準(zhǔn)東露天煤礦靠幫開采過程中高段內(nèi)排運輸系統(tǒng)優(yōu)化

王登龍，陳 濤

（1.神華新疆吉木薩爾能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉831700；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

露天礦采場是一個隨時間協(xié)調(diào)變化的有限空間，其內(nèi)部的時空演化規(guī)律是露天礦開拓運輸系統(tǒng)定線的重要基礎(chǔ)[1-3]。運輸系統(tǒng)是否合理將直接影響露天礦整個生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效率[4-5]。解決端幫運輸?shù)缆分剀囅滦袉栴}，傳統(tǒng)方法是增加運輸水平[6-7]，將每條運輸?shù)缆啡∑剑_(dá)到減小剝離物料的運輸高差作用，可有效避免重車下行現(xiàn)象；對于壓煤問題，一般采用靠幫開采技術(shù)[8]，取消部分運輸?shù)缆罚臑楸０财脚_，從而提高了端幫角度，增加資源回收量[9]。

對于我國北方的露天礦，由于主采煤層較多且厚度大多為10～30 m，煤臺階劃分為1個或2個，靠幫開采時只需取消煤層頂板上第1條運輸?shù)缆罚档偷?條運輸?shù)缆返乃剑瑥亩哟蟛糠诌\輸?shù)缆贩?wù)水平，但不會導(dǎo)致剝離物料的高差過分增加[10]，端幫運輸?shù)缆繁３炙揭嗫蓾M足剝離物料運輸。對于準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)由于煤層的特殊的賦存條件，煤層平均厚度72.58 m，煤層頂板到排土場最下部臺階高差巨大，若采用水平運輸?shù)缆罚捅仨氃诿号_階上建立端幫運輸通道，這樣會有大量煤炭資源無法回收；若仍然采取煤層頂板與內(nèi)排土場最下部臺階搭接，勢必會形成長距離下坡的端幫運輸?shù)缆贰Ｔ诖藯l件下實現(xiàn)靠幫開采，若按照傳統(tǒng)方法，取消頂板第1條運輸?shù)缆泛螅卟钤俅卧黾樱瑢?dǎo)致重車下行問題更加嚴(yán)重。因此對于準(zhǔn)東露天礦的煤層賦存特點，這2個問題是存在矛盾的，使用常規(guī)方法無法同時解決。為此，針對準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)西端幫進行靠幫開采條件下高段內(nèi)排運輸系統(tǒng)優(yōu)化研究。

1 靠幫開采下內(nèi)排運輸系統(tǒng)分析

準(zhǔn)東露天煤礦由于成煤條件的差異和地質(zhì)構(gòu)造的影響，其煤層賦存條件為傾斜和緩傾斜煤層，首采區(qū)由東向西推進，采深逐漸加大，導(dǎo)致首采區(qū)無法進行壓幫內(nèi)排。隨著轉(zhuǎn)向的完成，準(zhǔn)東露天礦具備了一定的內(nèi)排空間，內(nèi)排作業(yè)跟進減小了西端幫暴露面積，提高了西端幫邊坡穩(wěn)定性，此時，西端幫具有進一步加陡的條件。為了提高資源回收率、實現(xiàn)節(jié)地減損開采[11]，可在準(zhǔn)東露天礦西端幫（首采區(qū)工作幫）進行靠幫開采作業(yè)。靠幫開采的核心是提高端幫的幫坡腳，從而降低生產(chǎn)剝采比，達(dá)到提高經(jīng)濟效益的目的。為達(dá)到這一目的，可采用的靠幫開采方式為上部境界不動，下部境界向外推進，采用的手段是將現(xiàn)存于端幫布置的運輸?shù)缆穭冸x，將西端幫的煤臺階在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上每隔50 m依次降段加陡靠幫并進行穩(wěn)定性分析，確定西端幫最佳陡幫角度為26°。準(zhǔn)東露天煤礦西端幫靠幫開采示意圖如圖1。

圖1 準(zhǔn)東露天煤礦西端幫靠幫開采示意圖Fig.1 Schematic diagram of steep end-slopem ining by the west end wall of Zhundong Open-pit Coal M ine

