勝利一號露天礦采區轉向方式優化研究

2021-09-17 08:02:18孫俊東

煤炭工程 2021年9期

孫俊東

(神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 026000)

國內很多大型露天煤礦開采通常采用分區開采方式，然而采區轉向接續成為采區臨近終了時面臨的一個關鍵問題[1]，采區轉向研究將影響露天礦未來十年各項生產指標的重大技術決策，如內蒙古準格爾哈爾烏素露天煤礦、山西平朔安太堡露天煤礦、內蒙古伊敏河露天煤礦、新疆準東天池能源南露天煤礦等[2-5]。在采區轉向過渡過程中不同轉向方式對露天礦能力接續、剝采工作面布置、排土時空關系、剝采比變化、生產成本等方面均有直接影響[6-9]，采區轉向方案優化研究是國內很多大型露天煤礦近期面臨和亟需解決的問題。

1 工程概況

勝利能源一號露天煤礦位于勝利煤田的西南部，距錫林浩特市6km，礦權范圍南北寬4.58km，東西長7.50km，面積34.36km2，全礦劃分為首采區、二采區和三采區，首采區開采至西幫結束，二采區位于露天礦西北側，剩余部分劃分為三采區，開采順序為首采區→二采區→三采區。

勝利能源一號露天煤礦采煤采用單斗-卡車-半移動式破碎站半連續采工藝，剝離采用單斗-卡車間斷開采工藝。目前首采區開采已過半，采掘場坑底最低標高為820m，地表標高為1048m，剝離臺階高度15m，采煤臺階高度為10m和15m兩種，剝離臺階13個，采煤臺階5個，剝離物已完全實現內排，內排土場已排棄至1005m，排土臺階高度為15m；外排土場中南卡車排土場、北卡車排土場和三采區范圍內的沿幫排土場已排棄完畢，露天礦正面臨后續采區選擇及生產接續、轉向過程中內排空間緊張等問題。

2 采區工作線長度優化

露天礦工作線長度是露天開采的主要參數之一，是由露天礦采掘場尺寸決定的[10，11]。復雜礦床經濟工作線長度確定的優化理論，在完成相同產量的條件下，剝離的主要費用由爆破、采掘、運輸、排土四部分組成，工作線長度的變化直接影響生產剝采比和設備布置、排土運距等，而運輸成本一般占露天礦生產總成本的50%左右，部分深大露天礦的運輸成本占比已超過60%[12-14]。

當復雜礦床兩端覆蓋層厚度和兩端幫幫坡角均相等時，其經濟合理工作線長度計算：

式中，x為經濟合理工作線長度，km；H為剝離層厚度，m；β為端幫幫坡角，(°)；θ為煤層傾角，(°)；C1為穿孔爆破、采裝、排土費用，元/m3；C2為綜合運輸費用，元/m3·km；a為排棄路線系數，雙環時a=1；b為排棄影響距離，取決于端幫運輸，km。

排棄影響距離主要取決于端幫上的運距，采用雙環內排時，排棄影響距離長度計算公式為：

式中，φ為工作幫坡角，(°)；α為內排土場幫坡角，(°)；m為坑底安全距離，m；h為煤層厚度，m。

在經濟工作線長度條件下的年剝離總費用為：

式中，Ap為年產礦量，t/a；γ為煤的容重，t/m3。

2.1 首采區、二采區工作線長度

首采區、二采區合理工作線長度計算參數見表1。根據各采區參數計算露天礦年剝離費用情況見表2。

根據勝利能源一號露天煤礦開采現狀，在現有1.5km基礎上增加工作線長度方案，因煤層向北傾斜下降，地形高程上升，將導致生產剝采比、剝離及采煤運輸距離增加；若在現有工作線長度基礎上縮短采煤工作線長度，則將增加首采區的推進強度，使首采區服務年限變短，采區轉向時間提前。因此，雖然首采區工作線長度1.2km的剝離費用最低，但縮短首采區工作線長度、首采區服務年限變短、采區轉向工程提前發生且生產組織困難，剝離運輸通道折點多不順暢，最終確定首采區工作線長度保持現狀工作線長度1.5km不變。

