基于背斜構(gòu)造條件下安太堡露天礦產(chǎn)能與排土方案優(yōu)化

賀昌斌，解廷堃，張加權(quán)，常永剛，李海潮，韓 亮，曹新宇，楊 秀

（1．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西，朔州 036006；2．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000；3．山西煤礦安全監(jiān)察局 長(zhǎng)治監(jiān)察分局，山西 長(zhǎng)治 046011）

基于背斜構(gòu)造條件下安太堡露天礦產(chǎn)能與排土方案優(yōu)化

賀昌斌1，解廷堃1，張加權(quán)1，常永剛2，李海潮3，韓 亮1，曹新宇1，楊 秀1

（1．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西，朔州 036006；2．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000；3．山西煤礦安全監(jiān)察局 長(zhǎng)治監(jiān)察分局，山西 長(zhǎng)治 046011）

當(dāng)前安太堡露天礦正處于背斜構(gòu)造區(qū)，依賴延深露煤與大提升遠(yuǎn)距離排土維持生產(chǎn)，能耗高、效率低和效益差。針對(duì)該問題，結(jié)合地表與煤層覆存、可利用排土空間容量、延深條件等的分析，提出適合的產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)并開展采礦和排土的優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的合理提升。

露天煤礦；背斜構(gòu)造；露天延深；排土容量

0 引 言

安太堡露天礦為單斗-卡車開采工藝露天礦，主要可采煤層4#煤、9#煤和11#煤3層，平均總厚度29 m，屬于煤層群開采，設(shè)計(jì)能力1 533萬t，核定能力3 000萬t，最大產(chǎn)量達(dá)到2 900萬t。從近30 a開采條件來看，基本屬于埋藏淺、煤層覆存穩(wěn)定、水平與近水平條件開采，一直是高產(chǎn)高效、經(jīng)濟(jì)效益好的露天煤礦。

露天礦的開采不可避免的遇到一些斷層、風(fēng)氧帶、陷落柱、背斜、向斜等地質(zhì)構(gòu)造，引起開采的困難與產(chǎn)能的變化。一般來講，在露天開采范圍內(nèi)大的構(gòu)造已確定，為保持產(chǎn)能、設(shè)備效率和效益的均衡，生產(chǎn)中應(yīng)有預(yù)見性的措施，如均衡剝采比組織生產(chǎn)、財(cái)務(wù)處理的均衡剝采比調(diào)整、原煤產(chǎn)量的適度均衡組織、排土場(chǎng)的均衡排土等[1]。但露天礦面臨生產(chǎn)用地使用滯后、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)原煤產(chǎn)量的需求、經(jīng)濟(jì)效益的需求等問題，往往使可預(yù)見性的生產(chǎn)措施被忽視，遇到地質(zhì)構(gòu)造后引起生產(chǎn)矛盾的積累，如安太堡露天礦目前遇到的蘆子溝背斜就是這種情況。

1 問題的提出

蘆子溝背斜是安太堡露天礦控制性地質(zhì)構(gòu)造。該構(gòu)造引起煤層總體傾角達(dá)到12°（22%），局部最大傾角22°（40%），煤層落差達(dá)到270 m，地表和基巖面下降50～100 m，處于該區(qū)域煤層平均寬度為1 003 m，目前開采沿煤層傾向推進(jìn)、頂板水平分層露煤。背斜構(gòu)造引起的問題主要為：

1）處于背斜構(gòu)造階段，需要不斷的延深才能露煤和采煤，在不考慮其他因素的情況下，延深的理論最大能力為3個(gè)臺(tái)階，限制了煤炭的產(chǎn)量[2]。如按照平均煤層傾角12°為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，準(zhǔn)備1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)延深臺(tái)階為70 m，按照準(zhǔn)備3個(gè)計(jì)算，年最大可采煤寬度為210 m，以1 200 m工作線計(jì)算，計(jì)算年采煤量為1 083萬t，最大采煤與延深關(guān)系如圖1所示。

