng)量運(yùn)輸功(當(dāng)量運(yùn)輸功=剝離量×當(dāng)量運(yùn)距)來表示生產(chǎn)成本指數(shù)。所消耗的當(dāng)量運(yùn)輸功越大，其運(yùn)輸成本越高，經(jīng)濟(jì)效益越差。不同拉溝長度對應(yīng)的整個(gè)北采區(qū)剝離運(yùn)輸功見表2。

表2 北區(qū)不同拉溝長度對應(yīng)的綜合當(dāng)量運(yùn)輸功

經(jīng)濟(jì)效益分析：從表2可知，隨著拉溝長度的增加，綜合當(dāng)量運(yùn)輸功逐漸增加，開采成本逐漸增加，經(jīng)濟(jì)效益越來越差。拉溝1.3 km時(shí)，因?yàn)橥馀帕枯^小，內(nèi)排早，其綜合當(dāng)量運(yùn)輸功最小，且總的當(dāng)量運(yùn)輸功僅比1.5 km拉溝長度當(dāng)量運(yùn)輸功低1.0%，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢不明顯。1.3 km拉溝長度開采規(guī)模僅能達(dá)到1.5 Mt/a，開采規(guī)模偏小，且初期生產(chǎn)剝采比較大。拉溝長度1.5 km時(shí)當(dāng)量運(yùn)輸功較小，且生產(chǎn)剝采比小，初期的開采成本較低。通過綜合比較后，設(shè)計(jì)推薦1.5 km拉溝方案。隨著拉溝長度的增加，露天煤礦的當(dāng)量運(yùn)輸功在增加，當(dāng)拉溝長度達(dá)到3.0 km時(shí)其露天煤礦的當(dāng)量運(yùn)輸功達(dá)到拉溝長度1.5 km時(shí)的1.79倍，效益比較差。

拉溝長度選取：綜上，通過綜合比較推薦拉溝長度為1.4～1.6 km，此時(shí)能夠較早實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，且外排量及運(yùn)輸距離小，綜合當(dāng)量運(yùn)輸功相對較小，初期剝采比較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 開拓延深

2.1 工作線長度及溝底寬度計(jì)算

工作線長度計(jì)算：礦山的開發(fā)強(qiáng)度受到礦床賦存條件的限制，不可能是無限的。露天煤礦開采強(qiáng)度受采區(qū)工作線的推進(jìn)速度和延深速度的制約[3-6]。由于本露天煤礦煤層為急傾斜煤層，露天煤礦的開采強(qiáng)度和開采規(guī)模主要受延深速度的限制。在計(jì)算挖掘機(jī)工作線長度時(shí)，需要保障挖掘機(jī)具有一定的工作時(shí)間，即保障挖掘機(jī)的工作效率。工作線長度L計(jì)算見式(1)

(1)

式中，Q—挖掘機(jī)日工作能力，m3/d；q—挖掘機(jī)工作線長度爆破量，m3/m；N—作業(yè)分區(qū)數(shù)(采裝、待爆、穿孔區(qū))。該礦在實(shí)際生產(chǎn)中，2 m3的挖掘機(jī)年能力為0.46 Mm3，對應(yīng)日生產(chǎn)能力Q為1 394 m3/d；作業(yè)分區(qū)為采裝、待爆、穿孔3個(gè)區(qū)，即N=3；采掘帶寬度為15 m，臺階高度為10 m，每一區(qū)按照挖掘機(jī)7 d采掘量來確定。則計(jì)算挖掘機(jī)的工作線長度為195 m，本設(shè)計(jì)取值為200 m。

溝底寬度計(jì)算：在掘溝時(shí)采用折回式調(diào)車，其溝底寬度b的計(jì)算見式(2)

bmin=Rmin+1/2(B+L)+2e=22.56 m

(2)

式中，Rmin—汽車道路最小回轉(zhuǎn)半徑，取汽車最小曲線半徑的1.2倍，即10.5×1.2=12.6 m；B—汽車車體寬度，取3.1 m；L—汽車車體長度，取8.82 m；e—汽車距溝道坡底線安全距離，取2.0 m。在該礦掘溝方案中取掘溝寬度為25 m。

