再論露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)

趙紅澤，郭錦樺，劉元旭，杜海瑞，林澤辰

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 深部巖石力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引 言

露天開采由于采出率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)成為我國近幾十年來煤礦開采優(yōu)先選擇的開采模式，在山西、內(nèi)蒙古等地相繼開發(fā)了平朔、勝利、準(zhǔn)格爾等大型露天礦區(qū)［1］。 露天煤田劃分為若干獨(dú)立露天礦開采，是提高資源高效開發(fā)的有效途徑，但大型露天煤田多露天煤礦同時(shí)開發(fā)必然面臨一系列問題，協(xié)調(diào)作業(yè)、協(xié)同規(guī)劃是解決資源配置有效手段。 將同一露天礦區(qū)礦權(quán)位置上相鄰、開采時(shí)間同步的多個(gè)露天礦稱之為露天礦群［2］。

針對(duì)露天礦群背景下，相鄰露天礦間所遇到的邊幫壓煤嚴(yán)重、排土空間不足等問題，近些年來，文獻(xiàn)［3-4］提出了“露天礦協(xié)調(diào)開采技術(shù)”、從理論層面上證明了相鄰露天礦壓幫煤協(xié)調(diào)開采的可行性；劉闖等［5-6］基于“露天礦協(xié)調(diào)開采技術(shù)”提出了“相鄰露天礦開采程序優(yōu)化方法”；曹春杰［7］提出了“露天礦群開采空間共享和時(shí)間協(xié)調(diào)”的概念并運(yùn)用鄂爾多斯地區(qū)；趙博深［2］提出了“露天礦群開發(fā)及設(shè)計(jì)理論”、對(duì)相鄰兩礦開采程序進(jìn)行了具體研究；常治國等［8］針對(duì)采剝工程不同步的相鄰露天礦，提出超前露天礦采用留溝內(nèi)排，在留溝處搭建臨時(shí)排土橋連通端幫與內(nèi)排土場開拓運(yùn)輸?shù)缆罚詼p少內(nèi)排運(yùn)距；吳多晉等［9］提出了“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案。 上述這些研究只針對(duì)露天礦群開采所涉及的采煤和排棄環(huán)節(jié)提出了解決思路和方法。 在露天礦土地復(fù)墾方面，胡振琪等［10-13］提出了“邊采邊復(fù)”，注重露天礦復(fù)墾的時(shí)效性，一邊開采一邊開展復(fù)墾工作，為露天礦開采和復(fù)墾協(xié)同作業(yè)提供了新思路；楊海春等［14］重點(diǎn)研究了“表土剝離與復(fù)墾一體化”；栗嘉彬［15］提出了“露天礦采排復(fù)一體化技術(shù)效果評(píng)價(jià)”。 但就目前來看，露天礦群在實(shí)施協(xié)調(diào)開采后，復(fù)墾模式仍然是傳統(tǒng)的單一露天礦山復(fù)墾。

因此，開展協(xié)同露天礦群采剝環(huán)節(jié)及復(fù)墾工程相互關(guān)系的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)露天礦群礦產(chǎn)資源［16］高效高采出率開采和資源協(xié)同效應(yīng)，以及地質(zhì)環(huán)境的科學(xué)保護(hù)恢復(fù)［17］都具有重要指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 技術(shù)理念、架構(gòu)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 技術(shù)理念

礦群協(xié)調(diào)開采理論是化解露天礦群生產(chǎn)環(huán)節(jié)間的矛盾，優(yōu)化資源配置而提出的一種技術(shù)手段，筆者于2017 年發(fā)表名為《露天礦群協(xié)調(diào)開采模式研究》一文中，提出了露天礦群協(xié)調(diào)開采［18］是指根據(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)。 而目前所流行的采排復(fù)一體化技術(shù)更多是協(xié)調(diào)單一露天礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)與復(fù)墾的關(guān)系，沒有從露天礦群的角度去系統(tǒng)研究。所以筆者基于已有研究，充分考慮露天礦群的特點(diǎn)，提出露天礦群采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)。

