河曲露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式研究

劉 震,王曉民,呂貴龍,李瑞行,王恒榮,馬 力

(1.山西焦煤集團(tuán)山煤國際河曲露天煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036500;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

露天煤礦一般由于生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備型號(hào)、現(xiàn)場生產(chǎn)情況等因素將礦田分成若干個(gè)獨(dú)立的采區(qū)進(jìn)行開采[1-2],在轉(zhuǎn)向過渡期間,采區(qū)轉(zhuǎn)向方式等因素對(duì)礦山生產(chǎn)成本與生產(chǎn)穩(wěn)定性有很大的影響,可能會(huì)造成工作線長度過長、初期投資較大、原煤接續(xù)緊張、運(yùn)距加大等問題,進(jìn)而影響工作面布置、采排成本與剝采比等因素[3-4],所以露天礦在面臨采區(qū)轉(zhuǎn)向時(shí)應(yīng)提前對(duì)轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行論證與研究。由于二采區(qū)首采工作面布置方式在很大程度上取決于首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向方式,因此,研究最佳采區(qū)轉(zhuǎn)向接續(xù)方式是確定二采區(qū)首采工作面的基礎(chǔ)。

目前,國內(nèi)對(duì)露天煤礦的采區(qū)轉(zhuǎn)向研究頗為重視,如紅沙泉煤礦、東露天礦、黑岱溝露天礦、天池能源南露天礦、安家?guī)X露天礦、安太堡露天礦等都曾經(jīng)研究采區(qū)轉(zhuǎn)向這一重要課題。對(duì)于露天煤礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方面的現(xiàn)狀與存在的問題,根據(jù)河曲露天煤礦的工程地質(zhì)條件,展開首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向方式的研究?；诮?jīng)濟(jì)上合理、工程上適用的原則對(duì)3種轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行適用性評(píng)價(jià),使用集值迭代法對(duì)外排量、采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡的時(shí)間、平均工作線的長度變化、剝離物的綜合運(yùn)距、轉(zhuǎn)向期間的平均剝采比、轉(zhuǎn)向期間煤質(zhì)的變化、開采工藝的適應(yīng)性等因素進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重評(píng)價(jià)[5-6],結(jié)合TOPSIS評(píng)價(jià)法確定最優(yōu)的轉(zhuǎn)向方案[7]。

1 研究區(qū)概況

河曲露天煤礦開采深度達(dá)到200 m左右,首采區(qū)臨近開采終了并進(jìn)入二采區(qū)開采。首采區(qū)與二采區(qū)相鄰布置,首采區(qū)采空區(qū)壓幫內(nèi)排增加了二采區(qū)的二次剝離成本[8]。首采區(qū)采空區(qū)形成的內(nèi)排土場采用留溝內(nèi)排方式,在首采區(qū)西端幫鄰近二采區(qū)位置預(yù)留深度達(dá)200 m的深溝。該溝的預(yù)留可以有效地減少首采區(qū)內(nèi)排土場壓幫對(duì)二采區(qū)開采的二次剝離影響,節(jié)省二次剝離成本。但該溝的預(yù)留卻致使首采區(qū)的內(nèi)排空間不能完全釋放,增加首采區(qū)內(nèi)排土場的負(fù)擔(dān)以及剝離物料轉(zhuǎn)排的剝離運(yùn)輸成本[9]。如何協(xié)調(diào)首采區(qū)與二采區(qū)間轉(zhuǎn)向接續(xù)關(guān)系,對(duì)河曲露天煤礦開采成本控制以及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

基于露天采區(qū)過渡的2種基本方式,提出3種轉(zhuǎn)向方案,從經(jīng)濟(jì)與開采技術(shù)等方面確定最佳的轉(zhuǎn)向方案,在最佳轉(zhuǎn)向方案基礎(chǔ)上確定二采區(qū)首采工作面的布置方式[10-11]。大型露天礦相鄰采區(qū)過渡方式主要有連續(xù)式和間斷式2類。根據(jù)河曲露天煤礦工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場實(shí)際情況,提出首采區(qū)過渡至二采區(qū)3種基本方式。

河曲露天煤礦共劃分4個(gè)采區(qū),將首采區(qū)西部區(qū)域作為二采區(qū)。由于中部區(qū)域、南西部區(qū)域圈定的露天開采境界不連續(xù),故將其分別作為三采區(qū)、四采區(qū),采區(qū)劃分如圖1所示。

圖1 采區(qū)劃分

2 轉(zhuǎn)向方式分析評(píng)價(jià)