2.2 延深速度及開拓準(zhǔn)備時(shí)間分析

分析方法：剝采工程延深速度除與礦體賦存條件及開拓方式等有關(guān)外，主要取決于上部工作水平的工作線推進(jìn)速度和下部新水平的出入溝和開段溝的掘溝時(shí)間[7-10]。為了研究各采區(qū)的延深速度，分別取下2煤層底板長度為擴(kuò)幫的工作線長度和開段溝的長度計(jì)算各水平的工作線長度及各水平的挖掘機(jī)數(shù)量，并利用3Dmine地質(zhì)模型計(jì)算各水平的階段量[11-13]，分析各水平的開拓準(zhǔn)備時(shí)間。開拓準(zhǔn)備時(shí)間包括上一水平的擴(kuò)幫時(shí)間和本水平的掘開段溝和出入溝時(shí)間。本設(shè)計(jì)中挖掘機(jī)能力取0.46 Mm3/a，由于該地區(qū)氣候相對惡劣，采煤工作12個(gè)月，剝離工作12個(gè)月，掘溝挖掘機(jī)能力降低10%，為了快速掘溝，掘出入溝采用2臺挖掘機(jī)工作，溝底寬度為25 m，每400 m設(shè)置一個(gè)出入溝。

分析結(jié)果：通過3Dmine計(jì)算，露天煤礦北區(qū)沿煤層走向縱向拉溝各水平延深需要的開拓準(zhǔn)備時(shí)間及煤巖量見表3。從表3可知，露天煤礦北區(qū)東采區(qū)(首采區(qū))計(jì)算的延深新水平的開拓準(zhǔn)備時(shí)間為3.49個(gè)月，即年可延深臺階數(shù)為12/3.49=3.4個(gè)臺階，年延深取34 m。

3 開采規(guī)模

3.1 延深速度確定開采規(guī)模

采剝工程量：經(jīng)過上述論證，北區(qū)年延深速度為34 m，不同拉溝長度的采剝工程量見表4。

開采規(guī)模確定：根據(jù)煤層的賦存情況，由表4可知，當(dāng)拉溝1.3～2.1 km，從地表延深至4036水平時(shí)，煤量很小，屬于基建期；從4002水平延深至3866水平時(shí)，采煤工作線是完整的，煤量變化穩(wěn)定，屬于正常生產(chǎn)時(shí)期；從3832水平延深至坑底時(shí)，煤量變小。當(dāng)拉溝長度超過2.1 km時(shí)，由于斷層及地表起伏變化較大，西高東低，地表在4200水平時(shí)，需要超前剝離，當(dāng)從4070水平延深至3866水平時(shí)，屬于正常的生產(chǎn)時(shí)期。因此在依據(jù)不同拉溝長度確定開采規(guī)模時(shí)，基建期和延深至坑底時(shí)不計(jì)算在內(nèi)，不同拉溝長度對應(yīng)的開采規(guī)模見表5。通過綜合比較,推薦拉溝長度為1.5 km，此時(shí)能夠較早實(shí)現(xiàn)內(nèi)排、外排量較少，綜合當(dāng)量運(yùn)輸功較小，且初期剝采較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益，則首采區(qū)開采規(guī)模為2.0 Mt/a。

表5 不同拉溝長度確定的開采規(guī)模

表4 北區(qū)不同拉溝長度與分階段采剝工程量

3.2 可投入的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量校核開采規(guī)模

挖掘機(jī)數(shù)計(jì)算：根據(jù)以上論證，每相鄰2個(gè)挖掘機(jī)之間的距離取200 m。這一距離是為了保障設(shè)備之間不相互影響，提高設(shè)備的利用率，并盡可能的進(jìn)行巖石的剝離和煤炭開采。如第N個(gè)工作線上的挖掘機(jī)數(shù)為mN，則

(3)

開采規(guī)模校核結(jié)果：從4000水平至3870水平，屬于正常生產(chǎn)時(shí)期，當(dāng)拉溝1.5 km時(shí)，通過工作面長度可布置的挖掘機(jī)數(shù)量，按照表3的開拓準(zhǔn)備時(shí)，計(jì)算可投入設(shè)備的開采規(guī)模，結(jié)果見表6。北區(qū)在拉溝長度為1.5 km時(shí)，由采場可投入的挖掘機(jī)確定的開采規(guī)模為2.21 Mt/a。

表3 東采區(qū)沿煤層走向拉溝延深至各水平量及開拓準(zhǔn)備時(shí)間

表6 可投入設(shè)備確定的開采規(guī)模

4 結(jié)語

根據(jù)該礦田煤層賦存情況、地形條件以及其他開采條件，對該礦田北采區(qū)的拉溝長度進(jìn)行了多方案優(yōu)化和比選，最終推薦北區(qū)的首采區(qū)的拉溝長度為1.5 km。同時(shí)根據(jù)露天煤礦選擇的開采工藝、設(shè)備，從拉溝長度、延深速度、設(shè)備安全作業(yè)長度、剝離物當(dāng)量運(yùn)輸功等因素，確定當(dāng)首采區(qū)拉溝1.5 km時(shí)，開采規(guī)模為2.0 Mt/a，此時(shí)綜合噸煤剝離運(yùn)距最短，剝采比較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。