準(zhǔn)東露天煤礦首采區(qū)西端幫靠幫開采資源回收方案與內(nèi)排運輸系統(tǒng)設(shè)計過程中面臨的問題如下：

1）礦巖賦存的特殊性。準(zhǔn)東露天煤礦位于區(qū)域性褶曲構(gòu)造，帳篷溝背斜的西翼，礦區(qū)內(nèi)的侏羅系地層呈向西北向傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀，傾向270°～295°，傾角4°～31°，一般8°～20°，露頭段11°～31°，表現(xiàn)為淺部陡，深部緩，因此轉(zhuǎn)向后工作幫剝離物料重心將位于工作幫西側(cè)，且隨著工作幫的推進，剝離物料重心水平向西同時垂直向下移動。露天礦煤層賦存狀態(tài)為單斜構(gòu)造厚煤層，平均厚度達(dá)72.58 m，轉(zhuǎn)向后選采較為簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)排，節(jié)約生產(chǎn)成本，但在向南推進的過程中，煤層厚度逐漸增大，頂板剝離物重心與排土場下部臺階重心相對高差較大，且不可避免。

2）西端幫重車下行問題。由于煤層賦存狀態(tài)的特殊性，工作幫剝離物運移至內(nèi)排土場進行內(nèi)排時，現(xiàn)行運輸方案為從▽430～▽398 m水平重車下坡，實現(xiàn)了工作幫煤層頂板與內(nèi)排土場底部臺階的搭接，但下坡高差超過30 m，下坡長度達(dá)到1 km，長距離的重車下坡問題減小了運輸設(shè)備的運輸速率，增大了車輛安全間距，從而降低了運輸設(shè)備的運輸能力，同時不利于運輸設(shè)備的穩(wěn)定性，增加了運輸設(shè)備的維修成本，更為重要的是對露天礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3）西端幫壓煤問題。隨著轉(zhuǎn)向的完成，準(zhǔn)東露天礦具備了一定的內(nèi)排空間，內(nèi)排作業(yè)跟進減小了西端幫暴露面積，提高了西端幫邊坡穩(wěn)定性，此時，西端幫具有進一步加陡的條件。為了提高資源回收率、實現(xiàn)節(jié)地減損開采，可在準(zhǔn)東露天礦西端幫（首采區(qū)工作幫）進行靠幫開采作業(yè)。當(dāng)前西端幫邊坡角為23°，沒有達(dá)到極限穩(wěn)定邊坡角26°，端幫下部還留有可以回收的煤炭資源，若直接內(nèi)排壓幫，會降低礦山企業(yè)的收益，造成了資源浪費。

2 靠幫開采下內(nèi)排運輸系統(tǒng)方案

考慮到重車下行問題對準(zhǔn)東露天礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，而靠幫開采只會減少經(jīng)濟效益，因而得出方案設(shè)計的原則：必須解決重車下行問題，同時盡可能的實現(xiàn)靠幫開采，多回收煤炭資源；采取其他方法或工藝解決重車下行和靠幫開采問題所需成本必須小于靠幫開采后多回收煤炭資源所產(chǎn)生的收益。

由于采區(qū)的劃分，準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)轉(zhuǎn)向后西段幫并非平行于煤層走向，導(dǎo)致端幫不平直，這種條件下端幫每個位置的壓煤量都是不同的，運用傳統(tǒng)的剖面算量法不能準(zhǔn)確的計算出整個端幫的壓煤量，而在首采區(qū)西端幫靠幫開采資源回收方案與內(nèi)排運輸系統(tǒng)設(shè)計過程中，壓煤量作為重要的設(shè)計依據(jù)，要求其計算準(zhǔn)確，因此需要對首采區(qū)進行3DMine建模，利用塊體模型對壓煤量進行準(zhǔn)確計算。