圖1 最大采煤與延深關(guān)系示意圖

2）煤層的下降（平均22%）遠(yuǎn)超過單斗-卡車工藝運(yùn)輸設(shè)備8%限制的坡度，使得端幫的延深不能滿足煤層下降的需求，只能依賴采場(chǎng)移動(dòng)坡道來形成運(yùn)輸系統(tǒng)，要求工作平盤寬度適當(dāng)?shù)募訉挕?/p>

3）煤層底板傾斜度大，內(nèi)排不能跟進(jìn)，只能遠(yuǎn)距離、大提升高度排土，運(yùn)輸設(shè)備效率降低、各種材料單耗增加、經(jīng)濟(jì)效益變差甚至無邊際效益。如運(yùn)輸設(shè)備效率年降低20%以上，如789卡車，能力由90萬m3下降至60萬m3，在裝運(yùn)能力不匹配的情況下，采裝能力也造成浪費(fèi)；在運(yùn)距4 000 m和提升高度190 m時(shí)燃油消耗達(dá)到1 100 g/m3，是正常生產(chǎn)條件下的200%，僅此增加成本約3元/m3。

針對(duì)以上問題，如何優(yōu)化系統(tǒng)，協(xié)調(diào)采礦與排土、實(shí)現(xiàn)最好經(jīng)濟(jì)效益成為露天生產(chǎn)工作的重點(diǎn)[3]。

2 對(duì)蘆子溝背斜的預(yù)測(cè)

結(jié)合安太堡露天礦近幾年的實(shí)際延深進(jìn)度、年度推進(jìn)度、煤層頂?shù)装宓雀呔€實(shí)際情況，對(duì)過渡該構(gòu)造及各年度采煤狀態(tài)基本情況預(yù)測(cè)為：

1）2017年將全年處于該影響范圍，受延深進(jìn)度影響，采煤與剝離基本維持現(xiàn)有的模式。至2017年底4#煤雖然仍處于向斜軸部以西，但傾角變緩，向下延深工程及4#煤露煤條件有所好轉(zhuǎn)。

2）至2018年6月份4#煤基本走平，4#煤的露煤狀況及開采條件趨于正常，但9#煤與11#煤的開采仍比較困難。

3）至2019年9月份，9#煤基本落平，年底11#煤落平。

4）至2020年2月份開始內(nèi)排，至此礦采場(chǎng)全面度過背斜區(qū)域影響，內(nèi)排土場(chǎng)可以逐步恢復(fù)，但因內(nèi)排土平盤自上而下的恢復(fù)，排土仍未進(jìn)入正常狀態(tài)，至2020年12月份，內(nèi)排土場(chǎng)全面恢復(fù)，露天礦生產(chǎn)步入正常階段。

5）從2021年開始，露天礦恢復(fù)正常，設(shè)備能力、原煤產(chǎn)量、運(yùn)距、提升高度等將得到根本性改善。

3 均衡剝采比的確定

按照規(guī)劃的露天礦開采境界，以2016年底位置為基準(zhǔn)條件，條帶寬度100 m，最新地質(zhì)模型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煤，巖量計(jì)算并進(jìn)行均衡，確定一期煤量3 001萬t、剝離20 403萬m3，剝采比為6.8 m3/t。

4 排土容量的計(jì)算與確定

因生產(chǎn)用地的困難，當(dāng)前已無使用外排土場(chǎng)的條件。在無外排土場(chǎng)的情況下，依據(jù)預(yù)測(cè)的背斜區(qū)域生產(chǎn)進(jìn)程，需要確定2017—2019年及恢復(fù)內(nèi)排土場(chǎng)過程中的排土容量，按照均衡剝采比確定原煤生產(chǎn)量。

