伊敏露天礦排土空間優(yōu)化研究

胡鵬飛,袁金祥

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 伊敏露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

露天煤礦的生產(chǎn)過(guò)程，伴隨著大量剝離物的產(chǎn)生，這些松散的表土與巖石通過(guò)運(yùn)輸至特定區(qū)域建設(shè)成為排土場(chǎng)[1]，而對(duì)于露天礦，排土空間的接續(xù)問(wèn)題是非常重要的，它直接影響露天礦的生產(chǎn)是否能夠正常接續(xù)。但是對(duì)伊敏露天礦采掘近水平煤層的露天礦來(lái)說(shuō)，在滿足排土空間的條件下，盡早實(shí)現(xiàn)內(nèi)排、盡可能地增大內(nèi)排量，是露天礦減少外排量和提高經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)環(huán)境效益的重要途徑[2]，所以伊敏露天礦除2 次產(chǎn)能核增外，沒有使用外排土場(chǎng)。但是在2020 年產(chǎn)能核增至2 700 萬(wàn)t/a 后，伊敏露天礦內(nèi)排空間緊張問(wèn)題顯現(xiàn)，2021 年的剝離強(qiáng)度增加，凸顯了該問(wèn)題，所以2021 年，為保證排土空間接續(xù)，伊敏露天礦再次啟用了外排土場(chǎng)。但是相比于內(nèi)排土場(chǎng)，運(yùn)輸距離增加，由于運(yùn)輸排土費(fèi)用占剝離費(fèi)用的50%[3]，導(dǎo)致成本大幅上升。同時(shí)根據(jù)相關(guān)政策，2022 年開始，剝離外排在政策上將出現(xiàn)較大困難。那么如何在滿足排土空間接續(xù)的條件下，減少外排甚至不外排，降低生產(chǎn)成本，已成為伊敏露天礦必須解決的問(wèn)題。根據(jù)伊敏露天礦未來(lái)的地質(zhì)條件，單純依靠采掘方式調(diào)整，降低剝離強(qiáng)度已經(jīng)無(wú)法解決問(wèn)題，必須從采掘環(huán)節(jié)的調(diào)整工作線降低剝離強(qiáng)度、運(yùn)輸環(huán)節(jié)的線路優(yōu)化減少空間占用以及排土環(huán)節(jié)的擴(kuò)容等多個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，才能徹底解決問(wèn)題。

1 內(nèi)排空間不足原因

根據(jù)相關(guān)研究，快速釋放與充分利用內(nèi)排空間是露天礦實(shí)現(xiàn)安全、降本、增效、綠色開采的重要途徑[4]，所以伊敏露天礦在生產(chǎn)過(guò)程中，始終盡最大可能減少外排。在核增產(chǎn)能至2 700 萬(wàn)t/a 后，為了最大限度使用內(nèi)排土場(chǎng)，僅經(jīng)過(guò)1 年過(guò)渡，外排1 500萬(wàn)m3后，就再次實(shí)現(xiàn)剝離全部?jī)?nèi)排。這就導(dǎo)致了采掘、排土平盤關(guān)系在產(chǎn)能增加后沒有實(shí)現(xiàn)均衡，導(dǎo)致內(nèi)排空間較為緊張。同時(shí)還存在下述各方面的原因，進(jìn)一步加劇了排土空間緊張。

1）煤層底板揭露受限，排土空間釋放晚于預(yù)期。一方面，伊敏露天礦進(jìn)入三采區(qū)后，受到地質(zhì)條件影響，煤層裂隙不發(fā)育且含水，導(dǎo)致底板煤炭采掘回收效率低，底板揭露晚于預(yù)期；另一方面，伊敏地區(qū)5月份就開始出現(xiàn)了連續(xù)、頻繁的降雨，較往年提前了1 個(gè)月，且持續(xù)到9 月中旬。連續(xù)的降雨，讓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生了大量雨水，全部通過(guò)引水通道匯流至底板超降防洪系統(tǒng)，底板水降深受限，進(jìn)一步限制了底板揭露速度。2 個(gè)方面原因共同導(dǎo)致底板揭露進(jìn)度晚于預(yù)期，排土空間未能得到及時(shí)釋放。

