伊敏露天礦采掘臺階高度優(yōu)化研究

胡鵬飛,李月強

（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）

露天礦采場臺階高度是一個重要參數(shù)，國內(nèi)不少學(xué)者對此參數(shù)從不同角度進行了分析與論述[1-3]。這是由于其不僅影響著露天礦的基本建設(shè)、開拓開采、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)過程的各個工藝環(huán)節(jié)[4-6]，也是露天礦損失率及貧化率的關(guān)鍵指標(biāo)[7]，還影響著露天礦邊坡穩(wěn)定、臺階數(shù)量等。其中最重要的是采掘臺階高度的優(yōu)化，在一定條件下可以減少露天礦的剝離量[8]，進而提高露天礦的經(jīng)濟效益，所以在露天礦生產(chǎn)中，對臺階高度的優(yōu)化至關(guān)重要。

1 研究背景

伊敏露天礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗伊敏河鎮(zhèn)境內(nèi)，由于短期內(nèi)的產(chǎn)能大幅增長，伊敏露天礦近年剝離量增長明顯，內(nèi)排土場空間出現(xiàn)緊張。同時隨著三采區(qū)逐步推進，未來煤炭賦存深度整體上呈現(xiàn)下降趨勢。這將導(dǎo)致最大開采深度由現(xiàn)在的160 m 增加至225 m，臺階數(shù)量將至少增加7 個。如果再考慮煤層分層導(dǎo)致的非全高臺階，臺階數(shù)量將增加更多。這就使得在一段時間內(nèi)，上部臺階推進必須考慮新臺階所占用的空間，超前推進，導(dǎo)致年剝離量增加，內(nèi)排土場空間緊張的問題更加顯著。

伊敏露天礦在產(chǎn)能核增后，為了提高生產(chǎn)能力，已經(jīng)進行了采掘設(shè)備大型化升級。購置數(shù)臺WK－35型電鏟，代替現(xiàn)有的WK－12B 型電鏟。雖然電鏟型號增大，但是目前伊敏露天礦所采用的臺階高度，仍然以WK－12B 型電鏟設(shè)備能力為依據(jù)確定的12 m。未來在WK－35 型電鏟全部投產(chǎn)后，伊敏露天礦將以WK－20 型電鏟作為最小采掘設(shè)備，其最大挖掘高度已經(jīng)超過14 m。鑒于上述情況，重點研究伊敏露天礦工作幫臺階高度的優(yōu)化調(diào)整，在確保設(shè)備作業(yè)安全的條件下，適當(dāng)增加臺階高度，減少臺階數(shù)量，進而提高工作幫坡角，減少工作幫空間占用，降低伊敏露天礦的年剝離量。

2 臺階高度調(diào)整方案

露天礦采掘臺階高度的確定，既要使電鏟安全作業(yè)，又要使電鏟能發(fā)揮較大的效能，還要綜合考慮多種因素。根據(jù)伊敏露天礦的實際情況以及電鏟作業(yè)效率分析等研究成果，電鏟作業(yè)的臺階高度主要參考以下幾方面因素。

1）為了提高電鏟作業(yè)效率，保證電鏟單循環(huán)挖掘滿斗率，應(yīng)當(dāng)保持臺階高度不低于電鏟推壓軸高度的2/3。否則，電鏟的滿斗率將較差，進而增加電鏟的作業(yè)循環(huán)次數(shù)，導(dǎo)致裝車時間延長。

2）伊敏露天礦的剝離物料均為軟巖，電鏟采用直接挖掘的方式，沒有爆破環(huán)節(jié)，所以臺階高度不能高于電鏟的最大挖掘高度，以保證電鏟作業(yè)安全。

3）臺階高度應(yīng)當(dāng)在安全的條件下，盡量達到最大，以提高電鏟可采量，減少設(shè)備走鏟、退鏟等環(huán)節(jié)占用的時間，提高電鏟的生產(chǎn)效率。