確定排土容量的基本原則：①運(yùn)距和提升高度較2016年基本持平或適當(dāng)?shù)脑黾樱虎诟鶕?jù)理論與專家建議暫時(shí)暫不考慮背斜區(qū)排土；③排土空間位于軸以外且最終幫坡角不大于20°為標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算能使用的排土容量虛方為27 925萬m3，實(shí)方24 282萬m3。

5 過渡背斜期合理原煤產(chǎn)量

從對(duì)過渡背斜的預(yù)測(cè)（2017—2019年）、均衡剝采比計(jì)算中的煤巖量、年度最大采煤量理論計(jì)算結(jié)果、實(shí)現(xiàn)內(nèi)排前可利用排土場(chǎng)的容量及預(yù)留2020年內(nèi)排恢復(fù)調(diào)節(jié)容量四方面綜合考慮，2017—2019年原煤產(chǎn)量維持在3 000萬t比較適宜，即年產(chǎn)量保持在1 000萬t左右。

6 背斜期原煤增產(chǎn)與排土增量途徑

從集團(tuán)保持一定規(guī)模的前提出發(fā)，作為平朔集團(tuán)主力生產(chǎn)礦，盡管從經(jīng)濟(jì)合理確定1 000萬t能力是合適的，但不能滿足集團(tuán)總體利益考慮，應(yīng)在上述確定原煤產(chǎn)量的基礎(chǔ)上確定提高原煤產(chǎn)量的途徑。

6.1 增加產(chǎn)能途徑分析

露天礦的地質(zhì)條件及開采參數(shù)確定了其生產(chǎn)能力[4-5]。單一煤層在采煤工作線長(zhǎng)度一定、年度延深一定的情況下，增加原煤產(chǎn)量幾乎沒有途徑。但安太堡露天礦屬于多煤層群集開采，各煤層過渡背斜構(gòu)造是存在一定的時(shí)間差距。當(dāng)可采煤層中的4#煤于2017年底傾角變小、2018年基本落平的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)加快4#煤以上巖石的推進(jìn)度，增加4#煤的采出量以增加礦整體原煤產(chǎn)量，即在2018—2019年原煤產(chǎn)量1 000萬t基礎(chǔ)上可適度增加產(chǎn)量，2020年可較大幅度增加產(chǎn)量，2021年恢復(fù)正常，按照露天礦年推進(jìn)度350～370 m/a[6-7]達(dá)到2 000萬t產(chǎn)量。

6.2 排土增量的優(yōu)化途徑

在背斜期間，通過增加4#煤產(chǎn)量來保障整體產(chǎn)能產(chǎn)生的后果：①4#煤頂板巖石加快推進(jìn)，只能采出4#煤，年度生產(chǎn)剝采比增加，剝離量增加；②渡過背斜后剝采比的突然下降；③剝離量增加需要的排土場(chǎng)容量加大，在11#煤尚未落平、內(nèi)排不能跟進(jìn)的情況下需要通過其他方式，如加高土場(chǎng)等對(duì)土場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)容[4]，但都是不經(jīng)濟(jì)的。

在無外排土場(chǎng)的情況下，需要研究解決近距離、低提升高度的經(jīng)濟(jì)排土方案。結(jié)合露天礦煤層頂?shù)装宓雀呔€變化情況、出露煤層底版空間情況，提出3種類型的途徑。

1）縮小工作平盤長(zhǎng)度，加快過背斜進(jìn)程和減小過程中的剝離量。在此方案中，即對(duì)工作幫一定區(qū)域進(jìn)行并幫縮界，減小工作線長(zhǎng)度，對(duì)縮界范圍進(jìn)行排土，增加排土容量。優(yōu)點(diǎn)：①加快過構(gòu)造的進(jìn)程，減小剝離量；②可以實(shí)現(xiàn)縮界范圍背斜區(qū)的排土，不用考慮穩(wěn)定問題。

