平朔東露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式研究

邵 賓，許 昌，孫 寬，趙登娟

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

由于露天礦礦權(quán)界內(nèi)開采范圍較大，在開采過程中常常將礦權(quán)界內(nèi)的范圍劃分為多個(gè)采區(qū)，目前露天礦采區(qū)之間轉(zhuǎn)向方式通常分為直角轉(zhuǎn)向與扇形轉(zhuǎn)向。很多學(xué)者已對二者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)研究，但由于每個(gè)露天礦實(shí)際地質(zhì)條件與生產(chǎn)狀況不盡相同，進(jìn)而采取的轉(zhuǎn)向方式也不相同[1-4]。為此，根據(jù)平朔東露天礦的實(shí)際條件建立模型，模擬直角轉(zhuǎn)向與扇形轉(zhuǎn)向，模擬得出具體生產(chǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)合各轉(zhuǎn)向方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定合理的轉(zhuǎn)向方式，從而提前做好采區(qū)轉(zhuǎn)向的前期準(zhǔn)備工作。

1 平朔東露天礦采區(qū)現(xiàn)狀

平朔東露天礦分為5 個(gè)采區(qū)，首采區(qū)方向與二采區(qū)方向垂直，二、三采區(qū)方向平行，首采區(qū)位于二、三采區(qū)與四、五采區(qū)中部，四、五采區(qū)方向平行。東露天礦目前處于首采區(qū)開采，首采區(qū)工作線由東向西推進(jìn)，二采區(qū)位于首采區(qū)西部正北方，轉(zhuǎn)向進(jìn)入二采區(qū)后工作線由南向北推進(jìn)，因此首采區(qū)進(jìn)入二采區(qū)工作線需要旋轉(zhuǎn)90°。目前首采區(qū)地表位置至西礦權(quán)界距離為647 m，4＃煤工作線已開采至二采區(qū)東邊界位置，最下部11＃煤工作線距二采區(qū)東邊界11＃煤400 m，東露天礦工作線年平均推進(jìn)350 m，即將面臨首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向的問題。

東露天礦首采區(qū)地表寬度2 000 m，二采區(qū)地表寬度2 780 m，工作幫由首采區(qū)進(jìn)入二采區(qū)后工作線長度增加了780 m，勢必造成內(nèi)排土場容積無法滿足生產(chǎn)排棄需求。過渡轉(zhuǎn)向期間有可能存在的工作線長度變化與土場容積不足等問題，需提前研究確定轉(zhuǎn)向方式，提早發(fā)現(xiàn)存在的問題，調(diào)整開采參數(shù)，做好采區(qū)轉(zhuǎn)向前期準(zhǔn)備工作。

2 東露天礦轉(zhuǎn)向方式研究

2.1 直角轉(zhuǎn)向

直角轉(zhuǎn)向是指露天礦采區(qū)工作線沿著此采區(qū)方向水平推進(jìn)，當(dāng)工作線到達(dá)此采區(qū)最終開采界線后，到達(dá)的工作線進(jìn)入下一采區(qū)沿下一采區(qū)方向水平推進(jìn)。直角轉(zhuǎn)向時(shí)工作線長度在固定采區(qū)內(nèi)一般保持不變，推進(jìn)度均衡，有利于設(shè)備能力平穩(wěn)發(fā)揮，但當(dāng)生產(chǎn)采區(qū)最下部煤線進(jìn)入下一采區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，為了避免二次剝離，之后內(nèi)排土場跟進(jìn)需要在下一采區(qū)一側(cè)留溝排棄，造成了內(nèi)排土場部分容積暫時(shí)無法利用[5-7]。露天礦采區(qū)間直角轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)排土場留溝示意圖如圖1。

圖1 露天礦采區(qū)間直角轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)排土場留溝示意圖

依據(jù)直角轉(zhuǎn)向方式，建立東露天礦生產(chǎn)模型，模擬直角轉(zhuǎn)向過程。截止到目前，東露天礦首采區(qū)全部完成轉(zhuǎn)向（最下部的11＃煤線剛好轉(zhuǎn)至二采區(qū)開采）時(shí)，共需開采的煤量為16 675 萬t，內(nèi)排土場容積為61 677 萬m3（松散系數(shù)按1.15 計(jì)算，內(nèi)排土場平盤寬度50 m）。如工作線剛好全部進(jìn)入二采區(qū)時(shí)，1 350 m 水平以上平盤寬度為60 m，1 350 m 水平及以下剝離平盤寬度為90 m，煤平盤寬度100 m時(shí)，總共剝離量為95 872 萬m3，內(nèi)排土場容積欠量為34 195 萬m3。為了降低轉(zhuǎn)向期間的剝離量，當(dāng)工作線剛好全部進(jìn)入二采區(qū)時(shí)，將4＃煤以上平盤寬度都調(diào)整為60 m 時(shí)，總剝離量為88 298 萬m3，此時(shí)內(nèi)排土場容積欠量為26 621 萬m3。由以上數(shù)據(jù)分析得知，由于直角轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)排土場在二采區(qū)一側(cè)留溝，導(dǎo)致內(nèi)排容積嚴(yán)重欠缺，將導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)。

