分期開(kāi)采在小型露天煤礦設(shè)計(jì)開(kāi)采中的應(yīng)用

張清山

(寶鋼集團(tuán)八鋼公司礦山部）

1 概述

新疆境內(nèi)某煤礦礦區(qū)探明煤層總資源儲(chǔ)量為10448.34萬(wàn)t，檢測(cè)分析表明，該煤種主要為25號(hào)焦煤，煤質(zhì)好，可做為主要煉焦用煤，也是新疆市場(chǎng)急需的煤種。經(jīng)計(jì)算，該煤礦從技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)規(guī)模為90萬(wàn)t/年～150萬(wàn)t/年。圈定露天境界可供開(kāi)采的煤量總和（不含風(fēng)氧化煤1.08Mt）2106萬(wàn)t。根據(jù)GB/T 50197-2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)服務(wù)年限的要求，礦山規(guī)模不宜超過(guò)100萬(wàn)t/年，結(jié)合考慮1.2的資源儲(chǔ)量備用系數(shù)。確定該露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模90萬(wàn)t/年，服務(wù)年限為19.5年。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)模為小型露天煤礦。

煤礦開(kāi)采設(shè)計(jì)中，針對(duì)露天礦山在資源量較大，開(kāi)采年限較長(zhǎng)時(shí)，往往采用分期開(kāi)采，選擇開(kāi)采條件較好的地段作為第一期開(kāi)采，以推遲剝離高峰，均衡生產(chǎn)剝采比，降低礦山成本，使礦山早日達(dá)產(chǎn)，分期開(kāi)采多用于大型規(guī)模的礦山。分期開(kāi)采方法有沿走向分期開(kāi)采和在垂直方向上沿深度分期開(kāi)采。

在該煤礦（小型露天礦）設(shè)計(jì)及前期開(kāi)采實(shí)踐中，根據(jù)礦體賦存條件，在露天境界沿走向上實(shí)行分期開(kāi)采。因礦山前期選廠推遲建設(shè)，為在礦山過(guò)渡期間進(jìn)一步降低開(kāi)采成本，使礦山早日出礦，產(chǎn)生效益，實(shí)現(xiàn)礦山滾動(dòng)發(fā)展，對(duì)首采區(qū)沿垂直方向上實(shí)施了分期開(kāi)采，取得了較好的效果。

2 該煤礦資源條件

2.1 煤層

該煤礦含煤地層為二疊系上統(tǒng)的胡碩圖組，發(fā)育B、C、D、E、F、G、H六層煤，其中B、C煤層賦存于該含煤段的中部，煤層總厚平均達(dá)30m，為礦區(qū)露天開(kāi)采的主采煤層，煤層傾角大于45°，屬于急傾斜賦存。

C煤層位于胡碩圖組上部含煤段中部。煤層頂?shù)装鍨榧?xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖。煤層厚度4.20m～135.40m，平均29.2m。煤層厚度大于3m，夾矸2～4層，結(jié)構(gòu)特殊。矸石巖性多為砂巖或泥巖，少數(shù)為炭質(zhì)泥巖，含矸率為6.29%～46.92%，平均為29.29%。該煤層厚度大，煤層自身特征明顯，為礦區(qū)穩(wěn)定、較穩(wěn)定的主要可采巨厚煤層。

B煤層位于胡碩圖組上部含煤段的中部，上距C煤層6.97m～137.58m，平均31.35m，煤層頂?shù)装宥酁榧?xì)砂巖、泥巖。煤層厚度7.60m～35.37m，平均12.80m，煤層厚度大于3m，夾矸2-4層，綜合結(jié)構(gòu)。矸石巖性多為砂巖或泥巖，含矸率6.29%～46.92%，平均29.35%。該煤層為礦區(qū)露天開(kāi)采的主要可采煤層之一，厚度變化較小，為一穩(wěn)定、較穩(wěn)定的主要開(kāi)采厚煤層。

2.2 資源量

該煤礦礦區(qū)探明煤層總資源儲(chǔ)量為10448.34萬(wàn)t，其中B級(jí)儲(chǔ)量（332）總共1053.81萬(wàn)t，占該區(qū)總資源量的10.08%；C級(jí)儲(chǔ)量（333）總3410.70萬(wàn)t，占該區(qū)總資源量的32.64%；D級(jí)儲(chǔ)量（334）總共5983.83萬(wàn)t，占該區(qū)總資源量的57.27%。其中主焦煤約為7200萬(wàn)t，瘦煤、貧瘦煤約1900萬(wàn)t。

2.3 煤質(zhì)

C層煤為低灰、低揮發(fā)份、低硫、特高熱值、強(qiáng)粘結(jié)的焦煤，露頭附近煤層氧化為貧煤及貧瘦煤，其磷、氯、砷含量較低。B層煤為低灰、低揮發(fā)份、低硫、特高熱值的瘦煤，露頭附近煤層氧化為貧煤、貧瘦煤，只有勘探區(qū)東部較少區(qū)域?yàn)榻姑?，磷、氯、砷含量較低。