2）雨季提前且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，剝離產(chǎn)量不均衡。伊敏露天礦由于物料性質(zhì)原因，在雨雪天氣，運(yùn)輸?shù)缆窛窕脑驅(qū)⑴R時(shí)停產(chǎn)。2021 年長(zhǎng)時(shí)間的降雨，導(dǎo)致停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，5—9 月份剝離欠量嚴(yán)重。在10 月份開始，為完成年度產(chǎn)量，現(xiàn)場(chǎng)剝離設(shè)備增加，剝離量出現(xiàn)激增。而在雨季，排土空間釋放受限，導(dǎo)致雨季過(guò)后，排土空間更加緊張。

3）運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜，占據(jù)大量排土空間。伊敏露天礦擁有連續(xù)系統(tǒng)、半連續(xù)系統(tǒng)以及單斗卡車工藝，同時(shí)存在外委剝離單位，這就導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)單元多。各個(gè)生產(chǎn)單元需要進(jìn)行分區(qū)隔離作業(yè)，不能存在交叉。這就導(dǎo)致了每個(gè)生產(chǎn)單元從采場(chǎng)到排土場(chǎng)均有運(yùn)輸系統(tǒng)，排土場(chǎng)聯(lián)絡(luò)坡道過(guò)多，運(yùn)輸線路占據(jù)排土空間。與此同時(shí)，露天礦位于內(nèi)排土場(chǎng)東幫和南幫交界處的出入溝數(shù)條聯(lián)絡(luò)坡道，始終未能有效置換，排土跟進(jìn)受限，加劇了運(yùn)輸?shù)缆穼?duì)排土空間的占用。

4）連續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)量受限導(dǎo)致排土跟進(jìn)受限，占據(jù)部分排土空間。伊敏露天礦2020 年投入連續(xù)系統(tǒng)，但是受到系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，采掘臺(tái)階地質(zhì)條件變化等多方面影響，產(chǎn)量始終受限，未能完成預(yù)期產(chǎn)量目標(biāo)。導(dǎo)致連續(xù)系統(tǒng)的排土膠帶移設(shè)跟進(jìn)的速度晚于計(jì)劃，導(dǎo)致705 m 水平及以上水平的排土空間沒有得到有效使用。

5）受到地質(zhì)條件影響，需要一定超前剝離。伊敏露天礦在三采區(qū)推進(jìn)方向前方，存在F6斷層，該斷層位于采區(qū)中央，沿推進(jìn)方向分布，最大斷距60 m。斷層導(dǎo)致2024 年以后的煤層底板急劇下降，臺(tái)階數(shù)量增加，為保證臺(tái)階布置的空間條件，需要超前剝離，加大了剝離強(qiáng)度。

綜上所述，結(jié)合2021 年排土空間緊張的實(shí)際條件，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期規(guī)劃后，得出在2024 年左右將出現(xiàn)排土接續(xù)問(wèn)題。為了伊敏露天礦生產(chǎn)接續(xù)穩(wěn)定，必須提前采取各項(xiàng)措施，保證排土接續(xù)正常。

2 解決方案及措施

伊敏露天礦首先試圖通過(guò)征地外排的方式解決該問(wèn)題，但是隨著征地政策逐步完善，征地貴、林草土手續(xù)多、用地耗時(shí)長(zhǎng)[5]，且內(nèi)蒙古自治區(qū)目前政策不支持剝離外排。以同在呼倫貝爾地區(qū)的寶日希勒露天煤礦為例，生產(chǎn)受到征地影響多年。所以在內(nèi)排土場(chǎng)空間的解決方案中，外排征地不作為可選方案，應(yīng)當(dāng)通過(guò)技術(shù)手段，從設(shè)計(jì)出發(fā)，尋求解決思路。