但在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮4個(gè)方面因素：①預(yù)留的工作范圍與礦坑整體發(fā)展相一致；②只能在2個(gè)端幫縮界，且選擇在煤層傾角大的區(qū)域；③預(yù)留采煤工作線路應(yīng)保持一定長(zhǎng)度，即端幫坡道兩處，長(zhǎng)度約380 m，現(xiàn)有采掘設(shè)備PH4100XP工作線長(zhǎng)700～ 800 m，采煤工作線長(zhǎng)度應(yīng)保持在1 100～1 200 m；④端幫的變化應(yīng)在排土過程中與供電系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)及出入溝進(jìn)行有效的銜接，工作幫靠幫縮界與排土如圖2所示，上部分為預(yù)留工作幫，下部為縮界區(qū)及排土。

2）工作幫局部區(qū)域的優(yōu)先發(fā)展。在預(yù)留工作幫作業(yè)區(qū)域，從煤層頂?shù)装宓雀呔€來看，北側(cè)煤層覆存水平高，其中約在1 120～1 210 m水平，而靠南側(cè)在1 075 m左右，考慮通過掏槽、改變工作線方向方式加快北幫煤巖推進(jìn)，提前出露并采煤、排土，在增加排土容量的同時(shí)，有利于新的北幫運(yùn)輸干道的形成。

圖2 工作幫靠幫縮界與排土示意圖

3）背斜區(qū)域排土的穩(wěn)定性分析與少量排土的實(shí)踐。該方案需要開展前期穩(wěn)定性的計(jì)算基礎(chǔ)并做專門的設(shè)計(jì)[8]。

7 背斜期排土增量的設(shè)計(jì)

7.1 背斜面排土的穩(wěn)定性計(jì)算

結(jié)合背斜區(qū)域煤層傾角達(dá)到8°～13°左右，局部最大傾角22°的實(shí)際情況，以煤層底板11°和13°選取剖面，對(duì)背斜區(qū)排土邊坡角以16°進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果是：

1）背斜區(qū)域傾角為13°，在該區(qū)域內(nèi)排量較少，形成局部的排棄臺(tái)階，整體邊坡穩(wěn)定性大于1.4；

2）背斜區(qū)域傾角為11°，形成的排土場(chǎng)上部排棄量較大，該區(qū)域排棄物內(nèi)部滑動(dòng)面穩(wěn)定性大于1.4，沿11#煤層底板滑動(dòng)穩(wěn)定性為2.233，內(nèi)排土場(chǎng)邊坡滿足安全系數(shù)。

3）水對(duì)穩(wěn)定系數(shù)影響較大，若底板有水，穩(wěn)定系數(shù)下降較快。

7.2 排土方案設(shè)計(jì)

7.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)與原則

1）總體邊坡角不大于16°。

2）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。

3）按照標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階劃分排土，排土臺(tái)階設(shè)計(jì)高度為30 m，排土臺(tái)階上部平臺(tái)標(biāo)高應(yīng)與西側(cè)同水平11#煤底板等高線持平。

4）排土臺(tái)階間應(yīng)留防滑煤巖柱，組成為11#煤與11#煤頂板巖，禁止爆破，以增加抗滑能力。

5）煤巖柱水平寬度由排土臺(tái)階下部平臺(tái)標(biāo)高與同水平11#煤底板等高線及9#煤底板等高線決定。

6）煤巖柱平面東側(cè)留20 m寬保安平臺(tái)，減少對(duì)抗滑煤巖柱的壓力。

7）據(jù)2017年11#煤延深速度，先行設(shè)計(jì)3個(gè)排土臺(tái)階，滿足2017生產(chǎn)需要，同時(shí)在實(shí)踐中對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，為以后的設(shè)計(jì)提供支持。

7.2.2 排土參數(shù)

