露天煤礦產(chǎn)能核增影響下采區(qū)劃分研究

馬 力 ，李瑞行 ，劉福明 ，孫進步 ，董志龍 ，王恒榮 ，靳新宇 ，薛 飛 ，徐甜新

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.新疆天池能源有限責(zé)任公司, 新疆 昌吉 831100）

0 引 言

露天煤礦適用于開采范圍廣、煤層厚度大的煤田。為了提高煤炭資源開發(fā)效率，通常把煤田分成若干獨立的露天煤礦[1-2]。然而受開采技術(shù)、設(shè)備規(guī)格、產(chǎn)量規(guī)模、煤層賦存條件以及經(jīng)濟效益等各種因素影響，且為避免大型露天煤礦整體開采時運輸距離大、運費高、工作線長度大、開采成本高、初期投資時間長、投資費用大等缺點，在滿足技術(shù)經(jīng)濟條件下，對露天煤礦進行合理的采區(qū)劃分[3-5]。采區(qū)過大，則過長的工作線和過大的運距導(dǎo)致露天煤礦開采過程中經(jīng)濟效益降低；而采區(qū)過小，頻繁的采區(qū)接續(xù)增大生產(chǎn)管理難度影響生產(chǎn)效率。因此，劃分合理的采區(qū)關(guān)系是提高露天煤礦生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。劉憲權(quán)等[6]基于近水平露天煤礦采區(qū)劃分提出了坑底縱向搭橋及轉(zhuǎn)向期反向內(nèi)排開采程序；白潤才等[7-8]基于熵值法與Topsis 法構(gòu)建了采區(qū)劃分方案評價模型；張瑞新[9-10]等優(yōu)化了露天煤礦開采程序設(shè)計相關(guān)計算機模型，對哈爾烏素露天煤礦的開采程序提出了多方案動態(tài)綜合優(yōu)化方法，并對安太堡和安家?guī)X的開采程序提出了遞階優(yōu)化方法；葉義成[11]采用雙基點法對開采程序進行多目標(biāo)綜合排序，并確定了敏感指標(biāo)；劉桐等[12]采用Delphi-Topsis 法構(gòu)建了霍林河露天煤礦采區(qū)劃分方案優(yōu)選模型。以新疆準(zhǔn)東某露天煤礦擴能目標(biāo)為研究背景，提出多種采區(qū)劃分方案，結(jié)合該露天煤礦具體開采條件確定采區(qū)劃分方案評價指標(biāo)，并構(gòu)建綜合評價模型，確定最佳的采區(qū)劃分方案，以滿足擴能至50 Mt/a 的生產(chǎn)能力要求。

1 研究區(qū)概況

以新疆準(zhǔn)東某露天煤礦為研究對象，礦區(qū)南北最大長達40.78 km，東西最大寬達37.69 km，面積1 127.32 km2。礦田主要可采煤層為B5、B3、B2三層煤層，且均為巨厚煤層，可采煤層平均厚度為44.2 m。其中剝離工藝采用單斗-卡車間斷工藝；采煤工藝采用單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝[13-15]。該露天煤礦年產(chǎn)原煤量19.85 Mt，為進一步做好露天煤礦生產(chǎn)經(jīng)營長遠規(guī)劃，該生產(chǎn)能力擬核增至50 Mt/a。

如以當(dāng)前工作線長度1 500 m 繼續(xù)向前推進，每年的推進度將達到600 m/a 左右，超出《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的小于400 m/a 要求。將造成外排運距過大且破碎站的移設(shè)頻繁。因此，應(yīng)以適應(yīng)產(chǎn)能需求的工作線長度對采區(qū)進行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益。

2 工作線長度優(yōu)化

2.1 技術(shù)可行的工作線長度

由年產(chǎn)量、容重、含煤率、采出率、煤厚及推進度，確定技術(shù)可行工作線長度，應(yīng)滿足[16]：

式中：Q為年產(chǎn)量，t/a；Lk為技術(shù)可行原煤工作線長度，m；vt為推進度，m/a；hm為煤層平均厚度，m；γ為原煤容重，t/m3；η為煤層采出率。