2.1 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案

本方案將▽430 m和▽398 m水平運輸通道取消，在▽414 m水平建立新的端幫水平運輸?shù)缆罚瑑?nèi)排土場2個排土臺階水平高度由▽430、▽398 m分別調(diào)整為▽414、▽382 m，取消最下部▽376 m水平排土臺階，使其與▽382 m水平排土臺階并段，該排土臺階的排棄物料由▽414 m水平運輸至▽414 m水平排土場臺階，然后由溜槽運至▽382 m水平排土臺階水平排棄，實現(xiàn)了▽414 m水平運輸?shù)缆放c▽414 m水平排土場臺階的同水平搭接，避免了高差過大引起的重車下行問題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實現(xiàn)了靠幫開采。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案如圖2。

圖2 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案Fig.2 The coal seam by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作幫▽430 m水平剝離物料由▽430 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?62 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，因此這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為32 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?14 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為16 m。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需要加大剝離折返運距為32 m和16 m的物料量分別為460.15萬t、112.92萬m3、101.13萬m3/a、38.06萬m3/a。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖3，圖中塊體表示量的變化。

圖3 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.3 Increased coalm ining volume and overburden volume in the coal seam by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dum p scheme

2.2 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案

本方案將▽462 m水平和▽430 m水平運輸通道取消，在▽446 m水平建立新的端幫水平運輸?shù)缆罚瑑?nèi)排土場1個排土臺階水平高度由▽430 m水平調(diào)整為▽446 m水平，取消▽376 m水平排土臺階，▽398 m水平排土臺階與▽382 m水平排土臺階并段，該排土臺階的排棄物料由▽382 m水平運輸至▽382 m水平排土場臺階后排棄。本方案實現(xiàn)了▽446 m水平運輸?shù)缆放c▽446 m水平排土場臺階、▽382 m水平運輸?shù)缆放c▽382 m水平排土場臺階的同水平搭接，避免了高差過大引起的重車下行問題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實現(xiàn)了靠幫開采。巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案如圖4。

圖4 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案Fig.4 The rock formation by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作幫▽462 m水平剝離物料由▽462 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?94 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，因此這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為32 m；工作幫414～446 m水平剝離物料由▽430 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?46 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，因此這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為16 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?82 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為16 m。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需要加大剝離折返運距為32 m和16 m的物料量分別為232.13萬t、156.48萬m3、57.57萬m3/a、377.11萬m3/a。巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖5，圖中塊體表示量的變化。

圖5 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.5 Increased coalm ining volume and overburden volume in the rock formation by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

2.3 雙環(huán)內(nèi)排方案

本方案將西端幫的▽430 m水平和▽398 m水平運輸通道取消，在西端幫▽414 m水平建立新的端幫水平運輸?shù)缆罚瑫r在距離西端幫400 m處平行于走向搭建▽382 m水平運輸橋，在此位置搭橋，既能滿足工作幫▽398 m水平剝離物料的運輸，又能避免重心偏移條件下東端幫內(nèi)排造成的運距大的問題，而且煤層傾斜賦存，搭橋水平與底板高差小，二次剝離費用低。內(nèi)排土場2個排土臺階水平高度由▽430、▽398 m水平分別調(diào)整為▽414、▽382 m水平，取消最下部▽376 m水平排土臺階，使其與▽382 m水平排土臺階并段，該水平的剝離物料由▽382 m水平搭橋水平通道運輸。本方案實現(xiàn)了▽414 m水平運輸?shù)缆放c▽414 m水平排土場臺階、▽382 m水平搭橋與▽382 m水平排土場臺階的同水平搭接，避免了高差過大引起的重車下行問題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實現(xiàn)了靠幫開采。雙環(huán)內(nèi)排方案如圖6。

圖6 雙環(huán)內(nèi)排方案Fig.6 The double loop in internal dum p scheme

工作幫▽430 m水平剝離物料由▽430 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?62 m水平運輸?shù)缆愤\輸至排土場，因此這部分剝離物料的折返運距將變大，增加量為32 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運輸?shù)缆犯臑楱?82 m水平橋運輸至排土場，這部分剝離物料的折返運距不發(fā)生改變。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需加大剝離折返運距為32m的物料量分別為460.15萬t、112.92萬m3、101.13萬m3/a。雙環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖7，圖中塊體表示量的變化。

