紅沙泉露天煤礦首采區轉向研究

張子光，韓 勇，白繼元

（國家能源集團新疆能源公司 紅沙泉一號露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

為了減少露天礦基建投資及排土場占地面積，縮短內排運距，一般大型露天煤礦都采用分區開采方式，然而分區開采必然面臨采區過渡接續的問題，其中采區工作線長度、采區轉向方法以及采區轉向期間排土方案等是影響露天礦年生產能力、經濟效益的重要因素。為此，針對新疆能源公司紅沙泉露天煤礦實際開采面臨東部即將到界，不能保證內外排空間的接續，采場東幫坑底工作線長度僅為600 m，不能保證8 Mt/a 生產能力的情況；通過研究分析工作線長度與紅沙泉露天礦年生產能力、煤層厚度、煤層回采率、平均密度及推進度的關系，確定出技術上可行的工作線長度；考慮剝離運距、剝離成本與工作線長度關系，確定經濟上合理的工作線長度；比較分析不同工作線長度下平均剝采比變化情況，綜合以上3 方面因素，確定最終工作線長度；提出向東扇形轉向方案。結合紅沙泉露天煤礦實際生產情況比較并分析壓幫內排方式，并在此基礎上運用數學模型計算出合理內排壓幫高度。經實際工程應用表明，提出的方法有效提高了礦山生產能力，對保證礦山生產接續和降低生產成本具有理論指導意義和實際應用價值。

1 紅沙泉露天礦工作線長度確定

紅沙泉露天礦屬于近水平緩傾斜露天礦，采剝作業主要以水平方向的推進為主，目前坑底工作線長度僅為600 m，繼續推進不能保證8 Mt/a 生產能力及生產剝采比的均衡，需重新確定技術可行、經濟合理的工作線長度。根據生產規模、市場變化和采礦技術的調整，對露天礦工作線長度進行了規劃和調整。同時，在優化工作線長度時，應考慮到社會效益和經濟效益。紅沙泉露天礦開采東部即將到界工程圖如圖1。

圖1 紅沙泉露天礦開采東部即將到界工程圖

1.1 技術可行的工作線長度

紅沙泉露天礦首采區內主要有2 個煤層，從上到下分別為B2′煤、B1 煤。根據礦山生產能力、推進度、煤層平均厚度、煤的密度，可以確定技術可行的采煤工作線長度：

式中：Lg為采煤工作線長度，m；Ap為露天礦年生產能力，t/a；hB1為B1煤層平均厚度，m；ηB1為B1煤層回采率；hB2為B2煤層平均厚度，m；ηB2為B2煤層回采率；ρ 為煤的平均密度，t/m3；VH為水平推進速度，m/a。

得出的Lg為生產能力擴大后技術上可行的工作線長度，計算結果優于根據煤層厚度和端幫角度計算的采煤工作線長度。

根據紅沙泉露天礦地質資料分析可得，紅沙泉露天礦首采區B1煤厚為6.5 m，B2煤厚度為14.5 m，煤層平均密度1.3 t/m3，含煤率0.73，B1煤回采率0.9，B2煤回采率0.95，當露天礦生產能力設計為10 Mt/a 時，對應的技術可行工作線長度Lg取值范圍為1 300～1 700 m。工作線長度與水平推進度對應關系見表1。

表1 工作線長度與推進度對應關系

1.2 經濟合理的工作線長度

露天煤礦的生產成本主要是剝離成本，主要包括采礦、爆破、運煤和剝離成本。在內排的前提下，工作線長度越短，采場端幫剝采比越大，平均剝采比相應增加[1-3]；另一方面，工作線長度越短，內排運輸距離越小，運輸成本越小。這2 個因素存在相互矛盾關系，需要進行對比均衡。使工作線長度達到經濟合理的要求，應考慮最低的剝離成本。計算方法如下：

式中：C 為推進1 m 時的總剝離費用，元；Q 為推進1 m 時所采出的煤量，t；h 為煤層平均厚度，m；η 為煤層回采率。

因此噸煤剝離成本C′為：

經濟合理工作線長度改變引起噸煤剝離成本變化，工作線長度與剝離成本關系如圖2。

圖2 工作線長度與剝離成本關系圖

1.3 工作線長度與平均剝采比的關系

從經濟上考慮，合理的工作線長度應是剝離費用較低的工作線長度，即噸煤剝離成本較小。也就是當首采區向南推進平均剝采比較小時對應的工作線長度為經濟合理的工作線長度[4-5]。為了清晰的表達不同工作線長度平均剝采比的變化情況，工作線長度以100 m 為單位增量，選取1 000～2 000 m 范圍，設計了11 種方案。并通過算量模擬計算出各階段的煤巖量。工作線方案布設如圖3。

圖3 工作線方案布設

根據采剝工程方案模擬結果，得到不同工作線長度下首采區向南推進的平均剝采比變化情況，得出，平均剝采比在1 500 m 工作線長度前后有較大幅度波動。不同工作線長度的平均剝采比曲線如圖4。