表1 首采區、二采區合理工作線長度計算參數表

表2 不同工作線長度時的剝離費用表

二采區工作線長度1.5～1.9km之間年剝離費用較低，雖然1.6km工作線長度費用較1.5km時略低，采區資源量多、服務年限長、轉向周期長，但工作線長度1.6km時，考慮內排土場松散系數和備用系數，其內排土場排土空間減少約15.75Mm3。二采區1.6km工作線長度相對于1.5km將發生二次剝離，剝離量為13.01Mm3，剝離費用約為14671萬元，同時若二采區工作線過長，則內排土場停止跟進位置較早，導致加高內排量(或增加外排量)過大[15]。因此，綜合考慮剝離費用、二次剝離費用及采區過渡的平穩性，確定二采區與首采區工作線長度一致亦為1.5km。

2.2 三采區工作線長度

三采區工作線長度提出了全工作線開采和半工作線長度開采兩種方式，采用全工作線一個條帶開采時，工作線長度2.1km，總剝離量為2561.74Mm3，平均剝采比為3.30m3/t；采用半工作線兩個條帶開采時，工作線長度1.05km，因增加一次內排土場的二次剝離，總剝離量為3079.45Mm3，剝采比為3.87m3/t，三采區工作線長度方案對比情況見表3。

表3 三采區工作線長度方案主要影響指標對比表

經上述對比分析，雖然半工作線長度方案比全工作線長度方案剝離運輸距離短，但因其增加二次剝離量517.7Mm3，生產期增加剝離成本9.16億元，因此確定三采區工作線長度采用全工作線長度2.1km更經濟。

3 采區過渡方案研究

采區過渡是指一個采區開采即將結束時，轉向其它采區繼續進行開采，其過渡時應保證生產連續穩定，一般有平行緩幫過渡，重新拉溝過渡和扇形轉向過渡三種方式。采區過渡方式優選是在保證露天礦生產能力、降低露天礦生產成本的前提下，從技術可行的方案中選擇最優的采區過渡方式[16]，本次對勝利能源一號露天煤礦可能采用的三種采區過渡方案進行分別研究。

3.1 方案一：平行緩幫過渡方案

平行緩幫過渡方式是指剝采工作線平行推進，當推進至二采區范圍內時，內排土場工作面與二采區端幫留溝，隨著采剝工作線向西推進逐漸到界，二采區逐漸緩幫，形成工作幫，完成工作線的轉向。這種過渡方式生產具有組織簡單，轉向速度快等優點，但需在首采區東、北端幫留溝，排土空間緊張、過渡期間運距遠、提升高度大等缺點。

按照礦山的產能要求，對采區L形過渡4個典型階段位置進行模擬分析，如圖1所示。

圖1 L形過渡剝采排位置模擬

由圖1可知，L形過渡第一個5年剝采工作線在現狀的基礎上平行推進，內排土場跟進排棄，該階段采煤128.00Mt，剝離521.60Mm3，其中內排土場跟進可排棄最大空間457.14Mm3，剩余的64.46Mm3剝離物排至新增加的東排土場，由于該階段二采區緩幫工作線較短不滿足緩幫工作空間的要求，所以該階段未進行二采區緩幫工作。

當首采區逐漸到界，二采區緩幫工作空間逐漸被釋放，二采區逐漸進行緩幫，最終形成工作幫，完成首采區向二采區的緩幫過渡，由模擬開采得到的L形過渡第10年最終開采位置，該階段采煤140.00Mt，剝離630.00Mm3，剝離物全部排至內排土場，該階段最終位置首采區已開采到界，二采區已緩幫過渡完畢，即表明在滿足技術要求及內排土場排棄空間需求的前提下順利完成了首采區向二采區的緩幫轉向過渡。

二采區轉向完畢進行向北開采，進入第15年階段，該階段剝離量700.00Mm3，由于排土工作線變短及二采區東側進行留溝，導致內排容量減小且排土空間釋放變緩，該階段內排土場排棄空間與第10年的排棄空間相比最大可新增排棄實方剝離物335.62Mm3，剩余實方剝離物364.38Mm3排至新增加的排土場，該階段剝離運距及剝離提升高度有明顯提高。第20年階段完成二采區向三采區的緩幫轉向，該階段采煤140.00Mt，剝離714.00Mm3，其中包括二次剝離119.09Mm3，內排土場排棄空間與第15年的排棄空間相比最大可新增排棄實方剝離物564.30Mm3的空間，剩余實方剝離量149.70Mm3排至新增沿幫排土場東側排土場，此時在滿足技術及排棄空間需求的前提下順利完成了二采區向三采區的緩幫轉向過渡。