3 露天開(kāi)采境界的確定

3.1 開(kāi)采條件分析

礦區(qū)為一背斜褶皺，軸部自南西到北東由近于直立到向北西倒轉(zhuǎn)，致使煤層傾向南東。背斜軸向約45°，兩翼傾角80～85°。受地形切割的影響，南西段背斜頂部已經(jīng)剝蝕，北東段背斜頂部保留較為完整。煤層中部存在露頭，煤層背斜軸出露地表，根據(jù)煤層賦存條件，淺部資源適合露天進(jìn)行開(kāi)采。

3..2 露天境界圈定

依據(jù)露天礦境界剝采比應(yīng)小于或等于經(jīng)濟(jì)剝采比的原則，選用價(jià)格法對(duì)經(jīng)濟(jì)剝采比進(jìn)行計(jì)算。按照確定的70元/t坑口成本，計(jì)算礦山支撐的最大剝采比為6m3/t，因此確定境界剝采比不大于6m3/t。據(jù)此,利用剖面法計(jì)算圈定露天開(kāi)采境界內(nèi)可采毛煤量為2106萬(wàn)t，全部剝離量為6120萬(wàn)m3，平均剝采比2.91m3/t。

4 露天境界分期開(kāi)采方案

4.1 分期開(kāi)采采區(qū)劃分

露天境界內(nèi)地形較為復(fù)雜、煤層急傾斜賦存、中間有斷層等構(gòu)造，斷裂構(gòu)造以北西向?yàn)橹黧w斷裂，北東向?yàn)榇渭?jí)斷裂。F5斷裂：北西－南東向貫穿礦區(qū)，錯(cuò)斷煤層，南西段向北、北東段向南，推測(cè)斷距約50m左右，同時(shí)，斷裂西盤(pán)向上抬升，剝蝕強(qiáng)烈。F6斷裂：為F5斷裂的次級(jí)構(gòu)造，平面上為平推斷層，斷距約10m。

這些斷裂均為后期斷裂，對(duì)煤層起到破壞作用，其中，斷層明顯將采場(chǎng)分割成東區(qū)與西區(qū)(見(jiàn)圖1)。

據(jù)此，認(rèn)為可以以中部F5斷層為界，將整體露天境界沿走向劃分為兩個(gè)采區(qū)進(jìn)行分期開(kāi)采，初步分析認(rèn)為東區(qū)煤層厚、埋藏較淺,勘探控制程度較高，可將東區(qū)作為首采區(qū)，西區(qū)作為二采區(qū)。

對(duì)劃分后的首采區(qū)、二采區(qū)境界分別進(jìn)行圈定。首采區(qū)（東區(qū)）：圈定煤量1050.89萬(wàn)t，剝離量2809.87萬(wàn)m3，剝采比2.67m3/t；二采區(qū)（西區(qū)）：圈定煤量1055.24萬(wàn)t，剝離量3310.03萬(wàn)m3，剝采比3.14 m3/t。

露天分期開(kāi)采順序?yàn)椋合乳_(kāi)采東部首采區(qū)，再開(kāi)采西部二采區(qū)，依序開(kāi)采至全礦開(kāi)采結(jié)束。首采區(qū)開(kāi)采結(jié)束后，可利用首采區(qū)采空區(qū)進(jìn)行剝巖內(nèi)排，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)排的剝離巖石約為7.31萬(wàn)m3（內(nèi)排土場(chǎng)基地穩(wěn)定，不存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)）。

4.2 分期開(kāi)采方案對(duì)比分析

（1）對(duì)比方案：為驗(yàn)證沿走向分期開(kāi)采的合理性，將露天開(kāi)采境界沿垂直方向分期開(kāi)采作為對(duì)比方案，即將整體露天境界淺部資源作為首采區(qū)，深部資源作為二采區(qū)。經(jīng)計(jì)算，淺部首采區(qū)：圈定煤量890.8萬(wàn)t，剝離量1968.67萬(wàn)m3；剝采比2.21m3/t；深部二采區(qū)：圈定煤量1215.33萬(wàn)t，剝離量4145.23萬(wàn)m3，剝采比3.42 m3/t。

（2）方案對(duì)比分析：沿垂直方向分期開(kāi)采境界剝采比較小，但境界圈定礦量較少（開(kāi)采深度160m）；同時(shí)前期開(kāi)拓溝掘進(jìn)距離長(zhǎng)，出礦慢；而且剝離巖石需全部運(yùn)至排土場(chǎng)，增加了巖石外排量；另外，境界西部區(qū)域礦體勘探控制程度低。

沿走向進(jìn)行分期開(kāi)采境界剝采比較高，但境界圈定礦量較大（開(kāi)采深度320m）；同時(shí)首采區(qū)礦體厚、勘探程度高；而且二采區(qū)開(kāi)采時(shí)部分剝巖可排至首采區(qū)采空區(qū)，減少了巖石外排量。

因此，為減少礦山初期建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，加快礦山建設(shè)進(jìn)度，并減少剝巖外排量，根據(jù)礦體賦存條件，認(rèn)為沿走向分期開(kāi)采技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上更加合理。