利用3dmine垂直于背斜軸切割出背斜區(qū)排土區(qū)域剖面，最上一個(gè)臺(tái)階上部平臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 260 m。因11#煤底板并非均勻坡面，傾角在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，因此背斜區(qū)各排土臺(tái)階參數(shù)略有差別，按照1260排土平盤、1230排土平盤、1200排土平盤分別確定，背斜區(qū)排土設(shè)計(jì)參數(shù)斷面如圖3所示。

圖3 背斜區(qū)排土設(shè)計(jì)參數(shù)斷面圖

1）背斜區(qū)1260臺(tái)階參數(shù)。11#煤底板傾角為12°，排土臺(tái)階坡面角35°；臺(tái)階上部臺(tái)階寬度為108.62 m；煤柱寬度為42.8 m；煤柱最大高度為11.2 m。

2）背斜區(qū)1230臺(tái)階參數(shù)。11#煤底板傾角為15°，排土臺(tái)階坡面角35°；臺(tái)階上部臺(tái)階寬度為56.21 m；煤柱寬度為47.52 m；煤柱最大高度為12.35 m。

3）背斜區(qū)1200臺(tái)階參數(shù)。11#煤底板傾角為11°，排土臺(tái)階坡面角35°；臺(tái)階上部臺(tái)階寬度為77.4 m；煤柱寬度為50.28 m；煤柱最大高度為9.82 m。

7.2.3 排土順序

首先采出1 230 m水平以上11#煤，即可從西向東排棄1260土場(chǎng)，同時(shí)保留1 230～1 210 m水平間11#煤及11#煤頂板巖不作爆破處理，形成抗滑煤柱，排土臺(tái)階坡底線排棄至距離煤柱東邊緣20 m處停止排棄。1230土場(chǎng)及1200土場(chǎng)均依此過程排棄，至2017年底，11#煤采煤工作面延深至1 165 m水平，1200土場(chǎng)下部所保留煤巖柱至1 160m水平。

7.2.4 排土線路規(guī)劃

1260排土平盤利用礦坑北幫下部新形成的1 165～1 195m半干線及1 195～1 240 m干道去往1260背斜土場(chǎng)排棄。

1230排土平盤繼續(xù)利用北部1 195～1 240 m干道進(jìn)行排棄，2017年6月中旬形成11煤底板運(yùn)輸系統(tǒng)后，既可以通過該運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行排棄。

1200排土平盤將主要通過11#煤底板運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行排棄。

7.2.5 安全技術(shù)措施

1）為保證背斜區(qū)排土場(chǎng)最大安全性，嚴(yán)禁加高排土、超設(shè)計(jì)跟進(jìn)排土，技術(shù)與生產(chǎn)部門負(fù)責(zé)排土參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定工作和按標(biāo)定排土參數(shù)排土。

2）單臺(tái)階排棄，嚴(yán)禁上部平盤跟進(jìn)。

3）背斜排土區(qū)域穿爆班應(yīng)優(yōu)先穿孔爆破煤巖，保證11#煤的及時(shí)采出，避免影響排土。

4）抗滑煤巖柱技術(shù)部門及時(shí)圈定保留范圍，現(xiàn)場(chǎng)做擋墻標(biāo)記范圍，嚴(yán)禁在留煤巖柱區(qū)域作業(yè)。

5）排土前，排土影響范圍的11#煤必須全部取出，排土過程中嚴(yán)禁任何人員和設(shè)備進(jìn)入排土影響范圍。

6）排土平盤必須平整，排土邊緣設(shè)置放水口，下雨必須及時(shí)放水，嚴(yán)禁深入排土臺(tái)階內(nèi)部。

7.2.6 容量與效益

背斜區(qū)排土工作線長(zhǎng)度平均按1 400 m計(jì)算，1260排土平盤橫截面面積為2 237 m2，容積為313萬m3；1230排土平盤橫截面面積為1 654 m2，容積為231萬 m3；1200排土平盤橫截面面積為2 167 m2，容積為303萬m3；總?cè)萘?47萬m3，松散系數(shù)按1.15計(jì)算，實(shí)際可排736萬m3物料。

