采空區(qū)及伴生礦物影響下急傾斜煤層經(jīng)濟(jì)合理剝采比修正

楊曉偉，羅 強(qiáng)，劉晨東，涂宇航，武 璟，馬 力

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神華寶日希勒能源有限公司寶日希勒露天煤礦，內(nèi)蒙古海拉爾 021000；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安 710054）

經(jīng)濟(jì)合理剝采比是露天開(kāi)采境界確定的重要技術(shù)，且以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比這一原則為依據(jù)[1-2]。經(jīng)濟(jì)合理剝采比代表的含義是在露天開(kāi)采范圍內(nèi)所限定的最大剝采比，即如果露天開(kāi)采剝采比大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比則經(jīng)濟(jì)性降低[3-4]。當(dāng)前露天煤礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比常用的確定方法包括比較法（與地采成本比較）和價(jià)格法（與礦石售價(jià)比較）[5-6]，而針對(duì)特殊賦存條件及受其他因素影響的礦區(qū)，伴隨有其他相關(guān)成本投入和額外收益，需綜合考慮露天開(kāi)采范圍內(nèi)其他成本和收益對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比進(jìn)行修正，以適應(yīng)特殊賦存條件下露天開(kāi)采境界的圈定[7]。以急傾斜煤層、上部存在井工采空區(qū)的特定礦床條件為例，分析經(jīng)濟(jì)合理剝采比的修正方法。

1 采空區(qū)及伴生礦物對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響

以急傾斜煤層為例，因煤層賦存傾角大、煤層露頭淺等特點(diǎn)，淺部煤層廣泛被小煤窯開(kāi)采遺留老采空區(qū)。而隨著近年開(kāi)采裝備與技術(shù)的進(jìn)步，這類(lèi)急傾斜煤層尤其適用于采用露天開(kāi)采方式，因采空區(qū)的存在造成礦田范圍內(nèi)地面塌陷并造成煤層與空氣的接觸，構(gòu)成了煤層的自燃條件。因老采空區(qū)分布，同時(shí)造成殘留煤柱無(wú)法有效回收，嚴(yán)重制約著資源回采率及井田作業(yè)安全。老采空區(qū)影響煤層自燃是威脅礦井安全及造成環(huán)境污染的重要隱患，采用露天開(kāi)采方式使采空區(qū)煤層揭露，不僅能將老采空區(qū)周?chē)褐厥眨瑫r(shí)以露天采空區(qū)內(nèi)排土方式將老采空區(qū)填埋，隔絕煤層與空氣，可以有效治理老采空區(qū)煤層自燃，是含采空區(qū)急傾斜煤層采用露天開(kāi)采的重要決策依據(jù)。

此外，煤炭一直作為煤礦的單一資源被開(kāi)采，高品位的與煤共伴生礦產(chǎn)賦存于許多礦區(qū)的煤系地層中，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)超煤炭。經(jīng)營(yíng)理念及部門(mén)分割等因素的影響由來(lái)已久，這些有價(jià)值的共伴生礦產(chǎn)常被遺棄于地下，或者被作為廢石排放到地面。這極大的浪費(fèi)了資源，并且導(dǎo)致大量的土地被占用、環(huán)境嚴(yán)重污染。露天開(kāi)采將煤層上部土巖全部剝離掉使煤層揭露，具有可同步采出煤層頂板伴生礦物資源的優(yōu)勢(shì)[8-9]。從露天開(kāi)采剝采特點(diǎn)及成本投入角度來(lái)看，伴生礦物資源的開(kāi)采成本已計(jì)入巖石剝離成本，而實(shí)際中伴生礦物的獲得可額外增加開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，由采空區(qū)治理成本及伴生礦物資源的開(kāi)采效益也影響這經(jīng)濟(jì)合理剝采比的大小，并對(duì)開(kāi)采深度的確定產(chǎn)生不同程度的影響。

2 常規(guī)經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定

露天開(kāi)采境界確定受眾多因素影響，且礦床條件不同，其影響程度不同，應(yīng)綜合考慮自然、技術(shù)組織及經(jīng)濟(jì)等諸多因素。露天開(kāi)采境界的不斷延伸和擴(kuò)展，使得采礦量和剝巖量相應(yīng)增加，故要確定露天開(kāi)采境界，其實(shí)質(zhì)是控制剝采比的大小，使其不超過(guò)經(jīng)濟(jì)合理界限值。而這里所指的經(jīng)濟(jì)合理界限值就是經(jīng)濟(jì)合理剝采比，對(duì)于露天礦而言，開(kāi)采1 t 礦石在經(jīng)濟(jì)上所允許的最大剝離量，即保證露天礦在不虧損的前提下，單位礦石可允許分?jǐn)偟膭冸x量。對(duì)于實(shí)際露天開(kāi)采境界圈定，其原則多是以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比[10-11]。