為解決內(nèi)排土場(chǎng)空間不足的問(wèn)題，伊敏露天礦從源頭環(huán)節(jié)——設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)各種方案不斷地進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化研究，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比分析[6]，尋求最優(yōu)的解決方案。在過(guò)程中，伊敏露天礦發(fā)現(xiàn)了排土空間接續(xù)問(wèn)題的根源，是時(shí)空演化過(guò)程中存在困難。所以在設(shè)計(jì)中，結(jié)合遠(yuǎn)期規(guī)劃與近期計(jì)劃，通盤考慮露天礦采掘、運(yùn)輸、排土各個(gè)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)進(jìn)行排土空間的時(shí)空優(yōu)化，也就是在時(shí)間和空間的維度上，用推理的方法解決問(wèn)題[7]。最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了排土空間緊張的問(wèn)題，以下對(duì)方案中的采掘、運(yùn)輸、排土環(huán)節(jié)的優(yōu)化方案進(jìn)行介紹。

2.1 采掘工作線調(diào)整

在采掘環(huán)節(jié)，優(yōu)化內(nèi)排空間的手段，總結(jié)起來(lái)就是優(yōu)化臺(tái)階關(guān)系，降低剝離強(qiáng)度。2020 年，伊敏露天礦完成了剝離臺(tái)階的扇形轉(zhuǎn)向，進(jìn)入三采區(qū)后計(jì)劃平行推進(jìn)，不考慮其他影響，應(yīng)當(dāng)直接壓縮平盤關(guān)系，減少剝離量。但是伊敏露天礦三采區(qū)前方，受到F6斷層影響，采區(qū)西側(cè)煤層急劇下降，采深由現(xiàn)在的150 m 增長(zhǎng)至200 m 以上。未來(lái)伊敏露天礦的采場(chǎng)臺(tái)階數(shù)量將增加3～4 個(gè)，臺(tái)階占用的空間將加大，按照設(shè)計(jì)2023 年開始需要逐年進(jìn)行超前剝離，為臺(tái)階數(shù)量增加創(chuàng)造空間。所以伊敏露天礦不能采用簡(jiǎn)單壓縮平盤關(guān)系的方案，實(shí)現(xiàn)降低剝離強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)重新對(duì)三采區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行研究，對(duì)比未來(lái)和現(xiàn)在的煤層條件，發(fā)現(xiàn)雖然進(jìn)入F6斷層影響區(qū)域后，采區(qū)西側(cè)雖然急劇下降，但是東側(cè)煤層并未明顯下降，未來(lái)采區(qū)兩側(cè)臺(tái)階數(shù)量并不相同。也就是說(shuō)，雖然不能整個(gè)采區(qū)不能進(jìn)行臺(tái)階壓縮，但是三采區(qū)東側(cè)位置，由于臺(tái)階數(shù)量少，具備工作線局部壓縮的條件。據(jù)此設(shè)計(jì)了調(diào)整采掘工作線，壓縮采區(qū)東側(cè)平盤、采區(qū)西側(cè)按計(jì)劃超前剝離的方案。工作線調(diào)整示意圖如圖1。

圖1 工作線調(diào)整示意圖

具體方案就是，考慮2021 年剝離量少于煤炭生產(chǎn)所需，故2022 年工作線暫不調(diào)整，維持現(xiàn)有情況推進(jìn)。從2023 年開始，采區(qū)西側(cè)按照規(guī)劃設(shè)計(jì)，正常進(jìn)行超前剝離；而采區(qū)東側(cè)進(jìn)行臺(tái)階關(guān)系的壓縮，減少剝離推進(jìn)。將采區(qū)東西推進(jìn)度設(shè)計(jì)存在差值，進(jìn)行扇形推進(jìn)，直至將采掘工作幫與端幫的夾角從94°調(diào)整為85°左右，完成后再進(jìn)行平行推進(jìn)。

通過(guò)該方案的實(shí)施，預(yù)計(jì)可以減少剝離量300萬(wàn)m3/a，能夠有效緩解內(nèi)排土場(chǎng)空間的需求。

2.2 運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化

在運(yùn)輸環(huán)節(jié)，運(yùn)輸系統(tǒng)需要占用一定空間，進(jìn)而影響排土空間的使用。對(duì)于伊敏露天礦而言，生產(chǎn)單元較多，各個(gè)生產(chǎn)單元都要避免交叉。導(dǎo)致排土場(chǎng)的運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是內(nèi)排土場(chǎng)南幫和東幫出入溝的干線坡道，占據(jù)大量?jī)?nèi)排空間。特別是進(jìn)入三采區(qū)后，排土工作線短，凸顯了這一問(wèn)題。

