露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究

趙紅澤，鄭群飛，趙博深

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

采礦工程

露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究

趙紅澤，鄭群飛，趙博深

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)目前我國(guó)大型礦田上多個(gè)相鄰露天礦開采存在的諸多問題，提出了露天礦群協(xié)調(diào)開采的概念，并根據(jù)露天礦群中相鄰露天礦之間的開采推進(jìn)關(guān)系，將礦群中相鄰露天礦開采程序間的協(xié)調(diào)開采劃分為3種模式，同時(shí)對(duì)露天礦群協(xié)調(diào)開采模式下開采影響因素進(jìn)行了分析。

露天礦群；協(xié)調(diào)開采；開采程序；模式

0 引 言

隨著我國(guó)露天煤礦的不斷發(fā)展，露天開采工藝及露天裝備逐步發(fā)展成熟，但我國(guó)露天礦的發(fā)展模式仍停留在單一露天礦開采上，在面對(duì)大型煤田同時(shí)開采多個(gè)露天礦時(shí)，現(xiàn)行的露天礦發(fā)展模式已顯得力不從心，單一露天礦發(fā)展模式帶來的問題也越來越多，如：采區(qū)轉(zhuǎn)向多、排土空間不足、端幫壓煤嚴(yán)重、基礎(chǔ)設(shè)施重建多等[1-2]。目前我國(guó)大部分露天礦群都存在相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采問題，如：黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天礦、平朔安太保露天礦和東露天煤礦等[3-5]，如何合理優(yōu)化露天礦群之間的協(xié)調(diào)開采已成為制約露天礦發(fā)展的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)外關(guān)于露天礦協(xié)調(diào)開采的研究主要集中在露-井聯(lián)采技術(shù)和相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)[6-7]，2種研究并未涉及露天礦群間的開采工藝協(xié)調(diào)及開采程序協(xié)調(diào)，且對(duì)目前露天礦群遇到的協(xié)調(diào)開采問題存在局限性。因此，開展露天礦群協(xié)調(diào)開采研究對(duì)露天礦群的獨(dú)立開發(fā)和協(xié)調(diào)開采具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 露天礦群概念及協(xié)調(diào)開采優(yōu)勢(shì)分析

露天礦群指在同一個(gè)煤田或礦區(qū)內(nèi)，由同一個(gè)法人主體對(duì)位置上相鄰或相近、開采時(shí)間上同步開發(fā)的多個(gè)露天礦的總稱。露天礦群協(xié)調(diào)開采指企業(yè)根據(jù)相鄰或相近露天礦的開采工藝、開采程序、排土系統(tǒng)、基建系統(tǒng)、管理模式等特點(diǎn)，充分考慮相鄰礦山的相關(guān)性和關(guān)聯(lián)性，從露天礦群的角度實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)的整體效益和生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)調(diào)。

以露天礦群的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)開采主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）礦群內(nèi)統(tǒng)籌優(yōu)化，減少單個(gè)露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向次數(shù)。平朔露天礦群中安太堡露天礦采場(chǎng)直推進(jìn)入東露天礦資源后備區(qū)，東露天礦采場(chǎng)到界后也直推進(jìn)入安太堡資源后備區(qū)，兩礦通過互換采場(chǎng)，避免因人為劃分資源和礦權(quán)等而引起的采區(qū)轉(zhuǎn)向。安太堡與東露天礦開采程序優(yōu)化示意圖如圖1所示。

圖1 安太堡與東露天礦開采程序優(yōu)化示意圖

2）回采相鄰端幫的壓煤，提高煤炭回收率；例如：我國(guó)白音華礦群中一號(hào)和二號(hào)露天礦地表境界相距較近，相鄰端幫壓煤嚴(yán)重，經(jīng)計(jì)算兩礦相鄰端幫壓煤約為1.41億t[8]。若兩礦采用協(xié)調(diào)開采，將有助于回收該部分煤炭。

3）優(yōu)化排土程序，實(shí)現(xiàn)排土場(chǎng)地共享，減少二次剝離量。黑岱溝露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向期間，引起剝離量增加，運(yùn)距增大。若兩礦通過協(xié)調(diào)開采進(jìn)行排土系統(tǒng)優(yōu)化，即黑岱溝露天礦剝離物排棄到哈爾烏素露天礦的排土場(chǎng)，轉(zhuǎn)向完成后，將哈礦的剝離物排到黑岱溝礦，有助于實(shí)現(xiàn)排土系統(tǒng)共享、減少二次剝離工作量，神華準(zhǔn)能露天礦群示意圖如圖2所示。

圖2 神華準(zhǔn)能露天礦群示意圖

4）相鄰露天礦的采場(chǎng)貫通后，利于消除部分相鄰端幫，減少邊坡維護(hù)工作，同時(shí)降低煤炭自燃隱患，有利于礦山安全生產(chǎn)。

2 露天礦群協(xié)調(diào)開采模式及特點(diǎn)