2.4 經(jīng)濟效益

按照準(zhǔn)東露天礦剝離物提升高程運輸單價、噸煤利潤、單位剝離成本、設(shè)備投資算出該方案的經(jīng)濟效益Fa。當(dāng)Fa為正值時表示該方案解決了重車下行問題的同時還增加了礦山企業(yè)的收益，且數(shù)值越大經(jīng)濟效益越好；當(dāng)Fa為負(fù)值時表示該方案解決了重車下行問題的但減少了礦山企業(yè)的收益，且數(shù)值越小表示為解決安全生產(chǎn)問題付出的代價越大。

圖7 雙環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.7 Increased coalm ining volume and overburden volume in the double loop in internal dum p scheme

式中：Fa為煤層靠幫開采過程中內(nèi)排方案經(jīng)濟效益，萬元；Hi為端幫改進方案后i水平折返高程，m；Qb為端幫位置變化剝離的物料量，m3；Qi為采場各水平的剝離量，m3；Qc為端幫位置變化采出的煤量，m3；Fb為單位體積物料提升費用，1元/m3；Fm為噸煤利潤，20元/m3；Fs為單位剝離成本，元/m3；Fc為二次剝離費用，萬元。

將以上3種方案得到增加的煤炭資源量和剝離量代入式（1）中分析，得出各個靠幫開采過程中高端內(nèi)排運輸系統(tǒng)優(yōu)化方案的經(jīng)濟效益,經(jīng)濟效益比較見表1。

表1 經(jīng)濟效益比較Table 1 Com parison of econom ic benefits

3 靠幫開采過程中高端內(nèi)排運輸系統(tǒng)方案優(yōu)選

采區(qū)完成首次轉(zhuǎn)向后工作面將完全垂直于煤層走向，轉(zhuǎn)向后一定時間內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，優(yōu)化方案仍適用。但因為受采區(qū)劃分方式限制，按年產(chǎn)量1 200萬t，年推進度220 m計算，開采10年后將再次轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后繼續(xù)推進10年，首采區(qū)到界。轉(zhuǎn)向前，工作幫將與煤層走向線斜交，隨著工作幫的推進，西端幫煤層底板不斷下降，導(dǎo)致西端幫運輸?shù)缆肪嚯x底板距離加大，煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案中▽414 m水平運輸?shù)缆穼⒉辉龠m用于生產(chǎn)要求，下行問題會再次出現(xiàn)，根據(jù)頂?shù)装宓雀呔€與端幫交線分析，按照每年煤層下降3 m趨勢計算，預(yù)計巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案開采8年后不再適用。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排、雙環(huán)內(nèi)排這2個方案由于最下部運輸水平較低，二次轉(zhuǎn)向后仍然適用。

通過綜合效益的分析，確定雙環(huán)內(nèi)排方案可以給礦區(qū)帶來更多的綜合效益，平均每年增加煤炭資源回收量為153.38萬t，按首采區(qū)可繼續(xù)服務(wù)20年計算，首采區(qū)共增加煤炭資源回收量為3 527.8萬t，經(jīng)濟效果顯著。

4 結(jié) 語

1）根據(jù)準(zhǔn)東露天礦現(xiàn)場狀況，提出煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排、巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排、雙環(huán)內(nèi)排3個技術(shù)可行方案，考慮方案的時間和經(jīng)濟價值，最終選定雙環(huán)內(nèi)排方案為最優(yōu)方案。

2）雙環(huán)內(nèi)排方案內(nèi)排運輸系統(tǒng)設(shè)計為：▽462 m水平道路運輸▽430～▽446 m水平工作幫剝離物料，▽414 m水平道路運輸▽414～▽430 m水平工作幫剝離物料，▽382 m水平運輸橋運輸煤層頂板至▽414 m水平的全部剝離物料。

3）采用雙環(huán)內(nèi)排方案取消▽430 m水平道路和▽398 m水平道路，使端幫角提高約3°，平均每年增加煤炭資源回收量約為153.38萬t，方案可服務(wù)首采區(qū)開采全過程，首采區(qū)全區(qū)增加煤炭資源回收量為約3 527.8萬t，經(jīng)濟效果顯著。