根據(jù)該礦產(chǎn)能核增要求，以目前1 500 m 工作線長度，分別計算露天礦產(chǎn)能20 Mt/a 與計劃產(chǎn)量增至為50 Mt/a 時推進度為

由此可見，產(chǎn)能核增后，以當(dāng)前工作線長度生產(chǎn)將導(dǎo)致推進度過大，應(yīng)合理增大工作線長度以降低高產(chǎn)能條件下的推進度。結(jié)合《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》要求，設(shè)計生產(chǎn)能力為50 Mt/a 時的推進度宜控制在241～400 m/a，進而確定產(chǎn)能核增后技術(shù)可行工作線長度為2 261.7～3 753.9 m，如圖1 所示。

圖1 工作線長度與推進度關(guān)系Fig.1 Relation between working face length and propulsive degree

2.2 經(jīng)濟合理的工作線長度

通過該露天煤礦的端幫邊坡角、上覆巖層剝離物與煤層厚度、爆破、采裝及運輸費用、排棄路線系數(shù)以及排棄的影響距離，確定經(jīng)濟合理工作線長度[17-18]：

式中：Lh為經(jīng)濟合理采煤工作線長度，km；H為剝離層平均厚度，m；β為端幫邊坡角，(°)；c1為穿孔爆破、采裝、排土費，元/m3；c2為運輸費，元/(m3·km)；a為排棄路線系數(shù)，雙環(huán)內(nèi)排時取0.5，單環(huán)內(nèi)排時取1；b為排棄影響距離，km。

排棄影響距離可按式計算：

式中：θ為內(nèi)排土場幫坡角，(°)；φ為工作幫坡角，(°)；m為坑底安全距離，km。

結(jié)合煤厚與上覆巖層厚度，確定經(jīng)濟合理工作線長度為2 286.3～2 496.5 m。

2.3 最佳工作線長度

確定產(chǎn)能核增50 Mt/a 時，技術(shù)可行工作線長度為2 261.7～3 753.9 m，經(jīng)濟合理工作線長度為2 286.3～2 496.5 m。兩者取交集為2 286.3～2 496.5取整后確定核增后最佳工作線長度在2 300～2 500 m內(nèi)取值。

3 采區(qū)劃分方案及分析評價

3.1 采區(qū)劃分方案

3.1.1 采區(qū)劃分原則

采區(qū)劃分應(yīng)滿足開采工藝系統(tǒng)及生產(chǎn)能力的需要，結(jié)合礦田的幾何形狀、地質(zhì)條件、開采工藝和采區(qū)接續(xù)等因素，以最佳工作線長度為采區(qū)寬度劃分依據(jù)，同時要綜合考慮采區(qū)長度及服務(wù)時間、采區(qū)過渡方式及影響，各采區(qū)剝采比變化關(guān)系等。

3.1.2 采區(qū)劃分方案的提出

1）方案一：先以礦區(qū)南邊界往北劃分為四采區(qū)，再對剩余未開采礦區(qū)從東往西以最佳工作線長度劃分成3 個采區(qū)，各采區(qū)工作線長度皆基本滿足合理工作線長度，如圖2 所示。

圖2 采區(qū)劃分方案一及各采區(qū)剝采比Fig.2 Mining area division scheme 1 and stripping ratio bar chart of each mining area

2）方案二：從開采現(xiàn)狀逐漸往西南方向推進，西南方向4 000 m 左右為首采區(qū)；再由此往東至東部邊界為二采區(qū)；然后剩余未開采礦區(qū)東部的南北方向長度均分劃分成上下三采區(qū)和五采區(qū)，最后西部合理工作線長度按開采順序劃分為四采區(qū)，如圖3 所示。

圖3 采區(qū)劃分方案二及各采區(qū)剝采比Fig.3 Mining area division scheme 2 and stripping ratio bar chart of each mining area

3）方案三：首采區(qū)、二采區(qū)與方案二首采區(qū)、二采區(qū)采區(qū)劃分方案相同；然后剩余未開采礦區(qū)劃分成3 個采區(qū)。保證三采區(qū)、四采區(qū)從東往西劃分在最佳的工作線長度范圍內(nèi)，最后剩余未開采部分為五采區(qū)，如圖4 所示。

圖4 采區(qū)劃分方案三及各采區(qū)剝采比Fig.4 Mining area division scheme 3 and stripping ratio bar chart of each mining area