露天礦群采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)，其技術(shù)理念正是突破傳統(tǒng)模式，強(qiáng)調(diào)露天礦群開采工藝與復(fù)墾工藝間具有的協(xié)調(diào)、合作、同步的協(xié)同屬性以及產(chǎn)生的協(xié)同效果［18］，將露天礦群的開采和復(fù)墾融為一體，考慮露天礦群剝、采、排等環(huán)節(jié)與復(fù)墾工程的時(shí)-空關(guān)系，建立時(shí)間、空間和層次上的有序結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一規(guī)劃，平行作業(yè)，形成“同一個(gè)煤田或礦區(qū)內(nèi)位置相鄰、開采時(shí)間同步的多個(gè)露天礦協(xié)同開采、協(xié)調(diào)復(fù)墾”的工藝系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

按照工程具體實(shí)施的先后順序，將露天礦群采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)劃分為3 個(gè)時(shí)期，即前期、中期和后期。 每個(gè)時(shí)期研究任務(wù)不同，對(duì)應(yīng)的工作需求也不同。

前期的工作重點(diǎn)就是準(zhǔn)確掌握露天礦群的各種基本信息和屬性。 露天礦群各礦山的地質(zhì)資料、開采工藝、設(shè)備型號(hào)、邊坡角度、開采參數(shù)、開采程序、開拓運(yùn)輸系統(tǒng)、總平面布置等信息是實(shí)施協(xié)同采礦技術(shù)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。 利用收集到的資料可借助3DMine 等礦山建模軟件，準(zhǔn)確地建立起露天礦群的三維可視化模型，在此基礎(chǔ)上就可以進(jìn)一步測定礦群的排土空間，壓煤區(qū)范圍，壓幫煤儲(chǔ)量等數(shù)據(jù)，為中期、后期的礦群協(xié)同采礦和協(xié)調(diào)復(fù)墾提供有利條件。

中期工作要針對(duì)以解決露天礦群中普遍存在的壓幫煤開采、排土空間不足及相鄰邊幫維護(hù)困難等問題，通過開采程序優(yōu)化等手段為露天礦群尋找一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)、合理的協(xié)調(diào)開采方案。 并對(duì)相鄰露天礦在獨(dú)立開采和協(xié)調(diào)開采模式下的綜合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，確保礦山在生產(chǎn)和效益實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)。

圖1 礦群采排復(fù)一體化技術(shù)流程Fig.1 Technical roadmap for integration of open-pit group mining-dumping-reclaiming

針對(duì)不同的露天礦群協(xié)調(diào)開采方案，后期工作要重點(diǎn)對(duì)礦群采-排-復(fù)環(huán)節(jié)互相作用關(guān)系進(jìn)行模擬分析，針對(duì)采-排-復(fù)環(huán)節(jié)協(xié)同作業(yè)的特點(diǎn)，統(tǒng)一規(guī)劃剝、采、排環(huán)節(jié)和復(fù)墾工程，得出最優(yōu)的時(shí)-空協(xié)調(diào)次序，建立露天礦群采排復(fù)一體化時(shí)空模型，并根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況制定對(duì)應(yīng)的礦群采排復(fù)一體化技術(shù)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

露天開采最大的缺點(diǎn)就是占用和破壞土地資源，而在礦群開采模式下，礦區(qū)范圍內(nèi)內(nèi)勢必會(huì)形成多個(gè)采坑、排土場，且在開采過程中，采坑位置不斷改變，排土場面積不斷增大，土地資源破壞較露天獨(dú)立開發(fā)模式更嚴(yán)重。 根據(jù)國家政策要求：“在礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程，要確保礦山的存在、發(fā)展直至終結(jié)，始終與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)”，為控制礦群開采對(duì)土地的破壞，保持礦群與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，必須對(duì)露天礦群土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。 綜合考慮露天礦群土地利用種類、面積、占用時(shí)間等因素，選取礦群現(xiàn)狀土地利用率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。 礦群現(xiàn)狀土地利用率表示礦群在某一時(shí)間段內(nèi)某種土地利用現(xiàn)狀的情況，計(jì)算公式如下：

式中，Pn為礦群在某一時(shí)間段內(nèi)某一類土地面積占礦群總面積的比率，稱為礦群現(xiàn)狀土地利用率；Sn為礦群土地在某一時(shí)間段內(nèi)某一類土地面積，m2；S為礦群土地總面積，m2。