4）臺階高度應(yīng)當(dāng)綜合考慮各個采掘設(shè)備的能力后，實現(xiàn)全礦臺階高度統(tǒng)一。避免臺階高度不一，給后續(xù)電鏟工作面的調(diào)整造成不必要的困難。同時臺階高度統(tǒng)一，有利于滿足安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

5）臺階高度還應(yīng)實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整目的。對伊敏露天礦這類已經(jīng)生產(chǎn)多年的露天礦來說，臺階高度調(diào)整需要實現(xiàn)減少臺階數(shù)量的目的，降低推進幫空間占用，降低年剝離量，提高經(jīng)濟效益；如果調(diào)整后臺階數(shù)量沒有變化，則失去調(diào)整價值。

6）調(diào)整后電鏟最大推進能力應(yīng)當(dāng)大于露天礦總體推進度需求，避免電鏟推進度不足對整體推進造成不利影響。

2.1 方案選擇

露天礦一般臺階高度按照式（1）確定[9]：

式中：Ht為電鏟推壓軸高度，m；H 為臺階高度，m；Hwmax為電鏟最大挖掘高度，m。

伊敏露天礦采掘設(shè)備為1 臺EX－8000 液壓正鏟、4 臺WK－35 電鏟、6 臺WK－20 型電鏟和1 臺WK－10B 型電鏟，其中WK－10B 型電鏟僅作為其他電鏟大修時的備用設(shè)備，可以布置在煤層頂板臺階等非全高臺階，所以針對實際情況，本次研究不再考慮WK－10B 型電鏟。僅考慮WK－20、WK－35、EX8000 3 種型號電鏟。

通過對各個型號的電鏟作業(yè)參數(shù)進行整理，伊敏露天礦電鏟型號主要有：①WK－20 型電鏟：最大挖掘高度14.4 m；②WK－35 型電鏟：最大挖掘高度16.2 m；③EX－8000 液壓正鏟：最大挖掘高度20.5 m?？芍撩袈短斓V的主要采掘設(shè)備中，WK－20 型電鏟的最大挖掘高度最小，為14.4 m。所以伊敏露天礦的采掘臺階高度的應(yīng)當(dāng)以WK－20 電鏟為準(zhǔn)。

WK－20 型電鏟推壓軸高度為8 m，那么伊敏露天礦的臺階高度H 必須滿足H≤14.4 m；而且應(yīng)當(dāng)盡量滿足

因此，臺階高度建議在5.3～14.4 m，考慮目前的臺階高度已經(jīng)為12 m，本次調(diào)整的目的是增加臺階高度，減少臺階數(shù)量。最終提出了3 個方案，分別為12、13、14 m。

2.2 方案對比

2022 年以后，通過地質(zhì)資料分析，在伊敏露天礦三采區(qū)范圍內(nèi)，15 號煤層頂部剝離物厚度在輪斗連續(xù)系統(tǒng)下部72～125 m。16中煤層至15 煤之間夾矸層厚度24～28 m。16下煤層至16中煤層之間夾矸厚度在0～56 m。結(jié)合各部分剝離物厚度，對臺階高度選取的合理性進行分析。

15 煤和16中夾矸層厚度24～28 m，當(dāng)臺階高度為12～13 m 時，局部需要劃分3 個臺階，采用14 m時，僅需要劃分2 個臺階；針對16中和16下煤之間的夾矸層，其厚度在0～58 m 之間，當(dāng)采用12～14 m時，均為5 個臺階；針對15 煤以上的剝離部分，厚度在72～125 m 之間，在引入輪斗連續(xù)系統(tǒng)后，頂部剝離一臺階高度為18 m 的情況下，當(dāng)臺階高度為12 m 時，剝離臺階最多為10 個，臺階高度為13 m 時，剝離臺階最多為9 個，臺階高度為14 m 時，剝離臺階最多為8 個。

