紅沙泉露天煤礦首采區(qū)轉(zhuǎn)向研究

張子光，韓 勇，白繼元

（國家能源集團(tuán)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(nèi)排運(yùn)距，一般大型露天煤礦都采用分區(qū)開采方式，然而分區(qū)開采必然面臨采區(qū)過渡接續(xù)的問題，其中采區(qū)工作線長度、采區(qū)轉(zhuǎn)向方法以及采區(qū)轉(zhuǎn)向期間排土方案等是影響露天礦年生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)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(shí)際開采面臨東部即將到界，不能保證內(nèi)外排空間的接續(xù)，采場東幫坑底工作線長度僅為600 m，不能保證8 Mt/a 生產(chǎn)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(chǎn)能力、煤層厚度、煤層回采率、平均密度及推進(jìn)度的關(guān)系，確定出技術(shù)上可行的工作線長度；考慮剝離運(yùn)距、剝離成本與工作線長度關(guān)系，確定經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)向方案。結(jié)合紅沙泉露天煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況比較并分析壓幫內(nèi)排方式，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)模型計算出合理內(nèi)排壓幫高度。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用表明，提出的方法有效提高了礦山生產(chǎn)能力，對保證礦山生產(chǎn)接續(xù)和降低生產(chǎn)成本具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)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(yè)主要以水平方向的推進(jìn)為主，目前坑底工作線長度僅為600 m，繼續(xù)推進(jìn)不能保證8 Mt/a 生產(chǎn)能力及生產(chǎn)剝采比的均衡，需重新確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的工作線長度。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、市場變化和采礦技術(shù)的調(diào)整，對露天礦工作線長度進(jìn)行了規(guī)劃和調(diào)整。同時，在優(yōu)化工作線長度時，應(yīng)考慮到社會效益和經(jīng)濟(jì)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(shù)可行的工作線長度

紅沙泉露天礦首采區(qū)內(nèi)主要有2 個煤層，從上到下分別為B2′煤、B1 煤。根據(jù)礦山生產(chǎn)能力、推進(jìn)度、煤層平均厚度、煤的密度，可以確定技術(shù)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(chǎn)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(jìn)速度，m/a。

得出的Lg為生產(chǎn)能力擴(kuò)大后技術(shù)上可行的工作線長度，計算結(jié)果優(yōu)于根據(jù)煤層厚度和端幫角度計算的采煤工作線長度。

根據(jù)紅沙泉露天礦地質(zhì)資料分析可得，紅沙泉露天礦首采區(qū)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(dāng)露天礦生產(chǎn)能力設(shè)計為10 Mt/a 時，對應(yīng)的技術(shù)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(jìn)度對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 工作線長度與推進(jìn)度對應(yīng)關(guān)系

1.2 經(jīng)濟(jì)合理的工作線長度

露天煤礦的生產(chǎn)成本主要是剝離成本，主要包括采礦、爆破、運(yùn)煤和剝離成本。在內(nèi)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(yīng)增加[1-3]；另一方面，工作線長度越短，內(nèi)排運(yùn)輸距離越小，運(yùn)輸成本越小。這2 個因素存在相互矛盾關(guān)系，需要進(jìn)行對比均衡。使工作線長度達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的要求，應(yīng)考慮最低的剝離成本。計算方法如下：

式中：C 為推進(jìn)1 m 時的總剝離費(fèi)用，元；Q 為推進(jìn)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(jīng)濟(jì)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(guān)系如圖2。

圖2 工作線長度與剝離成本關(guān)系圖

1.3 工作線長度與平均剝采比的關(guān)系

從經(jīng)濟(jì)上考慮，合理的工作線長度應(yīng)是剝離費(fèi)用較低的工作線長度，即噸煤剝離成本較小。也就是當(dāng)首采區(qū)向南推進(jìn)平均剝采比較小時對應(yīng)的工作線長度為經(jīng)濟(jì)合理的工作線長度[4-5]。為了清晰的表達(dá)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(shè)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(shè)如圖3。

圖3 工作線方案布設(shè)

根據(jù)采剝工程方案模擬結(jié)果，得到不同工作線長度下首采區(qū)向南推進(jìn)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(jù)上述計算分析可以確定礦山計劃產(chǎn)量為10 Mt/a 時，技術(shù)可行的工作線長度為1 300～1 700 m，經(jīng)濟(jì)合理的工作線長度為1 508 m，結(jié)合不同工作線長度與平均剝采比的關(guān)系?？紤]技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理等因子，確定轉(zhuǎn)向之后工作線長度為1 500 m。