5 首采區(qū)分期開(kāi)采

由于資金、電力供應(yīng)等影響，礦山基建剝巖開(kāi)始初期，原計(jì)劃與礦山同步建設(shè)的洗煤廠建設(shè)推遲建設(shè)。為不影響礦山建設(shè)，擬將開(kāi)采原煤運(yùn)至500km外的洗煤廠洗選。為了給洗煤廠建設(shè)贏得時(shí)間，并保障礦山原煤開(kāi)采銷(xiāo)售過(guò)渡期間有效益，礦山只有早出煤，進(jìn)一步降低開(kāi)采成本，以滿(mǎn)足礦山過(guò)渡期需要。因此，提出對(duì)首采區(qū)露天開(kāi)采境界沿垂直方向分期開(kāi)采，以進(jìn)一步推遲前期基建剝巖高峰，降低前期原煤開(kāi)采成本。

5.1 首采區(qū)分期境界圈定

按照開(kāi)采原煤需運(yùn)至500km外的洗煤廠加工，倒推出原煤開(kāi)采可承受的開(kāi)采成本，經(jīng)分析計(jì)算得出礦山過(guò)渡期間圈定境界經(jīng)濟(jì)合理剝采比宜為2.53m3/t。

首采區(qū)分期開(kāi)采應(yīng)統(tǒng)籌考慮后續(xù)首采區(qū)擴(kuò)境延伸及二采區(qū)開(kāi)采的銜接，不影響今后露天境界整體開(kāi)采。為此，采用3Dmine境界優(yōu)化軟件進(jìn)行露天開(kāi)采（首采區(qū)、二采區(qū)）境界優(yōu)化，計(jì)算優(yōu)化境界結(jié)論為全采區(qū)露天礦底部水平為2010m時(shí)效益最佳。

采用傳統(tǒng)方法對(duì)優(yōu)化的首采區(qū)境界進(jìn)行延伸計(jì)算驗(yàn)證，首采區(qū)延伸10m后，7-7號(hào)剖面境界剝采比已超過(guò)經(jīng)濟(jì)合理剝采比，因此，首采區(qū)分期開(kāi)采境界底部標(biāo)高確定為2010m。

據(jù)此，圈定首采區(qū)上部分期開(kāi)采境界主要參數(shù)：開(kāi)采境界上部長(zhǎng)527m，寬416m，共采出煤炭446.27萬(wàn)t，剝離巖石983.26萬(wàn)m3，開(kāi)采深度160m，境界內(nèi)平均剝采比1.57m3/t，

5.2 首采區(qū)分期開(kāi)采方案分析

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，過(guò)渡期礦山首采區(qū)上部生產(chǎn)能力可達(dá)70萬(wàn)t/年，礦山基建期為1年（上部覆蓋層及風(fēng)化煤剝離計(jì)劃4個(gè)月完成），第二年達(dá)產(chǎn)，分期開(kāi)采規(guī)模可以穩(wěn)產(chǎn)5年。

首采區(qū)分期開(kāi)采進(jìn)一步降低了前期生產(chǎn)剝采比，推遲了剝離高峰，緩解了銷(xiāo)售原煤礦的成本壓力，同時(shí)礦山生產(chǎn)年限可以滿(mǎn)足過(guò)渡期時(shí)間需要，規(guī)模也可以滿(mǎn)足臨時(shí)洗煤廠的產(chǎn)能需要（臨時(shí)洗選廠規(guī)模約60萬(wàn)t/年）。因此，過(guò)渡期首采區(qū)分期開(kāi)采方案是可行的。

5.3 露天境界開(kāi)采的銜接分析

為保障后續(xù)首采區(qū)擴(kuò)境延伸及二采區(qū)開(kāi)采有序銜接，避免造成整體露天開(kāi)采相互銜接期間的采剝失調(diào)，進(jìn)行了整體礦山采剝生產(chǎn)計(jì)劃的編制，根據(jù)編制的采掘計(jì)劃進(jìn)度，應(yīng)在首采區(qū)分期開(kāi)采達(dá)產(chǎn)3年后，開(kāi)展首采區(qū)擴(kuò)境延深工作，這樣才不影響露天整體開(kāi)采境界的有序銜接。

6 結(jié)束語(yǔ)

該煤礦自開(kāi)始建設(shè)，沿煤層頂板露煤向底板推進(jìn)剝巖，經(jīng)4個(gè)月基建剝巖，揭露原煤露頭，又經(jīng)過(guò)5個(gè)月的工作面推進(jìn)，已具備投產(chǎn)條件，滿(mǎn)足過(guò)渡期礦山滾動(dòng)發(fā)展的需要，取得較好的效果。

實(shí)踐表明，根據(jù)礦體具體賦存狀態(tài)及礦山滾動(dòng)發(fā)展的降成本需要，在中小型露天礦山中，靈活運(yùn)用分期開(kāi)采也是可行的，實(shí)際實(shí)施過(guò)程中要注意把握好分期開(kāi)采境界與露天開(kāi)采整體境界的平穩(wěn)過(guò)渡銜接。