綜上可知，臺階高度為12 m 時，剝離臺階總數(shù)18 個；臺階高度為13 m 時，剝離臺階總數(shù)為17 個；臺階高度為14 m 時，剝離臺階總數(shù)為15 個。同時在臺階高度12 m 時，15 號煤層上部剝離物的推進幫坡角為9°，臺階高度在調(diào)整至14 m 時，15 號煤層上部剝離物的推進幫坡角為10.44°。由于幫坡角增加，可以降低年剝離量，有效提高經(jīng)濟效益。所以臺階高度增加至14 m 是有必要的。采場剝離臺階數(shù)量及幫坡角對比見表1。

表1 采場剝離臺階數(shù)量及幫坡角對比

2.3 可行性分析

臺階高度調(diào)整后，電鏟的推進度將有所變化，現(xiàn)結(jié)合電鏟最大推進度和伊敏露天礦整體推進度，對調(diào)整后的可行性進行分析。WK－20 型電鏟在伊敏露天礦作業(yè)條件下，平均生產(chǎn)能力約為500 萬m3/a。電鏟后部電纜長度最大為400 m，所以實際生產(chǎn)中，選取的最小工作線長度約為350 m。依據(jù)上述參數(shù)，WK－20 型電鏟的最大推進度為：

式中：D 為年推進度，m；Q 為WK－20 電鏟年剝離量，500 萬m3；L 為工作線長度，350 m；H 為臺階高度，14 m。

經(jīng)計算，WK－20 電鏟年最大推進度為1 020 m，而伊敏露天礦年推進度約為400～450 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電鏟可實現(xiàn)的最大推進度。所以臺階高度調(diào)整至14 m 后，電鏟的推進能力仍然能夠適應(yīng)露天礦的整體推進需求。

同時當(dāng)采掘臺階高度調(diào)整至14 m 后，主要采掘設(shè)備WK－20 和WK－35 型電鏟完全能夠滿足安全生產(chǎn)條件，且效率不受影響。對于EX8000 型液壓正鏟，其最大采掘高度遠(yuǎn)大于14 m，且根據(jù)露天礦實際生產(chǎn)總結(jié)，該電鏟臺階高度大于8 m 時，滿斗率就可以滿足生產(chǎn)需要。

3 調(diào)整后的優(yōu)勢

根據(jù)伊敏露天礦采掘規(guī)劃研究，2026 年后，伊敏露天礦的臺階總數(shù)量將達到22 個，其中剝離臺階18 個。如果臺階高度調(diào)整至14 m，在考慮煤層分層賦存導(dǎo)致的不整臺階因素，可以減少臺階數(shù)量3 個。結(jié)合伊敏露天礦的設(shè)備型號及參數(shù)，采掘最小工作平盤寬度為72 m。按照減少3 個臺階計算。調(diào)整后，伊敏露天礦推進幫占據(jù)的空間可以減少216 m，能夠有效減少推進幫的空間占用，縮小露天礦采場、排土場的間距，縮短露天礦的運輸距離。

另外調(diào)整臺階高度后，推進幫幫坡角可以提高近1.5°，預(yù)估可以減少年度剝離量約為1 000 萬m3，可以有效地降低伊敏露天礦的年剝采比，提高經(jīng)濟效益。同時隨著三采區(qū)逐步推進，伊敏露天礦煤層將進一步降深，最大采深將達到225 m。在煤層降深期間，臺階高度增加至14 m 能夠延緩新臺階的出現(xiàn)時間，減少煤層降深帶來的影響。

4 結(jié)語

由于伊敏露天礦進入三采區(qū)后，煤層賦存深度逐年增加，臺階數(shù)量將有所增多。在產(chǎn)能核增至35.0 Mt/a 后，伊敏露天礦完成了設(shè)備型號的大型化升級。升級完成后，已經(jīng)具備了增加臺階高度的條件。對伊敏露天礦臺階高度調(diào)整的方案進行了詳細(xì)論述，最終確定臺階高度為14 m。且研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后，伊敏露天礦推進幫坡角增加，年剝離量減少，臺階數(shù)量減少，能夠切實提高經(jīng)濟效益，同時能夠使露天礦更好的應(yīng)對煤層降深帶來的問題。