中北部11#煤與9#煤頂板巖石排棄至上部土場(chǎng)平均加權(quán)運(yùn)距為4.8 km，高差為240 m，而排棄至背斜土場(chǎng)平均加權(quán)運(yùn)距1.8 km，高差為40 m，節(jié)省運(yùn)距3 km，運(yùn)輸設(shè)備效率提高116%，單位剝離成本降低 6元/m3。

8 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)安太堡露天礦控制性地質(zhì)構(gòu)造的分析和預(yù)測(cè)，確定了背斜期間合理的產(chǎn)能，并對(duì)產(chǎn)能增加、排土容量增加提出可行性的方案，有效地降低露天礦生產(chǎn)成本，具有一定的實(shí)踐價(jià)值。對(duì)于有類似地址構(gòu)造問題的露天礦，應(yīng)制定長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，按照均衡剝采比組織生產(chǎn)、按照總體剝離量及排土空間做到遠(yuǎn)近安排有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)原煤產(chǎn)量的穩(wěn)定、設(shè)備效率的平穩(wěn)及經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)定。

［1］楊榮新．露天采礦學(xué)［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990．

［2］薛萬海，王麗萍．安太堡礦過背斜期間延深速度的確定［J］．露天采礦技術(shù)，2013（7）：4-6．

［3］GB 50197—2005．煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社．2005.

［4］羅懷廷．哈爾烏素露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)增高研究［J］．露天采礦技術(shù)，2017（3）：19-22．

［5］中國(guó)礦業(yè)學(xué)院．露天采礦手冊(cè)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1986．

［6］潘興．露天煤礦工作幫水平推進(jìn)度最大值的確定［J］．露天采礦技術(shù)．1991（3）：6-8.

［7］董寶第．露天礦單斗—卡車開采工藝水平推進(jìn)強(qiáng)度的理論計(jì)算［J］．煤炭工程．2007（10）：9-10.

［8］劉云．安太堡露天礦背斜區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)排土參數(shù)優(yōu)化［J］．露天采礦技術(shù)．2015（12）：3-7.

【責(zé)任編輯：張東旭】

Optim ization of production capacity and dum ping scheme based on anticline structure in Antaibao Open-pit Coal M ine

HE Changbin1,XIE Tingkun1,ZHANG Jiaquan1,CHANG Yonggang2,LIHaichao3,HAN Liang1,CAO Xinyu1,YANG Xiu1
(1.Antaibao Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036000,China; 3.Changzhi Supervision Bureau,Shanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau,Changzhi 046011,China)

According to Antaibao Open-pit Mine depending on deepening coal mining and upgrading long distance drainage to maintain production capacity,it results in high energy consumption,low efficiency and poor efficiency.Combining with the surface condition,coal seam storage,available drainage space,engineering delay and other conditions,the article puts forward the appropriate production standards to optimize themining and drainage,in order to reasonably improve production capacity.

open-pit coalmine;anticline structure;open-pit extension;dumping space

TD824

B

1671－9816（2017）09－0021－05

2017-05-19

賀昌斌（1973—）男，陜西合陽(yáng)人，教授級(jí)高級(jí)工程師，工程碩士，1996年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程系露天開采專業(yè)，現(xiàn)任中煤平朔集團(tuán)有限公司安太堡露天礦副礦長(zhǎng)兼總工程師，長(zhǎng)期從事生產(chǎn)技術(shù)、安全管理及經(jīng)營(yíng)管理工作，研究方向?yàn)槁短斓V系統(tǒng)優(yōu)化、安全管理、露天深孔爆破技術(shù)及成本管理與控制。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.006

賀昌斌，解廷堃，張加權(quán)，等.基于背斜構(gòu)造條件下安太堡露天礦產(chǎn)能與排土方案優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：21-24.