經(jīng)濟(jì)合理剝采比是由市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)因素影響的露天礦最大剝采比，與露天開(kāi)采成本及原煤售價(jià)、原礦可供選擇開(kāi)采方式成本等技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)合理剝采比的傳統(tǒng)計(jì)算方法主要以露天開(kāi)采成本與地下開(kāi)采成本比較法和露天開(kāi)采成本和礦石售價(jià)比較法2 種為主[12]，其中前者是以區(qū)分露天開(kāi)采和地下開(kāi)采2 種方法開(kāi)采同一礦床成本最小的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，后者是確定保障露天開(kāi)采具有盈利為目的的極限剝采比。

1）原礦成本比較法。為使露天開(kāi)采的原礦成本等于地下開(kāi)采的成本，在此把原礦作為計(jì)算的基礎(chǔ)，計(jì)算方法為：

式中：nj為經(jīng)濟(jì)合理剝采比，m3/t；CD為地下開(kāi)采單位的礦石成本，元/t；a 為露天開(kāi)采純采礦成本，元/t；b 為露天開(kāi)采單位巖石剝離費(fèi)用（露天開(kāi)采的剝離成本），元/m3。

2）精礦成本比較法。此方法的計(jì)算基礎(chǔ)是選礦或者冶煉后的產(chǎn)品的精礦量，這樣就能夠使露天開(kāi)采后的經(jīng)過(guò)選礦和冶煉得到的產(chǎn)品的精礦成本等于地下開(kāi)采的成本，計(jì)算方法為：

式中：KL、KD為露天開(kāi)采、地下開(kāi)采每噸原礦的精礦產(chǎn)出率，t/t；DL、DD為露天開(kāi)采、地下開(kāi)采每噸原礦所分?jǐn)偟牟傻V、選礦、冶煉的成本，元/t。

3）儲(chǔ)量盈利比較法。本法的基本思想是將單位工業(yè)儲(chǔ)量的地采盈利作為露采盈利的下限，計(jì)算方法如下：

式中：UL、UD為露天開(kāi)采、地下開(kāi)采每噸工業(yè)儲(chǔ)量礦石所獲得的盈利，元/t。

4）價(jià)格法。價(jià)格法基本原則是產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格要低于露天開(kāi)采單位的成本，從而增加礦山的效益。原礦價(jià)格法是指原礦售價(jià)與露天開(kāi)采單位礦石成本相對(duì)比，求出經(jīng)濟(jì)合理剝采比，計(jì)算方法為：

式中：Pa為每噸礦石的價(jià)格，元/t。

3 采空區(qū)及伴生礦物對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響

3.1 伴生礦物開(kāi)采效益

我國(guó)煤系地層中與煤共生和伴生的礦產(chǎn)資源豐富、種類(lèi)較多，其中較普遍的、便于開(kāi)發(fā)利用的主要包括：高嶺土、膨潤(rùn)土、石膏、石墨、硫鐵礦、油頁(yè)巖。伴生礦物資源量與露天開(kāi)采深度密切相關(guān)，則相應(yīng)開(kāi)采深度獲得伴生礦物資源的經(jīng)濟(jì)效益為：

式中：Vi為獲得第i 中伴生礦物資源量，m3；H 為露天開(kāi)采深度，m；B 為開(kāi)采伴生礦物資源獲得的額外經(jīng)濟(jì)效益，元；bi為第i 種礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟(jì)效益，元。

3.2 采空區(qū)探測(cè)及煤自燃防治成本

井工開(kāi)采過(guò)后形成的采空區(qū)為原煤提供了與氧氣接觸條件，首先煤表面通過(guò)物理吸附的方式吸附氧分子，氧分子在煤表面被活性基團(tuán)物理吸附，之后再被化學(xué)吸附完成煤氧復(fù)合反應(yīng)。，導(dǎo)致自燃。煤火災(zāi)害是礦井的五大災(zāi)害之一，造成大量的人員傷亡和設(shè)備損壞，同時(shí)也產(chǎn)生大量的有毒有害氣體、污染環(huán)境，并導(dǎo)致大量不可再生資源的浪費(fèi)。對(duì)與煤層中存在采空區(qū)影響的礦床而言，在露天開(kāi)采過(guò)程中需采用相關(guān)方法進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)和治理，以避免采空區(qū)火災(zāi)及塌陷引起的設(shè)備作業(yè)安全。

其中采空區(qū)探測(cè)成本與探測(cè)方法與探測(cè)區(qū)域大小有關(guān)，采空區(qū)煤自燃防治成本與采空區(qū)空間尺寸密切相關(guān)，則采空區(qū)探測(cè)及煤自然防治成本Cr為：

式中：ct為單位探測(cè)成本，元/m2；A 為探測(cè)區(qū)域面積，m2；cz為采空區(qū)煤自燃單位治理成本，元/m3；Vj為已探測(cè)的獲得第j 個(gè)采空區(qū)體積，m3。

3.3 改進(jìn)經(jīng)濟(jì)合理剝采比

由于伴生礦物資源量及境界內(nèi)采空區(qū)數(shù)量、尺寸具有不確定性，與境界大小密切相關(guān)。因此，由伴生礦物開(kāi)采效益和采空區(qū)探測(cè)及煤自燃防治成本影響的單位原煤對(duì)應(yīng)成本由境界因素影響。而通常情況下，露天開(kāi)采合理境界的確定以境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比為原則，代表每增加單位采深所采出礦量都是經(jīng)濟(jì)上有利可圖的，以成本比較法為例，可表示為：