結(jié)合目前我國(guó)露天礦開采現(xiàn)狀，特別是同一礦群內(nèi)相鄰露天礦之間的推進(jìn)開采關(guān)系，將相鄰露天礦之間的協(xié)調(diào)開采劃分為同向協(xié)調(diào)開采、反向協(xié)調(diào)開采和垂直協(xié)調(diào)開采。

2.1 同向協(xié)調(diào)開采及特點(diǎn)

同向協(xié)調(diào)開采是指礦群中的相鄰露天礦工作線推進(jìn)方向一致，兩個(gè)露天煤礦開采方向基本一致，可采用同向協(xié)調(diào)開采，回采端幫壓煤，提高資源回收率，同向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖如圖3所示。

圖3 同向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖

由于同一礦群中的相鄰露天礦采剝工程推進(jìn)度一般都會(huì)存在差異，加之礦權(quán)的影響，引起相鄰端幫下所壓煤炭資源難以采出。因此，對(duì)相鄰露天礦的開采程序進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化，有助于回收大量端幫壓煤，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，相鄰露天礦采場(chǎng)貫通后，會(huì)引起采礦工作線發(fā)生變化，且相鄰端幫消失后，也會(huì)造成運(yùn)輸線路及卡車運(yùn)距發(fā)生變化，但內(nèi)排空間會(huì)增加。

2.2 反向協(xié)調(diào)開采及特點(diǎn)

反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采是指：礦群中相鄰露天礦采場(chǎng)推進(jìn)方向基本相反，且工作面的距離逐漸縮小，如圖4所示。反向協(xié)調(diào)開采最重要的是選擇合理的采場(chǎng)貫通位置，如果貫通位置選擇不合理將會(huì)對(duì)后期的開采工藝、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、排土布置及管理產(chǎn)生巨大的影響。

圖4 反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采示意圖

反向協(xié)調(diào)開采的相鄰露天礦，可按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇是否貫通采場(chǎng)。為了采出相鄰端幫下的煤炭資源，兩礦開采時(shí)可選擇不貫通采場(chǎng)，即各礦進(jìn)行壓幫內(nèi)排，該方式也有助于增加排土空間，但增加了二次剝離工程量；當(dāng)兩礦選擇貫通采場(chǎng)時(shí)，為了避免增加二次剝離量，各礦內(nèi)排時(shí)可在相鄰端幫一側(cè)做留溝處理，該方式在協(xié)調(diào)開采前期，各礦排土空間有所減小，后期內(nèi)排空間增大。

2.3 垂直方向協(xié)調(diào)開采及特點(diǎn)

垂直方向協(xié)調(diào)開采是指兩個(gè)相鄰露天礦的推進(jìn)方向基本垂直，這是目前露天礦開采中常見的情況，由于前期設(shè)計(jì)與境界劃分存在局限性，可能出現(xiàn)多個(gè)露天礦要同時(shí)進(jìn)行采區(qū)轉(zhuǎn)向，造成露天礦投資增加，而且要進(jìn)行必要的生產(chǎn)工藝改造，引起礦山生產(chǎn)效率下降。

垂直方向協(xié)調(diào)開采可劃分為2類：一類為兩礦采場(chǎng)推進(jìn)的前方為資源儲(chǔ)備區(qū)，如圖5（a）所示，此時(shí)兩礦可根據(jù)具體的地質(zhì)條件及生產(chǎn)工藝條件，協(xié)調(diào)由哪一礦進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)變?yōu)橥騾f(xié)調(diào)開采或者反向協(xié)調(diào)開采；另一類如圖5（b）所示，其中一個(gè)露天礦的采場(chǎng)前方已經(jīng)開采，此時(shí)，必須由該露天礦進(jìn)行采區(qū)轉(zhuǎn)向，另一礦根據(jù)兩礦的位置條件，增大或減緩采剝推進(jìn)力度，為以后兩礦實(shí)現(xiàn)同向或反向推進(jìn)協(xié)調(diào)開采創(chuàng)造條件。