2.2 扇形轉(zhuǎn)向

扇形轉(zhuǎn)向是指當(dāng)生產(chǎn)采區(qū)最下部煤線開采至下一采區(qū)最下部煤線位置時(shí)，工作線將以某點(diǎn)為圓心，生產(chǎn)采區(qū)工作線弧形旋轉(zhuǎn)進(jìn)入下一采區(qū)開采。扇形轉(zhuǎn)向避免了直角轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)排土場留溝造成暫時(shí)內(nèi)排土場部分容積無法利用的缺陷，但扇形轉(zhuǎn)向過程中由開始旋轉(zhuǎn)到完成轉(zhuǎn)向，工作線長度隨著工作面向前推進(jìn)，先增加后減小。工作線長度的改變導(dǎo)致扇形轉(zhuǎn)向時(shí)，每個(gè)階段的推進(jìn)度不一致，而且實(shí)際生產(chǎn)操作要求嚴(yán)格[8-11]。露天礦采區(qū)間扇形轉(zhuǎn)向過程示意圖如圖2。

圖2 露天礦采區(qū)間扇形轉(zhuǎn)向過程示意圖

依據(jù)扇形轉(zhuǎn)向方式，建立東露天礦生產(chǎn)模型，模擬扇形轉(zhuǎn)向過程。截至2021 年末，東露天礦首采區(qū)全部完成轉(zhuǎn)向（最下部的11＃煤層剛好轉(zhuǎn)至二采區(qū)開采）時(shí)，共需開采煤量18 788 萬t，當(dāng)松散系數(shù)按1.15 計(jì)算，內(nèi)排土場平盤寬度60 m 時(shí)，內(nèi)排土場容積為97 904 萬m3。如工作線剛好全部進(jìn)入二采區(qū)時(shí)，1 350 m 水平以上平盤寬度60 m，1 350 m 水平及以下剝離平盤寬度90 m，煤平盤寬度100 m 時(shí)，總共剝離量為111 972 萬m3，在此開采參數(shù)條件下，內(nèi)排土場容積欠量14 068 萬m3。為了盡早實(shí)現(xiàn)物料內(nèi)排，當(dāng)工作線剛好全部進(jìn)入二采區(qū)時(shí)，將4＃煤以上平盤寬度都調(diào)整為60 m 時(shí)，剝離量共計(jì)104 567萬m3，當(dāng)內(nèi)排土場平盤寬度調(diào)整為50 m 時(shí)，內(nèi)排土場容積為101 043 萬m3，此時(shí)內(nèi)排土場容積欠量為3 524 萬m3。

2.3 轉(zhuǎn)向方式對比

通過建立東露天礦模型，模擬直角轉(zhuǎn)向與扇形轉(zhuǎn)向的動(dòng)態(tài)過程，煤平盤寬度都為100 m。直角轉(zhuǎn)向內(nèi)排土場容積欠量范圍為26 621～34 195 萬m3，扇形轉(zhuǎn)向內(nèi)排土場容積欠量范圍為3 524～10 929 萬m3，雖扇形轉(zhuǎn)向無法保證物料全部內(nèi)排，但當(dāng)采場與內(nèi)排土場生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整得當(dāng)時(shí)，可有效解決內(nèi)排土場排土空間不足問題，土場容積欠量較少，鑒于此情況，東露天礦轉(zhuǎn)向應(yīng)采取扇形轉(zhuǎn)向。由于內(nèi)排土場平盤寬度為50 m 時(shí)，整體內(nèi)排土場坡面角為19°，為緩和內(nèi)排土場排土壓力與提升內(nèi)排土場邊坡安全性，需設(shè)立外排土場，外排量約為5 000 萬m3。

3 扇形轉(zhuǎn)向研究

3.1 外排節(jié)點(diǎn)