通過分析露天礦群開采不同時(shí)間段某一類土地現(xiàn)狀利用率，可以直觀地了解到礦群內(nèi)部某一類土地受擾動(dòng)情況，也便于以礦群土地開采擾動(dòng)最小為目標(biāo)，確定破壞土地的恢復(fù)方向并及時(shí)修復(fù)，達(dá)到礦群生態(tài)環(huán)境損傷最小化，確保采礦活動(dòng)朝著綠色、環(huán)保的方向發(fā)展。 表1 是卡布其礦群不同年份的現(xiàn)狀土地利用率。

表1 不同年份現(xiàn)狀土地利用率Table 1 Ratio of land use status in different years

由表1 中可以清晰地看出隨著資源開發(fā)，十年間卡布其礦群自然地貌的變化：礦群內(nèi)林地完全消失，草地占比大量減少，采礦用地大量增加。 究其原因，卡布其露天礦群是典型的末端治理，在礦群開采完畢之后才進(jìn)行復(fù)墾作業(yè)，開采作業(yè)和復(fù)墾工程是間斷、孤立的。 而在運(yùn)用露天礦群采排復(fù)一體化技術(shù)后，露天礦群開采和復(fù)墾工程是動(dòng)態(tài)、連續(xù)的，通過科學(xué)合理地安排礦群開采工藝與復(fù)墾工程，在保證正常采礦作業(yè)的前提下，實(shí)現(xiàn)開采破壞和土地恢復(fù)同步，保持礦群與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，達(dá)到資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)雙贏［20］。

2 面臨問題及解決策略

露天礦群采排復(fù)一體化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是礦群在協(xié)調(diào)壓幫煤開采、解決排土空間緊張問題的同時(shí)“邊采、邊排、邊復(fù)墾”。 它在實(shí)施過程中受礦群生產(chǎn)各環(huán)節(jié)［21］的影響較大，其實(shí)施的關(guān)鍵在于解決“如何開采”“如何排土”“如何復(fù)墾”及“如何協(xié)同作業(yè)”4個(gè)問題，如圖2 所示。

圖2 露天礦群采排復(fù)關(guān)系Fig.2 Relationship diagram of open-pit mine group mining-dumping-reclaiming

2.1 礦群開采

露天礦群各礦雖然在地質(zhì)條件方面相似，但受多露天礦獨(dú)立開發(fā)模式的影響，容易造成制約生產(chǎn)正常進(jìn)行、降低開發(fā)效益和設(shè)備效率等不利情況。所以要對(duì)在時(shí)空關(guān)系上不具備協(xié)調(diào)開采條件的露天礦群進(jìn)行開采程序優(yōu)化研究，打破傳統(tǒng)的礦與礦歸屬界限。 分析研究相鄰露天礦的開采條件、生產(chǎn)現(xiàn)狀、生產(chǎn)布局及空間關(guān)系的基礎(chǔ)上，以提高煤炭資源采出率、減少煤炭損失、縮短運(yùn)距、降低生產(chǎn)成本等為目標(biāo)，采取消除兩礦相鄰端幫，回收相鄰幫壓煤，貫通采場等手段實(shí)施聯(lián)合協(xié)同開采，使礦群內(nèi)露天礦整體經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.2 礦群排土

排土空間緊張是露天礦山普遍存在的問題，嚴(yán)重影響著露天礦山的生產(chǎn)成本及土地利用。 可以從露天礦群的角度綜合考慮各個(gè)露天礦的排土問題，礦群內(nèi)各礦排土場統(tǒng)一規(guī)劃，當(dāng)?shù)V群中的某個(gè)露天礦由于特殊地質(zhì)條件等客觀因素導(dǎo)致排棄空間不足或二次剝離時(shí)，考慮制定排土場共享方案，充分利用礦群范圍內(nèi)的空間資源，借助相鄰礦山無煤區(qū)、不采區(qū)或內(nèi)排土場進(jìn)行排土，如存在排土運(yùn)距變長等問題，可以根據(jù)礦群具體開采條件進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用貫通采場、排土場及搭設(shè)中間橋［22］等手段縮短運(yùn)距，降低露天礦群總體排土成本。