4）方案四：首采區(qū)、二采區(qū)與方案二首采區(qū)、二采區(qū)的采區(qū)劃分方案相同；然后直接在剩余未開采礦區(qū)南北方向上劃分成三采區(qū)及四采區(qū)，如圖5所示。

圖5 采區(qū)劃分方案四及各采區(qū)剝采比Fig.5 Mining area division scheme 4 and stripping ratio bar chart of each mining area

3.2 采區(qū)劃分方案對比

3.2.1 采區(qū)平均工作線長度及剝采比

通過采區(qū)劃分及剝采比等值線圖確定4 種方案中各采區(qū)的平均工作線長度和剝采比大小見表1。

表1 各采區(qū)平均工作線長度及剝采比Table 1 Average working face length and stripping ratio of each mining area

3.2.2 方案對比

結(jié)合該礦端幫邊坡角34°、內(nèi)排土場邊坡角23°，考慮各采區(qū)平均埋深、相鄰采區(qū)二次剝離長度，基于全壓幫內(nèi)排方式，分析4 種采區(qū)劃分方案的優(yōu)缺點。

1）方案一：優(yōu)點：①工作線長度分布較均勻；②各采區(qū)形狀較規(guī)則，便于生產(chǎn)；③采區(qū)數(shù)量少、過渡次數(shù)較少；④容易實現(xiàn)內(nèi)排；⑤剝采比變化趨勢隨著采區(qū)發(fā)展逐漸增大。缺點：①由剝采比等值線圖可知各采區(qū)剝采比分布不均勻；②采區(qū)間接續(xù)均需重新拉溝，工程量大耽誤組織生產(chǎn)；③外排運距3.1 km，長度過大，降低外排效率。

2）方案二：優(yōu)點：①首采區(qū)剝采比1.8 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產(chǎn)快；②較容易實現(xiàn)內(nèi)排；③外排運距為2.2 km，相對較?。虎軇儾杀茸兓厔蓦S著采區(qū)往后逐漸增大，趨勢較好。缺點：①各采區(qū)工作線長度變化較大；②二次剝離量950.7 Mm3，相對較大；③采區(qū)數(shù)量相對較多繼而接續(xù)次數(shù)多，影響生產(chǎn)。

3）方案三：優(yōu)點：①首采區(qū)剝采比1.85 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產(chǎn)快；②較容易實現(xiàn)內(nèi)排；③外排運距2.2 km，相對較小。缺點：①二次剝離量為1 166.5 Mm3，重復(fù)剝離大；②采區(qū)數(shù)量多，接續(xù)復(fù)雜，工程量大；③五采區(qū)內(nèi)工作線長度分布不均勻；④各采區(qū)工作線長度變化較大；⑤剝采比變化趨勢先增后減，趨勢較差。

4）方案四：優(yōu)點：①各采區(qū)工作線長度分別分布較均勻；②首采區(qū)剝采比1.85 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產(chǎn)快；③剝采比變化趨勢隨著采區(qū)往后逐漸增大，趨勢較好；④采區(qū)數(shù)量相對較少，接續(xù)簡單；⑤外排運距2.2 km，相對較小。缺點：后期采區(qū)內(nèi)剝采比較大。

4 采區(qū)劃分方案優(yōu)選

4.1 采區(qū)劃分評價指標(biāo)

通過分析總結(jié)多個周邊相似露天煤礦采區(qū)劃分經(jīng)驗，且進一步結(jié)合專家評價分析確定下列9 個指標(biāo)作為采區(qū)劃分影響指標(biāo)。

1）平均工作線長度。平均工作線長度應(yīng)結(jié)合擴增為50 Mt/a 的生產(chǎn)能力確定，工作線長度過長或過短對采運排主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)均有一定影響。

2）二次剝離量。采區(qū)邊界造成開采過程中上覆巖石的重復(fù)剝離，大幅度增加生產(chǎn)成本。

3）前期外排運距。前期外排運距的大小直接影響排棄費用以及外排效率。外排運距過大，則會增加采排費用，降低排卸效率及經(jīng)濟效益。

4）內(nèi)排難易程度。內(nèi)排難易程度嚴(yán)重影響對排卸物進行排卸時的效率及經(jīng)濟效益。內(nèi)排越難，造成的排卸費用就越大。

5）采區(qū)接續(xù)次數(shù)。在露天煤礦生產(chǎn)過程中，頻繁的采區(qū)接續(xù)會浪費大量生產(chǎn)時間及造成復(fù)雜的生產(chǎn)管理，嚴(yán)重影響原煤的生產(chǎn)效率。