式中：△P 為開(kāi)采境界延深單位深度后增加的礦石量；△V 為露天開(kāi)采境界延深單位深度后所增加的巖石量；η 為原礦采出率；CD為地下采礦成本。

伴生礦物開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益和采空區(qū)探測(cè)及煤自然防治成本發(fā)生在露天開(kāi)采境界內(nèi)，換算成對(duì)應(yīng)的原礦單位經(jīng)濟(jì)效益和成本，則綜合考慮境界內(nèi)伴生礦物資源量和采空區(qū)尺寸影響的邊界層成本關(guān)系為：

式中：P 為露天開(kāi)采深度為H 時(shí)所對(duì)應(yīng)的采出礦量。

式（8）變換后得修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比n′j1：n′，顯見(jiàn)修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比由原經(jīng)濟(jì)合理剝采比和考慮伴生礦物和采空區(qū)影響因子n′之和構(gòu)成，其大小與境界內(nèi)伴生礦物資源量、采空區(qū)探測(cè)面積和采空區(qū)尺寸、境界內(nèi)原礦量有關(guān)。

同理，以精礦成本比較法、儲(chǔ)量盈利比較法及價(jià)格法確定的修正后經(jīng)濟(jì)合理剝采比可以表示為：

4 算例分析

某急傾斜煤層傾角45°、煤層厚度20 m，礦田走向長(zhǎng)度4 km，擬采用露天開(kāi)采，原煤采出系數(shù)98%，頂幫邊坡角40 °。附近可供參考井工礦開(kāi)采成本192 元/t，估計(jì)露天開(kāi)采純采礦成本為12 元/t，剝離成本18 元/m3。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，礦田內(nèi)含有豐富的黏土礦物，可作為伴生礦物資源開(kāi)采，具有客觀的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，該礦床由于歷史原因，上部存在零星開(kāi)采采空區(qū)并引起煤層自燃，造成環(huán)境污染且是影響礦山安全開(kāi)采的重要隱患。需采取必要措施進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)及火區(qū)治理，以保證露天開(kāi)采正常安全生產(chǎn)。按照傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的成本比較法計(jì)算，有：nj1=10 m3/t。

假定勘探采空區(qū)面積400 m2，單位勘探費(fèi)用48元/m3，采空區(qū)總體積1 600 m3，單位采空區(qū)煤火防治成本40 元/m3；礦田范圍內(nèi)伴生礦物采出量是開(kāi)采深度的函數(shù)為50 Ht，伴生礦物單位售價(jià)60 元/t。按照成本比較法的修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比為：

顯然，根據(jù)式（11）可知經(jīng)濟(jì)合理剝采比隨開(kāi)采深度增加而增大，當(dāng)H→∞時(shí)，n′j1=10 m3/t。修正后的經(jīng)濟(jì)合理剝采比較傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比較大。

另外，依據(jù)境界圈定原則確定斷面合理開(kāi)采深度是經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定的目的。而式（11）中存在開(kāi)采深度變量。因而，從修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比的應(yīng)用角度分析，綜合考慮境界剝采比nk和修正合理剝采比n′j1的關(guān)系有：

剝采比與開(kāi)采深度關(guān)系曲線(xiàn)如圖1。

圖1 剝采比與開(kāi)采深度關(guān)系曲線(xiàn)

從圖1 中可以看出，依據(jù)境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比原則確定露天開(kāi)采境界時(shí)，如果按照傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理剝采比方法確定的最大開(kāi)采深度為89 m，而按照修正的修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比確定的最大開(kāi)采深度可以達(dá)到132 m。修正的經(jīng)濟(jì)合理剝采比充分考慮了礦田開(kāi)采范圍內(nèi)的伴生礦物效益、采空區(qū)及煤層自燃影響因素，更能充分說(shuō)明開(kāi)采成本與效益關(guān)系，所確定的開(kāi)采深度和境界更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

1）礦田范圍內(nèi)伴生礦物資源開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益對(duì)經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響較大，在露天礦開(kāi)采設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告有效評(píng)估伴生礦物開(kāi)采收益，并作為露天開(kāi)采境界確定的重要因素予以考慮其中。

2）露天礦田內(nèi)存在的井工采空區(qū)為煤層自燃提供了充分條件，是影響礦山正常安全開(kāi)采和環(huán)境污染的重要隱患，為采空區(qū)探測(cè)及火區(qū)治理所發(fā)生的相關(guān)費(fèi)用應(yīng)一并計(jì)入到露天開(kāi)采成本中，并作為影響經(jīng)濟(jì)合理剝采比要素。

3）修正的經(jīng)濟(jì)合理剝采比能夠更充分反映露天礦田特征，依據(jù)修正經(jīng)濟(jì)合理剝采比所確定的露天開(kāi)采深度能夠滿(mǎn)足最佳開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益。