2.3 礦群復(fù)墾

礦群復(fù)墾不同于以往的單一露天礦復(fù)墾，礦群復(fù)墾通常涉及幾個(gè)露天礦間開采、排土及復(fù)墾工程的交叉作業(yè)，且礦群復(fù)墾工程在實(shí)施時(shí)需要大量資金投入，容易因復(fù)墾區(qū)責(zé)任主體不明確導(dǎo)致利益糾葛，此外，由于礦群各排土場排土參數(shù)不一致容易影響復(fù)墾作業(yè)的連貫性。 面對(duì)這些問題，就需要對(duì)礦群復(fù)墾環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究，站在礦群角度總體規(guī)劃，以礦群生態(tài)環(huán)節(jié)效益最優(yōu)為目標(biāo)，建立礦群復(fù)墾模型，統(tǒng)一礦群排土場參數(shù)，明確復(fù)墾區(qū)范圍，詳細(xì)制定露天礦群復(fù)墾與經(jīng)費(fèi)預(yù)算方案，并使露天礦群每個(gè)露天礦均能享受到最優(yōu)的復(fù)墾效果。

2.4 協(xié)同作業(yè)

露天礦群是一個(gè)由多個(gè)露天礦構(gòu)成的大系統(tǒng)，露天礦群采排復(fù)一體化建立在每個(gè)環(huán)節(jié)高度專業(yè)化分工和有序組織的基礎(chǔ)上。 露天礦群的各個(gè)環(huán)節(jié)彼此聯(lián)系又制約，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和工序相互不協(xié)調(diào)、不合理的矛盾會(huì)嚴(yán)重影響露天礦群正常生產(chǎn)，必須找出礦群開采、排土及復(fù)墾的關(guān)鍵協(xié)同要素［23］，強(qiáng)調(diào)整體性協(xié)同，優(yōu)化各環(huán)節(jié)的進(jìn)度關(guān)系，以期達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的協(xié)同作業(yè)目標(biāo)。

例如在采排復(fù)一體化技術(shù)實(shí)施過程中，剝離表土與復(fù)墾需土之間存在的供需平衡關(guān)系會(huì)極大地影響煤礦復(fù)墾進(jìn)度，理想狀態(tài)是年復(fù)墾所需表土量等于年表土剝離量；當(dāng)年復(fù)墾所需表土量大于年表土剝離量時(shí)，露天礦需要根據(jù)現(xiàn)狀適當(dāng)超前剝離或外購復(fù)墾土壤；當(dāng)年復(fù)墾所需表土量小于年表土剝離量時(shí)，露天礦又需要專門設(shè)置表土存放場儲(chǔ)存暫時(shí)多余的表土；而在礦群角度實(shí)施采排復(fù)一體化技術(shù)就可以優(yōu)化解決這一問題；一般情況下，由于地形地貌、開采工藝和剝離進(jìn)度的不同，露天礦群各礦的年剝離表土與復(fù)墾需土之間不是理想狀態(tài)，或多或少存在短缺或富裕，所以有必要建立礦群“剝離表土-復(fù)墾需土”調(diào)度機(jī)制。 在礦群表土調(diào)度的同時(shí)，由于各礦表土存放場位置的影響，存在表土運(yùn)距過長問題，在具體進(jìn)行復(fù)墾作業(yè)時(shí)，可以利用線性規(guī)劃，從礦群角度出發(fā)，以礦群復(fù)墾表土運(yùn)輸功總體最?。?］為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)墾表土運(yùn)距優(yōu)化。

設(shè)某階段礦群共有N1個(gè)表土存放場，每個(gè)表土存放場分為N2個(gè)區(qū)域，同時(shí)礦群待復(fù)墾區(qū)有M1個(gè)復(fù)墾平盤，每個(gè)平盤有M2個(gè)區(qū)段，礦群總體復(fù)墾表土運(yùn)輸功為W，則有：

式中，S（H，I，J，K）為第H表土存放場I區(qū)段到第J復(fù)墾平盤K區(qū)段運(yùn)距；X（H，I，J，K）為第H表土存放場I區(qū)段到第J復(fù)墾平盤K區(qū)段表土運(yùn)輸量；A（J，K）為第J表土存放場K區(qū)段的表土量，m3；B（H，J）為第H復(fù)墾平盤J區(qū)段的需土量，m3。