圖4 不同工作線長度的平均剝采比曲線

根據上述計算分析可以確定礦山計劃產量為10 Mt/a 時，技術可行的工作線長度為1 300～1 700 m，經濟合理的工作線長度為1 508 m，結合不同工作線長度與平均剝采比的關系。考慮技術可行、經濟合理等因子，確定轉向之后工作線長度為1 500 m。

2 采區劃分

采區劃分方案綜合考慮煤層走向、采剝工程推演及均衡剝采比劃分采區，整個礦區分為5 個采區。一采區位于礦區西北部，延煤層傾向劃分；二采區位于礦田北部，延北部礦權界向東劃分，三采區位于礦田中部，基本延煤層傾向劃分；四采區位于礦田西南部，巖煤層走向劃分，五采區位于煤田東部，延煤層走向劃分[6]。采區劃分及開采順序示意圖如圖5。

圖5 采區劃分及開采順序示意圖

開采方案中，為了減少排土運距，降低采礦成本，會在當前生產采區揭露最下層煤底板后開始內排，由于向東扇形轉向方案的內部排土場空間相對較小，所以需要壓幫內排來盡可能地利用內排土場空間[7-8]。根據內排壓幫高度，壓幫方案分為全壓幫內排、留溝壓幫內排及全留溝內排，全壓幫指壓幫高度為露天礦采深H，留溝壓幫指壓幫高度在0～H m，全留溝內排指不進行壓幫內排，即壓幫高度為0 m。

3 內排壓幫高度優化

3.1 內排壓幫量的確定

2019—2031 年紅沙泉露天礦首采區排棄及壓幫量見表2。

表2 2019—2031 年紅沙泉露天礦首采區排棄及壓幫量

經分析計算，紅沙泉露天礦2019—2031 年首采區排棄量為38 437.88 萬m3，外排量4 415 萬m3，內排量34 026.88 萬m3，壓幫量8 598.18 萬m3。

根據已確定的采區劃分，即首采區采剝工程完成后，進入二采區，二采區經轉向進入三采區，隨著三采區采剝工程位置的推進，將進行首采區壓幫量的二次剝離，首采區壓幫二次剝離工程位置平面圖如圖6。

圖6 首采區壓幫二次剝離工程位置平面圖

3.2 內排壓幫高度優化模型

根據留溝壓幫內排模型計算紅沙泉露天礦端幫水平留溝深度，端幫水平留溝示意圖如圖7。BKIJ 為留溝部分，IGJ 為壓幫二次剝離部分。

圖7 端幫水平留溝示意圖

留溝部分剝離費用C1為：

排土征地及剝離物料外排增加的費用C2為：

式中：H 為露天礦開采深度，m；△H 為留溝深度，m；?為實體邊坡最終幫坡角，（°）；β 為二次剝離邊坡最終幫坡角，（°）；a 為露天礦年推進度，m/a；A為單位剝離費用，元/m3；B 為排土征地及剝離物料外排增加的單位費用，元/m3。

紅沙泉露天礦采用留溝壓幫方式進行內排，在留溝處可以構建連通端幫與排土場運輸路，因此壓幫高度以下剝離巖石物料，可走兩端幫運輸路形成雙環排土，壓幫高度以上剝離巖石物料，只能單側端幫運輸形成單環排土[9-10]。

通過簡化計算，得到剝離巖石物料單環運輸比雙環運輸增加費用C3為：

式中：l 為坑底長度，m；ρb為剝離物料的密度，t/m3；Ck為卡車運輸單位費用，元/（t·km）

式中：J 為采用留溝內排方式回收三角煤的總效益，元；ω 為銀行年利率，%；i 為二次剝離滯后時間，a。

將式（5）、式（6）、式（7）代入式（8），化簡可得總效益關于 留溝深度△H 的三次函數，即：

式中：I1、I2、I3為常數項。

對式（9）中△H 求導，并令其等于0，求解可得方程2 個極值點，并根據實際情況0≤△H≤H，來確定壓幫內排最佳留溝高度。紅沙泉露天礦各項參數指標取值見表3。

表3 紅沙泉露天礦各項參數指標取值

將紅沙泉礦具體參數代入式（9），計算可得2 極值點分別為48.63 和－65.82，根據約束條件0≤△H≤85 m 可知，最佳的留溝高度為48.63 m，即內排壓幫高度36.37 m。最終壓幫高度定為36 m。

4 結語

1）根據年生產能力、推進程度、煤層平均厚度和煤體密度，確定紅沙泉露天礦技術上可行的工作線長度取值范圍為1 300～1 700 m。

2）考慮工作線長度對剝離成本與生產能力相互制約的關系，確定1 508 m 為經濟合理工作線長度。通過11 組方案開采模擬，得到了不同工作線長度下的平均剝采比，確定1 500 m 為最優工作線長度。

3）在向東扇形轉向的開采方案中，根據紅沙泉露天礦實際生產條件確定了了端幫水平留溝內排方案，建立了端幫水平留溝方案數學模型，并通過計算首采區壓幫量及三采區壓幫的二次剝離量，結合紅沙泉露天礦首采區的實際情況，得出最佳壓幫高度為36 m。