連續(xù)式過渡方式主要分為直角緩幫過渡方式與扇型過渡方式,其特點(diǎn)是根據(jù)工程實(shí)際使用的工作幫和存在或者正在形成的端幫向著新采區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)向過渡工作。其過渡方式較為自然,并不需要進(jìn)行二次拉溝,基礎(chǔ)工程建設(shè)量小,運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸距離比較經(jīng)濟(jì)合理。間斷式過渡方式的特征主要是在前一個(gè)采區(qū)開采工作結(jié)束之前,在新生成的采區(qū)內(nèi)開始重新拉溝并布置新的開拓運(yùn)輸系統(tǒng),前一個(gè)采區(qū)與新采區(qū)之間不存在互相干擾與影響的情況。

2.1 重新拉溝

重新拉溝是指在上一個(gè)采區(qū)開采工作全部結(jié)束前,在新的采區(qū)開始重新拉溝并開發(fā)布置開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。本方案從二采區(qū)北側(cè)溝谷處重新拉溝,從北向南推進(jìn),平均工作線長度1 300 m,每階段沿13號(hào)煤底板推進(jìn),經(jīng)過4個(gè)階段后完成露天礦二采區(qū)轉(zhuǎn)向工程,與首采區(qū)推進(jìn)方向形成180°轉(zhuǎn)向,重新拉溝間斷式轉(zhuǎn)向方式示意如圖2所示。

圖2 重新拉溝間斷式轉(zhuǎn)向原理及現(xiàn)場平面布置示意

重新拉溝主要特點(diǎn):①需重新拉溝,基建剝離工程量較大,需建外部排土場;②采區(qū)間可采用全面壓幫進(jìn)行內(nèi)排[12],實(shí)現(xiàn)雙環(huán)運(yùn)輸[13],運(yùn)輸距離短;③發(fā)生較大的二次剝離量,采深越大,重復(fù)剝離量越大;④新采區(qū)的重新拉溝與原有采區(qū)的收尾工程不發(fā)生干擾。

2.2 扇形轉(zhuǎn)向

扇形轉(zhuǎn)向過渡是指在舊采區(qū)終了前,工作線的回轉(zhuǎn)中心為新舊采區(qū)接續(xù)位置,向單一方向旋轉(zhuǎn)推進(jìn)[14]。本方案從現(xiàn)有內(nèi)排土場西側(cè)與二采區(qū)留溝處最南端為轉(zhuǎn)軸點(diǎn),進(jìn)行扇形轉(zhuǎn)向推進(jìn)生產(chǎn),工作線平均長度1 400 m,以工作線南端小幅度推進(jìn)北端每階段推進(jìn)200 m,扇形轉(zhuǎn)向原理及平面布置如圖3所示。

圖3 扇形轉(zhuǎn)向原理及現(xiàn)場平面布置示意

2.3 緩幫留溝

緩幫留溝過渡是利用原采區(qū)端幫的一部分緩幫建設(shè)成新采區(qū)工作幫的過程[15]。該方案從首采區(qū)推進(jìn)時(shí)就開始在西端幫邊界處緩幫留溝,直至首采區(qū)推進(jìn)結(jié)束通過所留設(shè)的溝在二采區(qū)向西推進(jìn),共分為4個(gè)階段轉(zhuǎn)向推進(jìn)生產(chǎn),工作線平均長度1 100 m,轉(zhuǎn)向原理與平面布置效果如圖4所示。

圖4 緩幫留溝轉(zhuǎn)向原理及現(xiàn)場平面布置示意

緩幫留溝過渡的主要特點(diǎn):①由于原采區(qū)留溝內(nèi)排,導(dǎo)致內(nèi)排卡車單環(huán)運(yùn)輸,增加卡車內(nèi)排運(yùn)距,從而增加運(yùn)輸費(fèi)用。②由于留溝,內(nèi)排空間減少,相應(yīng)的剝離量需加高內(nèi)排高度或通過外排解決,增加卡車運(yùn)距和相應(yīng)的運(yùn)輸費(fèi)用。③轉(zhuǎn)向過程中,采運(yùn)排設(shè)備無需大遷移,因而管理相對(duì)簡單,過渡期無需另建外部排土場。

3 轉(zhuǎn)向方式優(yōu)選

3.1 轉(zhuǎn)向過渡優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)

開采工藝的適應(yīng)性:河曲露天礦采用的單斗-卡車開采工藝對(duì)3種轉(zhuǎn)向方式的適用性皆較好。

轉(zhuǎn)向期間的外排量:在河曲露天煤礦轉(zhuǎn)向期間重新拉溝方式的外排量最大,緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式次之,扇形轉(zhuǎn)向方式最少。