針對(duì)露天礦的生產(chǎn)實(shí)際情況，主要對(duì)排土場(chǎng)的聯(lián)絡(luò)坡道進(jìn)行優(yōu)化。將同一水平的排土臺(tái)階分配給1 個(gè)生產(chǎn)單元使用，將減少排土場(chǎng)坡道數(shù)量。優(yōu)化后，排土場(chǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化，減少了坡道對(duì)于排土空間的占用。同時(shí)，將南幫和東幫2 個(gè)出入溝的各條坡道逐步進(jìn)行置換，將排土場(chǎng)滯后的位置完成跟進(jìn)。經(jīng)過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化后，預(yù)計(jì)可增加內(nèi)排空間1 500 萬(wàn)m3，大大緩解了排土接續(xù)緊張的問(wèn)題。

2.3 內(nèi)排土場(chǎng)的擴(kuò)容

雖然上述方法能夠緩解排土空間緊張的問(wèn)題，但是由于煤層總體上不斷降深，新的排土臺(tái)階隨之不斷出現(xiàn)。在時(shí)空演化中，仍將會(huì)出現(xiàn)一定時(shí)期的排土場(chǎng)推進(jìn)受限，所以仍然需要從排土場(chǎng)入手，擴(kuò)大排土場(chǎng)的容量。

根據(jù)伊敏露天礦煤層分布條件，煤層底板順傾3°～5°，致使內(nèi)排土場(chǎng)位于順傾基底上部，易形成沿煤層底板或基底軟弱層的滑動(dòng)，不利于內(nèi)排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定[8]。基于這種順傾條件，根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，在排土場(chǎng)邊坡角度方面，沒有增加的空間。在臺(tái)階高度的調(diào)整上，在確保臺(tái)階邊坡安全穩(wěn)定的前提下，盡量加大臺(tái)階高度，減少臺(tái)階數(shù)量[9]。調(diào)整臺(tái)階高度，將造成短期的多臺(tái)階不能推進(jìn)問(wèn)題，不利于生產(chǎn)穩(wěn)定。

基于內(nèi)排土場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)的加高，尤其是在伊敏露天礦順傾底板條件下，更要注意安全性問(wèn)題。在對(duì)排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)后，認(rèn)為在維持現(xiàn)有邊坡角度的前提下，將內(nèi)排土場(chǎng)的最終標(biāo)高由現(xiàn)在710 m 水平提高至735 m 水平，仍然能夠滿足邊坡安全穩(wěn)定的要求。將內(nèi)排土場(chǎng)漲高至735 m 水平，可以增加排土空間3 000 萬(wàn)m3，形成排土臺(tái)階后，排土空間每年持續(xù)增加，可以從根本解決內(nèi)排空間緊張的問(wèn)題。

2.4 優(yōu)化生產(chǎn)組織

在技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，針對(duì)連續(xù)系統(tǒng)排土跟進(jìn)受限的問(wèn)題，生產(chǎn)組織也同步適當(dāng)調(diào)整。為了避免連續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)量受限導(dǎo)致排土帶式輸送機(jī)占據(jù)排土空間的問(wèn)題，在2022 年開始的生產(chǎn)組織中，連續(xù)系統(tǒng)不再進(jìn)行下排，僅進(jìn)行上排作業(yè)。同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，提前進(jìn)行排土膠帶機(jī)的移設(shè)，釋放上部排土空間。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)內(nèi)排空間不足的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)空間緊張的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合露天礦地質(zhì)條件，在采掘、運(yùn)輸、排土多個(gè)環(huán)節(jié)尋求解決方案；結(jié)合露天礦地質(zhì)條件，提出了一些緩解內(nèi)排空間緊張的措施。通過(guò)采掘工作線的調(diào)整，降低了排土空間的需求，采用運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化和排土場(chǎng)增高擴(kuò)容，增加了排土空間，保證了露天礦剝離工程所需內(nèi)排空間充足，滿足未來(lái)生產(chǎn)接續(xù)要求。