求出X（H，I，J，K）后，就成功進(jìn)行了礦群復(fù)墾表土運(yùn)距優(yōu)化。

3 工程實(shí)例

3.1 工程背景

溫明卡布其礦、德晟二礦、海美斯高嶺土礦三礦是烏海市卡布其礦區(qū)3 座相鄰露天礦山，3 座礦山平面圖如圖3 所示。

圖3 礦群位置示意Fig.3 Schematic diagram of mine group location

卡布其礦生產(chǎn)能力為1.2 Mt／a。 服務(wù)年限為12 a，于2019 年5 月正式投產(chǎn)，現(xiàn)處于剝離階段，尚未達(dá)產(chǎn)，處于外排階段。 開采工藝為：單斗-卡車間斷工藝。 卡布其礦整體為一個(gè)采區(qū)，首采位置在剝采比較小的境界東北部，工作線由東向西推進(jìn)。 現(xiàn)采坑面積為0.55 km2，最大采深132 m，臺(tái)階參數(shù)為臺(tái)階高度20 m，寬度40 m，邊坡角33°，采坑底部無積水?？ú计涞V有1 號(hào)、2 號(hào)2 個(gè)外排土場，均位于礦區(qū)西南部，最后排棄標(biāo)高+1 280 m。

德晟二礦生產(chǎn)能力同樣為1.2 Mt／a，剩余服務(wù)年限不足2 a，因地質(zhì)條件與卡布其礦相近，開采工藝、推進(jìn)方向、臺(tái)階參數(shù)等均與卡布其礦相同，已全部實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，外排土場在礦區(qū)正東部，現(xiàn)已復(fù)墾完畢。

海美斯礦現(xiàn)為高嶺土礦，正在辦理煤炭生產(chǎn)許可證，待手續(xù)齊全后可恢復(fù)生產(chǎn)。

3.2 礦群三維地質(zhì)建模

運(yùn)用3DMine 軟件將卡布其礦區(qū)三座礦山現(xiàn)狀圖進(jìn)行三維DTM 化處理，如圖4 所示，可以較為直觀地看出卡布其礦群采排方面存在的問題：目前卡布其礦的1，2 號(hào)外排土場已經(jīng)接近排滿，排土空間比較緊張，即將面臨排土空間不足的問題。 卡布其礦與德晟二礦現(xiàn)采場相鄰，若兩礦沿初步設(shè)計(jì)繼續(xù)獨(dú)立開發(fā)，公共邊界端幫將沿礦權(quán)界形成梯形體，壓覆公共邊界下部煤炭資源。

圖4 三座礦DTM 圖Fig.4 DTM diagram of three mines

3.3 礦群協(xié)調(diào)開采方案

分析協(xié)調(diào)開采壓幫煤是否經(jīng)濟(jì)合理是制定礦群協(xié)調(diào)開采方案的首要條件。 卡布其礦群相鄰露天礦卡布其礦和德晟二礦，煤層賦存穩(wěn)定，具有工業(yè)開采價(jià)值的煤層7 層，編號(hào)分別為9，10，14，15-2，16-1，16-2 及17-3 號(hào)煤層。 將上覆巖層平均厚度與煤層平均厚度自上而下分別命名為H1，h1，H2，h2，H3，h3，H4，h4，H5，h5，H6，h6，H7，h7，見表2，相鄰邊幫穩(wěn)定幫坡角均為33°，煤層密度1. 26 t ／m3，邊幫壓煤區(qū)長約600 m。

表2 上覆巖層及煤層平均厚度Table 2 Average thickness of coal seam and overburden

卡布其礦與德晟二礦均為多煤層露天礦。 多煤層條件下壓幫煤剝采比公式［3］為

式中，Nd為多煤層條件下壓幫煤剝采比，m3／t；Vy為開采壓幫煤需剝離巖石體積之和，m3；Vm為所有可采煤體積之和，m3。

將數(shù)據(jù)代入公式得：Nd＝12.28 m3／t。

設(shè)壓幫煤量為Y，通過3DMine 軟件構(gòu)建邊幫壓煤區(qū)塊體模型，模擬計(jì)算得：Y＝0.57 Mt。

由兩礦設(shè)計(jì)資料得知，卡布其礦區(qū)平均剝采比為21.52 m3／t，對(duì)比可見，卡布其礦與德晟二礦開采壓幫煤經(jīng)濟(jì)合理，相鄰邊幫壓幫煤量大，制定礦群協(xié)調(diào)開采方案，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