轉(zhuǎn)向期間煤質(zhì)的變化:扇形轉(zhuǎn)向比其他轉(zhuǎn)向方式的煤質(zhì)變化要大,緩幫留溝煤質(zhì)變化最小。

采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡時(shí)間:對(duì)于河曲露天煤礦生產(chǎn)而言,轉(zhuǎn)向過渡的時(shí)間越小,對(duì)露天礦生產(chǎn)的不利影響就越小。間斷式拉溝需要重新拉溝,轉(zhuǎn)向時(shí)間最長,扇形轉(zhuǎn)向時(shí)間要比留溝緩幫的時(shí)間要長,緩幫留溝轉(zhuǎn)向所用時(shí)間最短。

轉(zhuǎn)向期間的平均剝采比:轉(zhuǎn)向期間的平均剝采比直接決定了河曲露天煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。間斷式轉(zhuǎn)向方式需要重新拉溝,因此它的平均剝采比最大;在河曲露天煤礦,緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式的平均剝采比扇形轉(zhuǎn)向方式的平均剝采比略小。

平均工作線長度:平均工作線長度是決定河曲露天煤礦產(chǎn)量的一項(xiàng)重要因素,它直接影響了采掘效率和運(yùn)輸設(shè)備的效率,間斷式重新拉溝轉(zhuǎn)向方式和緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式在轉(zhuǎn)向期間的工作線長度變化不大。

剝離物的綜合運(yùn)距:河曲露天煤礦每年都會(huì)投入大量資金用于剝離物的運(yùn)輸,加之每年剝離物的總量巨大,所以減少剝離物的綜合運(yùn)距對(duì)河曲露天煤礦的經(jīng)濟(jì)效益提高明顯。緩幫留溝轉(zhuǎn)向方式由于存在內(nèi)排留溝,綜合運(yùn)距要高于扇形轉(zhuǎn)向。

采區(qū)轉(zhuǎn)向方式影響指標(biāo)評(píng)價(jià)見表1。

表1 轉(zhuǎn)向方式的影響指標(biāo)評(píng)價(jià)

3.2 轉(zhuǎn)向方案對(duì)比分析

3種轉(zhuǎn)向方案剝采工程量分析:重新拉溝初期剝離排棄空間較緊張,生產(chǎn)接續(xù)較復(fù)雜,待完成拉溝推進(jìn),工作面正常推進(jìn)時(shí)采排關(guān)系會(huì)趨于合理。該方案平均水平剝離運(yùn)距3.31 km。重新拉溝分階段采剝關(guān)系見表2。

表2 重新拉溝分階段累計(jì)采剝

扇形轉(zhuǎn)向推進(jìn)過程中,初期剝離排棄空間相對(duì)較緊張,其次,扇形轉(zhuǎn)向過程中,同一工作面由于兩端推進(jìn)強(qiáng)度的不同,造成較多的三角工程量,對(duì)爆破、采裝效率影響較大。該方案平均水平剝離運(yùn)距2.54 km。扇形轉(zhuǎn)向分階段采剝關(guān)系見表3。

表3 扇形轉(zhuǎn)向分階段累計(jì)采剝表

緩幫留溝推進(jìn)過程中,轉(zhuǎn)向過程中,采運(yùn)排設(shè)備無需大遷移,因而管理相對(duì)簡單,過渡期無需另建外部排土場。其次,相比于扇形轉(zhuǎn)向,三角工程量較少,對(duì)爆破、采裝效率影響較小。該方案平均水平剝離運(yùn)距2.87 km。緩幫留溝轉(zhuǎn)向分階段采剝關(guān)系見表4。

表4 緩幫留溝轉(zhuǎn)向分階段累計(jì)采剝

3種轉(zhuǎn)向方案平均運(yùn)距分析:重新拉溝平均水平剝離運(yùn)距3.11 km,扇形轉(zhuǎn)向平均水平剝離運(yùn)距2.54 km,緩幫留溝轉(zhuǎn)向平剝離運(yùn)距2.87 km,緩幫留溝方案運(yùn)距最小。

轉(zhuǎn)向方案技術(shù)評(píng)價(jià):扇形轉(zhuǎn)向相比重新拉溝方案在工作面逐漸打開的過程中,內(nèi)排空間隨著采剝工作面推進(jìn)打開較快,一定程度上緩解初期排土壓力,緩幫留溝轉(zhuǎn)向的推進(jìn)過程中各個(gè)階段的采排關(guān)系均合理可行,相比扇形轉(zhuǎn)向過程中,同一工作面由于兩端推進(jìn)強(qiáng)度的不同,造成較多的三角工程量,對(duì)爆破、采裝效率影響較大,緩幫留溝推進(jìn)工作面更靈活,生產(chǎn)更易組織。