3.2 方案二：扇形推進過渡方案

扇形過渡是指剝采工作線采用不等幅推進方式，工作線長度不斷變化[17]，分別沿著各自的回轉中心向著同一方向旋轉推進，即首采區開采即將結束時，剝采工作線沿著回轉中心順時針旋轉90°向北旋轉推進，過渡到二采區。二采區即將結束時，剝采工作線分別沿著各自的回轉中心順時針旋轉90°向東旋轉推進，二采區過渡到三采區。這種過渡方式具有工作線長度變化較小，系統過渡自然，內排空間好利用，無采掘設備和運輸設備無長距離調動的優點，但具有端部和軸部采掘帶不能等幅開采，生產管理稍復雜的缺點[18]。

按照礦山的產能要求，對采區扇形過渡4個典型階段位置進行模擬分析，如圖2所示。

圖2 扇形過渡剝采排位置模擬

根據露天礦采區劃分的幾何形態，從轉向開始扇形端部工作幫的推進度為650m，軸部的工作幫推進度為40m，工作面扇形推進，內排土場跟進排棄。扇形轉向生產第4年時，露天礦工作線完成轉向45°，此階段內排空間不足。為減少后期內排加高高度，轉向初期在首采區東側已征地范圍內新增一個排土場、命名為新增東排土場，生產第2年和生產第3年開始排棄，新增排土場排棄實方剝離物66.55Mm3、排棄空間容量為76.90Mm3。

扇形轉向生產第10年時，已完成首采區向二采區轉的扇形轉向，此階段內排空間充足。首采區向二采區轉向完畢后，繼續采用扇形轉向方式開采，到扇形轉向生產第15年時，露天礦工作線完成轉向45°，由于二采區煤層埋藏深度加大，同時剝離工作面遇到沿幫外排土場，剝采比增加、剝離工作線長度增加，而內排土場工作線縮短、內排空間釋放變緩，導致內排空間嚴重不足，不足部分剝離物排棄至沿幫排土場的東側，新增排土場排棄實方剝離物100.83Mm3、排棄空間容量為122.01Mm3。到扇形轉向第20年時，露天礦完成了二采區向三采區扇形轉向的過程，同時內排釋放空間可以滿足剝離量需求。

3.3 方案三：重新拉溝方案

首采區向西推進，當最上部剝離推到最終境界后，在二采區西側地段重新拉溝，向東推進。這種過渡方式的優點是工作線推進強度比較均勻，新采區的重新拉溝與原有采區的收尾工程不發生干擾，但其具有新增基建工程量大，需建外部排土場，不能連續實現內排，采剝系統變化較大等缺點。二采區西側煤層埋藏較深，重新拉溝后計算新增基建量約為450.58Mm3，拉溝位置不能實現內排，排土場排棄標高需增加，同時方案三比方案二的扇形過渡方案多672.83Mm3的二次剝離量，生產成本約增加662738萬元。

3.4 方案評價

根據前文提出的三種過渡方案，綜合考慮運距、提升高度、二次剝離量、剝采比等經濟指標因素，經計算各采區過渡方案20年生產期成本見表4。從表4可以看出重新拉溝方案是三個采區過渡方案中的最差方案。方案一和方案二各年的總成本累計對比分析曲線(L形-扇形)如圖3所示。

表4 采區過渡方案20年生產期生產成本統計表

圖3 總成本累計對比分析曲線(L形-扇形)

在采區轉向過渡生產20年的統計周期內，方案二的累計總成本低于方案一和方案三，且方案一新增兩個排土場、合計排棄空間為700.04Mm3，方案二同樣新增兩個排土場、合計排棄空間僅為198.91Mm3，方案一比方案二多增加501.13Mm3的排棄空間，且新增排土場的二次剝離均發生在三采區開采范圍內，經計算本礦全部生命周期內方案一比方案二增加二次剝離量480.22Mm3。

因此，從技術角度做好前瞻性、系統性分析和規劃的前提下[19]，綜合考慮采區轉向期間的組織管理、設備效率、工作線長度、運距及提升高度、內排的及時性、內排空間、外排量、二次剝離量、轉向過渡時間、生產期的經濟性等因素，確定采區過渡方案二-扇形過渡方案為最優。