通過模擬轉(zhuǎn)向過程，確立了扇形轉(zhuǎn)向方式更適合東露天礦生產(chǎn)實(shí)際情況。由于東露天礦原煤運(yùn)輸系統(tǒng)為電鏟-卡車-巷道帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝系統(tǒng)，2 臺原煤運(yùn)輸系統(tǒng)的破碎站分別布置于礦坑內(nèi)南部4＃煤底板與9＃煤底板，當(dāng)東露天礦采取扇形轉(zhuǎn)向時(shí)，南部工作線推進(jìn)速度快，破碎站的移設(shè)將影響內(nèi)排土場跟進(jìn)，進(jìn)而影響內(nèi)排土場容積。

在模擬扇形轉(zhuǎn)向過程中，由于內(nèi)排土場排土空間不足，需要設(shè)立外排土場，外排土場設(shè)立的時(shí)間節(jié)點(diǎn)需要依據(jù)近幾年的生產(chǎn)計(jì)劃與礦坑實(shí)際生產(chǎn)情況而定。2022 年計(jì)劃剝離量13 000 萬m3，內(nèi)排容量15 000 萬m3；2023 年計(jì)劃剝離量14 500 萬m3，內(nèi)排容量12 000 萬m3；2024 年計(jì)劃剝離量14 500 萬m3，內(nèi)排容量15 000 萬m3。

2023 年內(nèi)排土場容積不足是由于礦坑對原煤運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行改造，將礦坑內(nèi)南部的巷道帶式輸送機(jī)改為北部地面帶式輸送機(jī)。改造期間，礦坑內(nèi)的破碎站移設(shè)至計(jì)劃位置后不再隨礦坑推進(jìn)而移設(shè)，直至地面帶式輸送機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行而廢除，地面帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)預(yù)計(jì)2023 年年底可運(yùn)行，這導(dǎo)致了破碎站廢除時(shí)間較礦坑推進(jìn)滯后，嚴(yán)重影響內(nèi)排土場南部容積，再者，地面帶式輸送機(jī)破碎站將布置于北端幫1320 平盤，需在北端幫1 320～1 420 m 水平平盤預(yù)留1 條布置帶式輸送機(jī)的溝，將影響內(nèi)排土場北部上部平盤容積。

東露天礦2023 年實(shí)施部分物料外排，外排土場設(shè)立于首采區(qū)西邊界的南部（北嶺礦礦權(quán)界內(nèi)），采場上部物料外排運(yùn)距較近。

3.2 剝采比

轉(zhuǎn)向期間剝離量的確定應(yīng)根據(jù)采場最大與最小剝離量和土場最大與最小容量的交集而定，再結(jié)合轉(zhuǎn)向期間的煤量來確定剝采比范圍[12-14]，剝采比確定公式為：

式中：n 為剝采比，m3/t；P 為剝離量，萬m3，Pmax為采場剝離量最小值與土場容積最小值兩者中的較大值，Pmin為采場剝離量最大值與土場容積最大值兩者中的較小值；V 為煤量，萬t。

采取扇形轉(zhuǎn)向時(shí)，從目前至轉(zhuǎn)向全部完成，需要開采煤量18 788 萬t，剝離量為104 567～111 972萬m3，土場容積為102 904～106 043 萬m3（包括外排土場5 000 萬m3），土場容積范圍恰好位于剝離量區(qū)間內(nèi)，因此為了同時(shí)滿足采場與土場生產(chǎn)參數(shù)要求，按土場容積量確定采場剝離量，轉(zhuǎn)向期間的剝采比確定為5.48～5.64 m3/t。

4 結(jié)語

1）通過建立平朔東露天礦生產(chǎn)模型，模擬直角轉(zhuǎn)向與扇形轉(zhuǎn)向，模擬結(jié)果顯示直角轉(zhuǎn)向內(nèi)排土場容積欠量為26 621 萬m3，扇形轉(zhuǎn)向內(nèi)排土場容積欠量為3 524 萬m3，故提出東露天礦應(yīng)采取扇形轉(zhuǎn)向，為了緩解土場壓力，還需設(shè)立外排土場排棄量約為5 000 萬m3。

2）通過分階段對東露天礦近幾年生產(chǎn)情況分析，內(nèi)排土場受礦坑南部巷道帶式輸送機(jī)破碎站與北部地面帶式輸送機(jī)移設(shè)影響，2023 年內(nèi)排土場容積將不足，因此2023 年需設(shè)立外排土場，外排土場設(shè)立于北嶺礦礦權(quán)界內(nèi)。

3）通過分析采場剝離量與土場容積在轉(zhuǎn)向完成后各自的最大值與最小值，取二者的交集來確定轉(zhuǎn)向期間的剝離量，再結(jié)合轉(zhuǎn)向期間的煤量，得出轉(zhuǎn)向期間合理剝采比范圍為5.48～5.64 m3/t。