3 露天礦群協(xié)調(diào)開采影響因素分析

3.1 開采工藝的影響

圖5 垂直方向推進(jìn)開采示意圖

開采工藝在礦群協(xié)調(diào)開采中是一個(gè)重要影響因素。同一礦群內(nèi)的露天礦，由于開采煤層相同、煤層賦存條件相似，大部分都采用相同的開采工藝，如平朔露天礦群中的三大露天礦均采用半連續(xù)開采工藝。然而，同一礦群中的露天礦也存在開采工藝不同的情況，如黑岱溝露天煤礦和哈爾烏素露天煤礦同屬于準(zhǔn)能露天礦群，兩礦開采同一煤層，且煤層賦存條件相似，但兩礦開采工藝存在很大差異，黑岱溝露天煤礦不僅采用了半連續(xù)開采工藝，而且還采用了輪斗鏟連續(xù)工藝和拉鏟倒堆開采工藝，哈爾烏素露天煤礦的部分剝離采用了外包作業(yè)形式，其余部分剝離和采煤主要采用半連續(xù)工藝[9]。所以，在對(duì)露天礦群進(jìn)行協(xié)調(diào)開采優(yōu)化時(shí)，應(yīng)依據(jù)各礦開采工藝特點(diǎn)，綜合考慮優(yōu)化后各開采工藝之間的相互配合，使礦群協(xié)調(diào)開采的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。

3.2 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的影響

礦山開拓運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)露天礦群協(xié)調(diào)開采有著極大的影響。礦群協(xié)調(diào)開采時(shí)，可回收相鄰端幫所壓煤炭，同時(shí)會(huì)引起露天礦的運(yùn)輸條件發(fā)生變化，造成運(yùn)距的增加。為了避免因運(yùn)距增大而引起的運(yùn)輸費(fèi)用增加，露天礦協(xié)調(diào)開采后可采用在采場(chǎng)中部搭橋的方式緩解內(nèi)排運(yùn)距過長(zhǎng)的問題。礦群協(xié)調(diào)開采時(shí)，相鄰端幫下的井巷運(yùn)輸將會(huì)給協(xié)調(diào)開采后的運(yùn)輸系統(tǒng)布置帶來很多麻煩，在協(xié)調(diào)開采前期，需提前改造端幫井巷運(yùn)輸系統(tǒng)，做好協(xié)調(diào)期間的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 內(nèi)外排土場(chǎng)的影響

礦群協(xié)調(diào)開采的本質(zhì)是對(duì)整個(gè)礦群中的露天礦進(jìn)行綜合優(yōu)化，而不過分遷就于某一礦的效益，可能造成某一礦在綜合優(yōu)化中需要作出很大犧牲。例如：相鄰露天礦垂直協(xié)調(diào)開采時(shí)，致使某一礦必須轉(zhuǎn)向以達(dá)到協(xié)調(diào)推進(jìn)，而轉(zhuǎn)向?qū)?huì)引起礦山的運(yùn)輸系統(tǒng)、排土場(chǎng)大小發(fā)生變化，造成內(nèi)排空間不足、運(yùn)距增大等問題，這就需要尋找新的外排土場(chǎng)，或者利用礦群開采的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)排土空間的共享。

如烏蘭圖嘎露天礦與西二號(hào)露天礦采用協(xié)調(diào)開采時(shí)[10]，遇到了排土場(chǎng)的問題。由于烏礦剝離及排土工程均超前西二露天礦，且烏礦的內(nèi)排土場(chǎng)與西二礦的外排土場(chǎng)相鄰，所以兩礦協(xié)調(diào)開采時(shí)應(yīng)對(duì)排土系統(tǒng)的優(yōu)化方案進(jìn)行詳細(xì)論證。此外，烏礦與西二礦的相鄰端幫壓煤量大，如果回采端幫煤炭，需考慮烏礦實(shí)行壓幫內(nèi)排還是留溝內(nèi)排，但無論烏礦內(nèi)排采取何種方式，都將給西二礦的開采帶來很多問題。因此，兩礦協(xié)調(diào)開采時(shí)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，選擇合適的協(xié)調(diào)方案。

3.4 邊坡穩(wěn)定性的影響

露天礦群開展協(xié)調(diào)開采優(yōu)化時(shí)，不僅要考慮相鄰端幫的壓煤?jiǎn)栴}，還要考慮露天礦之間在不貫通采場(chǎng)的情況下如何做好相鄰端幫的邊坡維護(hù)工作，以確保邊坡的穩(wěn)定。針對(duì)相鄰露天礦進(jìn)行協(xié)調(diào)開采時(shí)，在同向協(xié)調(diào)開采過程中，超前剝、采的露天礦形成的內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定與否給滯后露天礦的生產(chǎn)帶來極大威脅；反向協(xié)調(diào)開采過程中，相鄰兩礦各自形成的排土高邊坡也給對(duì)方的安全生產(chǎn)帶來重大威脅。協(xié)調(diào)開采露天礦的相鄰端幫還存在著滑坡和煤炭自燃的問題，引起邊坡圍護(hù)工程量加大。同時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性對(duì)協(xié)調(diào)開采中的排土參數(shù)、排土空間大小、運(yùn)輸系統(tǒng)等產(chǎn)生著很大的影響，也關(guān)系到工作人員的安全和礦山的正常生產(chǎn)。