通過三座礦現(xiàn)狀DTM 圖，可看出目前在礦權(quán)界處卡布其礦開采位置超前于德晟二礦，結(jié)合兩礦生產(chǎn)能力及年推進(jìn)速度，若繼續(xù)按現(xiàn)有開采方案推進(jìn)，卡布其礦將先于德晟二礦暴露相鄰邊幫，易造成重復(fù)剝離，不利于礦群協(xié)調(diào)開采。

卡布其礦尚未達(dá)產(chǎn)，內(nèi)排空間不足，利用3DMine 軟件分析計(jì)算卡布其礦近期（2021—2023年）的內(nèi)排空間與剝離量，發(fā)現(xiàn)內(nèi)排容量小于階段剝離量，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 內(nèi)排空間與階段剝離量對(duì)比Table 3 Comparison of inner dump space and amount of stage stripping

針對(duì)卡布其礦與德晟二礦邊幫壓煤及卡布其礦排土有空間不足問題，提出以下方案：

1）協(xié)調(diào)兩礦在礦權(quán)界處采剝工程進(jìn)度。 目前卡布其礦與德晟二礦推進(jìn)方向相同，由東向西推進(jìn)，卡布其礦采剝工程位置超前于德晟二礦，所以需協(xié)調(diào)德晟二礦改變生產(chǎn)計(jì)劃，以達(dá)到兩礦同步推進(jìn)的目標(biāo)，平行布置工作線，讓兩礦逐步協(xié)同暴露相鄰幫，為貫通兩礦采場提供條件，以便于后期回采壓幫煤。 貫通采場后，兩礦剝采排工程位置示意，如圖5 所示。

圖5 兩礦工程位置示意Fig.5 Schematic diagram of the two mines engineering location

2）共享排土場。 卡布其礦與德晟二礦消除兩礦相鄰邊幫后，為排土場的貫通創(chuàng)造了條件。 排土場貫通后，卡布其礦可借助德晟二礦與海美斯礦內(nèi)排土場空間進(jìn)行外排，以解決卡布其礦目前排土空間不足的問題，待德晟二礦開采完畢，后續(xù)可用卡布其礦及海美斯礦剝離物對(duì)其進(jìn)行回填，統(tǒng)一相鄰露天礦間的排土參數(shù)，形成大面積的排土場。 經(jīng)過優(yōu)化后，礦群排土結(jié)果見表4。

表4 礦群排土優(yōu)化結(jié)果Table 4 Dumping optimization results in mine group

3.4 礦群采排復(fù)一體化方案

卡布其礦群露天礦在解決協(xié)調(diào)開采問題后，仍缺乏對(duì)土地復(fù)墾和采排工程的統(tǒng)一規(guī)劃，目前復(fù)墾觀念和復(fù)墾技術(shù)還較落后，沒有考慮到復(fù)墾的時(shí)效性，不符合綠色礦山的要求，經(jīng)濟(jì)上也不合理。 所以要制定剝采—排土—復(fù)墾一體化方案，建立模型。 卡布其礦區(qū)復(fù)墾的最終部署如圖6所示。

圖6 復(fù)墾最終部署Fig.6 Final reclamation deployment diagram

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，卡布其礦群在實(shí)行協(xié)調(diào)開采后，礦群整體已有內(nèi)排條件，可以制定分期開采-內(nèi)排-復(fù)墾一體化方案，該方案是將卡布其礦群整體分為3 個(gè)區(qū)段，以現(xiàn)狀條件下可以進(jìn)行復(fù)墾作業(yè)的德晟二礦與海美斯礦外排土場為一區(qū)段，以德晟二礦與海美斯礦采場、內(nèi)排土場及卡布其礦現(xiàn)狀采坑為二區(qū)段，在某一時(shí)期內(nèi)針對(duì)某一區(qū)段強(qiáng)化開采，在本區(qū)段采礦完畢時(shí)，才進(jìn)行下一區(qū)段的采礦作業(yè)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)剝采，順序回填。