2 采區(qū)劃分

采區(qū)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(qū)，整個礦區(qū)分為5 個采區(qū)。一采區(qū)位于礦區(qū)西北部，延煤層傾向劃分；二采區(qū)位于礦田北部，延北部礦權(quán)界向東劃分，三采區(qū)位于礦田中部，基本延煤層傾向劃分；四采區(qū)位于礦田西南部，巖煤層走向劃分，五采區(qū)位于煤田東部，延煤層走向劃分[6]。采區(qū)劃分及開采順序示意圖如圖5。

圖5 采區(qū)劃分及開采順序示意圖

開采方案中，為了減少排土運(yùn)距，降低采礦成本，會在當(dāng)前生產(chǎn)采區(qū)揭露最下層煤底板后開始內(nèi)排，由于向東扇形轉(zhuǎn)向方案的內(nèi)部排土場空間相對較小，所以需要壓幫內(nèi)排來盡可能地利用內(nèi)排土場空間[7-8]。根據(jù)內(nèi)排壓幫高度，壓幫方案分為全壓幫內(nèi)排、留溝壓幫內(nèi)排及全留溝內(nèi)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(nèi)排指不進(jìn)行壓幫內(nèi)排，即壓幫高度為0 m。

3 內(nèi)排壓幫高度優(yōu)化

3.1 內(nèi)排壓幫量的確定

2019—2031 年紅沙泉露天礦首采區(qū)排棄及壓幫量見表2。

表2 2019—2031 年紅沙泉露天礦首采區(qū)排棄及壓幫量

經(jīng)分析計算，紅沙泉露天礦2019—2031 年首采區(qū)排棄量為38 437.88 萬m3，外排量4 415 萬m3，內(nèi)排量34 026.88 萬m3，壓幫量8 598.18 萬m3。

根據(jù)已確定的采區(qū)劃分，即首采區(qū)采剝工程完成后，進(jìn)入二采區(qū)，二采區(qū)經(jīng)轉(zhuǎn)向進(jìn)入三采區(qū)，隨著三采區(qū)采剝工程位置的推進(jìn)，將進(jìn)行首采區(qū)壓幫量的二次剝離，首采區(qū)壓幫二次剝離工程位置平面圖如圖6。

圖6 首采區(qū)壓幫二次剝離工程位置平面圖

3.2 內(nèi)排壓幫高度優(yōu)化模型

根據(jù)留溝壓幫內(nèi)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(fèi)用C1為：

排土征地及剝離物料外排增加的費(fèi)用C2為：

式中：H 為露天礦開采深度，m；△H 為留溝深度，m；?為實(shí)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(jìn)度，m/a；A為單位剝離費(fèi)用，元/m3；B 為排土征地及剝離物料外排增加的單位費(fèi)用，元/m3。

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

通過簡化計算，得到剝離巖石物料單環(huán)運(yùn)輸比雙環(huán)運(yùn)輸增加費(fèi)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(yùn)輸單位費(fèi)用，元/（t·km）

式中：J 為采用留溝內(nèi)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(guān)于 留溝深度△H 的三次函數(shù)，即：

式中：I1、I2、I3為常數(shù)項。

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

表3 紅沙泉露天礦各項參數(shù)指標(biāo)取值

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

4 結(jié)語

1）根據(jù)年生產(chǎn)能力、推進(jìn)程度、煤層平均厚度和煤體密度，確定紅沙泉露天礦技術(shù)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(chǎn)能力相互制約的關(guān)系，確定1 508 m 為經(jīng)濟(jì)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(yōu)工作線長度。

3）在向東扇形轉(zhuǎn)向的開采方案中，根據(jù)紅沙泉露天礦實(shí)際生產(chǎn)條件確定了了端幫水平留溝內(nèi)排方案，建立了端幫水平留溝方案數(shù)學(xué)模型，并通過計算首采區(qū)壓幫量及三采區(qū)壓幫的二次剝離量，結(jié)合紅沙泉露天礦首采區(qū)的實(shí)際情況，得出最佳壓幫高度為36 m。