6）首采區(qū)勘探程度。首采區(qū)勘探程度不明，在生產(chǎn)推進的過程中，因煤層厚度的驟變或者部分自燃導(dǎo)致生產(chǎn)能力受嚴(yán)重影響。

7）采區(qū)接續(xù)難易。在采區(qū)的過渡接續(xù)中，采區(qū)接續(xù)越難，則對采、運、排等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的影響越大，影響生產(chǎn)效率。

8）首采區(qū)剝采比。首采區(qū)的剝采比大小嚴(yán)重影響露天煤礦開采的前期經(jīng)濟效益。首采區(qū)剝采比越小，前期經(jīng)濟效果越好。

9）各采區(qū)剝采比變化趨勢。隨著開采的工作面向前推進，剝采比也應(yīng)保證隨著采區(qū)不斷過渡接續(xù)，不呈大幅度波動變化。

其中，各指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 采區(qū)劃分評價指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 2 Data of division of mining area index

4.2 指標(biāo)權(quán)重確定

各評價指標(biāo)對采區(qū)劃分的影響程度取決于各指標(biāo)權(quán)重，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[19-20]。

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)按下完成計算：

①在Y中選pj優(yōu)選屬于A的R1=k個元素，得Y的子集：

②在Y中選pj優(yōu)選屬于A的R2=2k個元素，得Y的子集：

③在Y中選pj優(yōu)選屬于A的Rt=tk個元素，得Y的子集：

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：

式中： χy(sj)是集合的特征函數(shù)，將m(yi)歸一化即可得各指標(biāo)權(quán)重。

由5 位專家P={p1,p2,p3,p4,p5}對采區(qū)劃分各項指標(biāo)進行優(yōu)先排序，最終得到權(quán)重集：W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8,w9)=(0.058,0.164,0.076,0.133,0.08,0.04,0.084,0.187,0.178)。

4.3 TOPSIS 評價法

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，然后計算出理想方案和各比選方案貼近度，由此給各比選方案進行排序，選出最佳方案[21-25]。

2）矩陣歸一化。

式中：aij為評價i在第j指標(biāo)值；Xij為第i評價對象在第j指標(biāo)值；X3為經(jīng)Xij倒數(shù)轉(zhuǎn)化后值。

歸一化矩陣：

3）最優(yōu)、最劣向量。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-：

5）計算各方案與理想方案的貼近度Ci：

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

4.4 比選方案貼近度確定

通過上述TOPSIS 評價法以及各比選方案評價指標(biāo)參數(shù)，計算確定出各比選方案貼近度見表3。

表3 比選方案貼近度Table 3 Closeness of the comparison scheme

由表3 可知，C4=0.772 最大，即方案四最接近理想方案，因此方案四為最佳方案。

5 結(jié) 論

1）依據(jù)技術(shù)可行與經(jīng)濟合理為原則，分別計算了產(chǎn)能擴增至50 Mt/a 時的工作線合理范圍，綜合確定了工作線長度最佳范圍為2 300～2 500 m。

2）基于確定的最佳工作線長度對采區(qū)進行劃分，提出4 種采區(qū)劃分方案，計算了個采區(qū)平均工作線長度及剝采比，確定4 種采區(qū)劃分方案的二次剝離量、前期外排運距、內(nèi)排難易程度以及各采區(qū)劃分方案的優(yōu)缺點。

3）構(gòu)建了基于集值迭代法-TOPSIS 法的采區(qū)劃分方案評價模型，計算了各種方案的貼近度，并確定了從開采現(xiàn)狀逐漸往西南方向推進4 000 m 左右為首采區(qū)，再由此往東至東部邊界為二采區(qū)，然后剩余未開采礦區(qū)在南北方向長度均分劃分成上下三采區(qū)和四采區(qū)的最佳采區(qū)劃分方案。