卡布其分期開采-內(nèi)排-復(fù)墾一體化模型如圖7所示，現(xiàn)狀條件下，卡布其礦群一區(qū)段已經(jīng)具備復(fù)墾條件，可以進(jìn)行復(fù)墾作業(yè)。 具體工藝流程為：①對(duì)一區(qū)段海美斯外排土場和德晟二礦外排土場進(jìn)行復(fù)墾，協(xié)調(diào)卡布其礦與德晟二礦采剝工程，集中開采第2 區(qū)段，將剝離表土存放于表土存放場，并可將其剝離的廢巖堆存于德晟二礦與海美斯礦內(nèi)排土場（圖7a）。 ②第3 區(qū)段開始剝離作業(yè)，隨著第2 區(qū)段開采結(jié)束，進(jìn)入第3 區(qū)段的開采，這時(shí)卡布其礦已有內(nèi)排條件，可將第3 區(qū)段的剝離物回填到第2 區(qū)段卡布其礦內(nèi)排土場；第1 區(qū)段進(jìn)行為期3a 的監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)工作（圖7b）。 ③開采第3 區(qū)段，待第2 區(qū)段排土場回填到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，開始利用剝離表土進(jìn)行覆土、平整、復(fù)墾作業(yè)（圖7c）。 ④第3 區(qū)段開采完畢，開始進(jìn)行復(fù)墾，第2 區(qū)段進(jìn)行為期3 a 的養(yǎng)護(hù)工作（圖7d）。

圖7 采-排-復(fù)一體化模型Fig.7 Integrated model of mining-dumping-reclaiming

3.5 綜合經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)比露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)實(shí)施方案和三礦獨(dú)立開采方案，實(shí)施協(xié)同采礦實(shí)施方案后，兩礦采剝工程同步推進(jìn)，可順利回采0. 57 Mt 壓幫煤，壓幫煤剝采比為12.28，避免了兩礦獨(dú)立開采壓幫煤造成的重復(fù)剝離量，也降低了礦群開采的剝采比，按照兩礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2 Mt／a來計(jì)算，可延長兩礦生產(chǎn)服務(wù)年限0.25 a。 同時(shí)消除相鄰邊幫后，貫通采場，可以共享排土空間，優(yōu)化排土場形態(tài)，減少卡布其礦355.73 萬m3外排量，減少外剝離物外排占地約0.04 km2。

在定量指標(biāo)之外選取6 個(gè)定性指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析與比較，見表5。

表5 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Table 5 Comparison of economic benefits

可以看出在礦群協(xié)調(diào)開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)實(shí)施下，卡布其礦群綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論與展望

1）針對(duì)目前露天礦群采剝工程與復(fù)墾工程嚴(yán)重脫節(jié)的問題，在露天礦群開采技術(shù)理論的基礎(chǔ)上提出露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)，詳細(xì)闡述其技術(shù)理念、技術(shù)架構(gòu)及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行了實(shí)施問題和對(duì)策分析。

2）采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于礦群范圍內(nèi)統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)相鄰露天礦之間剝離、開采、排土、復(fù)墾工程，合理安排工序，達(dá)到露天礦群煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合效益最大化。

3）實(shí)例研究證明了卡布其露天礦群在運(yùn)用了礦群采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)后，可多采出0.57 Mt壓幫煤、降低剝采比、增加大量內(nèi)排空間、減少外排占地、提高復(fù)墾效果、降低復(fù)墾成本，縮短復(fù)墾周期，取得了顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

4）但就目前來看，由于礦權(quán)政策的限制，對(duì)露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)在礦權(quán)不一致的露天礦群應(yīng)用還存在一些政策方面的限制。根據(jù)《礦產(chǎn)資源法》規(guī)定，任何單位和個(gè)人不得進(jìn)入他人依法設(shè)立的國有礦山企業(yè)和其他礦山企業(yè)礦區(qū)范圍采礦。 因此，目前的研究更多的還是針對(duì)礦群資源開發(fā)與土地復(fù)墾方案所提出一些技術(shù)措施，在實(shí)施露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)的同時(shí)，還需要綜合考慮如何解決因礦權(quán)政策而導(dǎo)致無法開展露天礦群開采-采排復(fù)一體化協(xié)同采礦技術(shù)實(shí)施的問題，這也是未來需要進(jìn)一步研究的方向。