轉(zhuǎn)向方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià):通過對(duì)河曲露天煤礦工程實(shí)際運(yùn)距、剝采比、工作線以及外排量等多因素對(duì)3種方案進(jìn)行綜合對(duì)比分析,見表5。

表5 3種方案對(duì)比分析

3.3 指標(biāo)權(quán)重確定

影響指標(biāo)權(quán)重確定:轉(zhuǎn)向期間的外排量(w1)、采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡時(shí)間(w2)、平均工作線長度變化(w3)、剝離物的綜合運(yùn)距(w4)、轉(zhuǎn)向期間的平均剝采比(w5)、轉(zhuǎn)向期間煤質(zhì)的變化(w6)、開采工藝的適應(yīng)性(w7)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)采區(qū)劃分的影響程度取決于各指標(biāo)權(quán)重,并且權(quán)重是方案優(yōu)選的關(guān)鍵性指標(biāo)。

選取集值迭代法確定指標(biāo)權(quán)重,其原理如下。

設(shè)Y={y1,y2,…,yq}為有限論域,P={p1,p2,…,pq},選初始值k(1≤k≤q),然后pj(j=1,2,3,…,n)按下完成計(jì)算。

在Y中選pi優(yōu)選屬于A的R1=k個(gè)元素得Y的子集

(1)

在Y中選pi優(yōu)選屬于A的R2=2k個(gè)元素,得Y的子集

(2)

在Y中選pi優(yōu)選屬于A的Rt=tk個(gè)元素,得Y的子集

(3)

假設(shè)自然數(shù)t滿足q=tk+c,1≤c≤k,則在第t+1步迭代終止。

yj的覆蓋頻率

(4)

由5位專家P={p1,p2,p3,p4,p5}對(duì)采區(qū)轉(zhuǎn)向各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先排序,最終得到權(quán)重集W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7)=(0.178,0.2,0.057,0.157,0.243,0.05,0.115)。

3.4 TOPSIS評(píng)價(jià)法

TOPSIS原理是在比選方案中選出最優(yōu)指標(biāo)和最劣指標(biāo),并分別組成理想方案和最劣方案,然后計(jì)算出理想方案和各比選方案貼近度,由此給各比選方案進(jìn)行排序,選出最佳方案。

3.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)同趨勢化

3.4.2 矩陣歸一化

(5)

歸一化矩陣

(6)

3.4.3 最優(yōu)值、最劣值向量

分別取歸一化矩陣每行的最大值、最小值為最優(yōu)向量A+與最劣向量A-

(7)

3.4.4 各評(píng)價(jià)所有指標(biāo)與最劣方案及模型理想方案的距離

(8)

3.4.5 計(jì)算各方案與理想方案的貼近度Ci

(9)

貼近度Ci越大,說明越接近模型理想方案,離最劣方案越遠(yuǎn),即所比選最佳方案。

3.5 轉(zhuǎn)向方式確定

通過上述TOPSIS評(píng)價(jià)法以及各比選方案評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù),計(jì)算確定出各比選方案貼近度見表6。

表6 比選方案貼近度

由表6可知,Ci=0.620最大,即緩幫留溝最接近模型理想方案,因此緩幫留溝為河曲露天煤礦轉(zhuǎn)向最佳方案。

4 結(jié)論

(1)通過前期對(duì)比分析,根據(jù)河曲露天煤礦的工程地質(zhì)條件,在首采區(qū)轉(zhuǎn)向至二采區(qū)過程中,提出了3種基本轉(zhuǎn)向方案,即緩幫留溝、扇形轉(zhuǎn)向、重新拉溝。

(2)重新拉溝初期剝離排棄空間較緊張,生產(chǎn)接續(xù)較復(fù)雜,且初期剝離運(yùn)距較長。扇形轉(zhuǎn)向同一工作面兩端推進(jìn)強(qiáng)度的不同,造成較多的三角工程量。緩幫留溝轉(zhuǎn)向的推進(jìn)過程中各個(gè)階段的采排關(guān)系均合理可行,相比扇形轉(zhuǎn)向過程,緩幫留溝推進(jìn)工作面更靈活,生產(chǎn)更易組織。

(3)基于集值迭代TOPSIS評(píng)價(jià)法確定首采區(qū)轉(zhuǎn)向至二采區(qū)最佳轉(zhuǎn)向方案為緩幫留溝轉(zhuǎn)向方法。