由于邊坡穩(wěn)定性較差，致使現(xiàn)場(chǎng)施工無法達(dá)到設(shè)計(jì)角度，在優(yōu)化時(shí)必須重新對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。烏蘭圖嘎露天礦與西二露天礦內(nèi)外排示意圖如圖6，典型工程地質(zhì)剖面圖如圖7所示。

圖6 烏蘭圖嘎露天礦與西二露天礦內(nèi)外排示意圖

圖7 典型工程地質(zhì)剖面圖

3.5 相鄰露天礦空間位置的影響

礦群協(xié)調(diào)開采優(yōu)化的關(guān)鍵就是選擇貫通采場(chǎng)的位置及貫通時(shí)間，既要保證采場(chǎng)貫通過程中的正常生產(chǎn)，也要保證兩礦剝采工程位置和推進(jìn)速度具有相對(duì)一致性，這樣才有利于后期對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)同布置以及端幫煤炭的采出。貫通兩礦采場(chǎng)主要受兩方面因素影響：①相鄰端幫壓煤范圍及兩礦目前剝采位置；②兩礦各自形成的剝采排空間位置。相鄰2礦采場(chǎng)貫通的前提是要能保證兩礦各自的生產(chǎn)規(guī)模、剝采排均衡等，因此礦群協(xié)調(diào)開采時(shí)應(yīng)充分考慮各礦之間的空間位置關(guān)系，對(duì)各個(gè)貫通方案進(jìn)行詳細(xì)論證、比較，并編制具體的優(yōu)化實(shí)施方案。

3.6 其他輔助環(huán)節(jié)的影響

輔助環(huán)節(jié)對(duì)礦群協(xié)調(diào)開采的影響主要是指基礎(chǔ)設(shè)施、礦山供電、采場(chǎng)排水等環(huán)節(jié)。

露天礦的基建工程量一般來說是巨大的，相關(guān)的生產(chǎn)輔助設(shè)施同樣需要非常大的人力、物力和財(cái)力，特別是單一露天礦隨著開采的不斷深入，后期需要花費(fèi)大量資金引進(jìn)新設(shè)備和重建基礎(chǔ)設(shè)施。如果礦群間采用協(xié)調(diào)開采，不僅能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施和開采設(shè)備的共享，同時(shí)會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

露天礦群在協(xié)調(diào)開采過程中，將會(huì)引起相鄰端幫的改變，進(jìn)而影響到供電線纜的鋪設(shè)。而目前我國(guó)露天礦大多采用環(huán)形供電方式，該供電方式主要取決于露天礦的開采程序，協(xié)調(diào)開采導(dǎo)致開采程序的變化也將引起供電方式的改變。所以，礦群協(xié)調(diào)開采時(shí)需充分考慮供電方式對(duì)協(xié)調(diào)開采的影響。

排水環(huán)節(jié)一般不會(huì)成為礦群協(xié)調(diào)開采的限制性因素，特別是內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)的露天礦群進(jìn)行協(xié)調(diào)開采時(shí)，可以根據(jù)具體情況適當(dāng)考慮排水對(duì)協(xié)調(diào)開采的影響。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)協(xié)調(diào)開采的目的，提出了露天礦群的概念，并對(duì)協(xié)調(diào)開采的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

2）按照露天礦群中相鄰露天礦之間的開采關(guān)系，將露天礦群協(xié)調(diào)開采劃分為3種模式：同向協(xié)調(diào)開采模式、反向協(xié)調(diào)開采模式和垂直協(xié)調(diào)開采模式，并詳細(xì)分析了3種礦群協(xié)調(diào)開采模式的特點(diǎn)。

3）通過對(duì)露天礦群3種協(xié)調(diào)開采模式的研究，分別分析了開采工藝、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、內(nèi)外排土場(chǎng)、邊坡穩(wěn)定性、露天礦空間位置及其他輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)露天礦群協(xié)調(diào)開采的影響，為露天礦群協(xié)調(diào)開采優(yōu)化提供參考。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Research on the coordination m ining patterns of open-pitm ine group

ZHAO Hongze,ZHENG Qunfei,ZHAO Boshen
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

According to the exploitation problems of several adjacent open-pit mines in large ore fields,the article presents the concept of coordination mining of open-pitmine group.According to the promoting relationships of the adjacent open-pitmines, the mining procedure patterns of open-pit mine group are divided into three types.At the same time,the article analyzes the influence factors ofmining under the coordination mining patterns of open-pitmine group.

open-pitmine group;coordination mining;mining procedure;pattern

TD824

B

1671－9816（2017）09－0001－05

2017-06-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2013QZ04）

趙紅澤（1978—），男，山西河津人，副教授，博士，主要從事采礦工程及礦山信息化方面的研究工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.001.

趙紅澤，鄭群飛，趙博深．露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：1-5.