張 宇,馬 寧,呂貴龍,馬 力,羅 科
(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(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)
我國大型露天煤礦多采用分區(qū)開采,如哈爾烏素露天煤礦、安太堡露天煤礦、天池能源南露天煤礦等[1-3]。開采過程中,不同的轉(zhuǎn)向方式影響轉(zhuǎn)向期間的外排量、過渡時間、平均剝采比和綜合運(yùn)距等方面,因此采區(qū)間的接續(xù)轉(zhuǎn)向不僅能夠提高整體礦山開采效率,同時也能提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。例如,孫俊東在研究勝利一號露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方式時通過對三種轉(zhuǎn)向方式對比分析,得出采用扇形過渡比其他方式生產(chǎn)成本節(jié)約30萬元左右[4]。目前露天煤礦相鄰采區(qū)間中壓幫內(nèi)排留溝方式主要分為三大類,留溝方式分為全留溝和半留溝兩種[5],不同的壓幫內(nèi)排留溝方式對礦山的整體開采經(jīng)濟(jì)效益的影響程度不同。三種不同的壓幫內(nèi)排留溝方式即全壓幫內(nèi)排、全留溝內(nèi)排以及半壓幫內(nèi)排。留溝或不壓幫就是把與鄰區(qū)相鄰的端幫留出一定的高度,這樣就免去了部分剝離物的二次剝離,通過優(yōu)化壓幫高度,可使露天礦的經(jīng)濟(jì)更合理化[6,7]。
河曲露天煤礦開采深度達(dá)到200 m左右,目前本礦首采區(qū)臨近開采終了并進(jìn)入二采區(qū)開采。河曲露天礦地形復(fù)雜多變,影響推進(jìn)方向上的采深突躍變化,進(jìn)而影響最佳壓幫高度并增加生產(chǎn)組織管理難度。針對全壓幫內(nèi)排和全留溝內(nèi)排兩種不同的壓幫內(nèi)排留溝方式,主要采用兩種壓幫方式的二次剝離面積、二次剝離量、二次剝離物料的剝離費(fèi)用、二次剝離物料的運(yùn)輸費(fèi)用,以及由留溝引起的運(yùn)輸系統(tǒng)、運(yùn)輸距離、內(nèi)排土場高度、內(nèi)排容積、外排運(yùn)距、外排物料體積等指標(biāo)的變化來探索壓幫內(nèi)排對系統(tǒng)的影響。
國內(nèi)大型露天礦相鄰采區(qū)過渡方式主要有連續(xù)式和間斷式兩類[8]。采用連續(xù)式過渡方式可以利用現(xiàn)有的工作幫和已形成或正在形成的端幫向新采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡。過渡自然,無需重新拉溝,基建量小,運(yùn)距較短[9,10]。間斷式過渡方式能夠在舊采區(qū)開采結(jié)束前,在新采區(qū)內(nèi)重新拉溝布置開拓運(yùn)輸系統(tǒng),新、舊采區(qū)之間無干擾影響[11]。
在河曲露天煤礦首采區(qū)臨近開采末期時,應(yīng)充分考慮首采區(qū)與二采區(qū)相對位置關(guān)系,并結(jié)合現(xiàn)有采區(qū)接續(xù)轉(zhuǎn)向方式提出二采區(qū)首采工作面位置并確定采區(qū)間接續(xù)過渡方式,常用的轉(zhuǎn)向接續(xù)方式包括:
1)重新拉溝。是指在舊采區(qū)開采結(jié)束前,在新采區(qū)內(nèi)重新拉溝布置開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。若采用重新拉溝,則基建剝離工程量較大,需建外部排土場;采區(qū)間可采用全部壓幫進(jìn)行內(nèi)排,實(shí)現(xiàn)雙環(huán)運(yùn)輸,運(yùn)輸距離短;二次剝離量較大,隨著采深的增加,重復(fù)剝離量越大;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)緩幫留溝。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。即在原采區(qū)開采結(jié)束前,在要轉(zhuǎn)向的端幫一側(cè)按一定的開采順序自上而下逐臺階進(jìn)行緩幫剝離,直至原有采區(qū)工作幫全部到界時,原端幫已全部緩幫成新采區(qū)的工作幫[12]。
3)扇形轉(zhuǎn)向。扇型轉(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)。其特點(diǎn)是距離回轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的工作線邊緣推進(jìn)強(qiáng)度較高,隨著距離回轉(zhuǎn)中心越來越近,工作線的推進(jìn)強(qiáng)度也越來越低,內(nèi)外工作面將采用不等幅開采。工作線長度的改變導(dǎo)致扇形轉(zhuǎn)向時,每個階段的推進(jìn)度不一致,而且實(shí)際生產(chǎn)操作嚴(yán)格。[13-16]
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)向相比重新拉溝方案在工作面逐漸形成的過程中,內(nèi)排空間隨著采剝工作面推進(jìn)形成較快,雖然在一定程度上緩解了初期排土壓力,但是由于扇形轉(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,對爆破、采裝效率影響較大。緩幫留溝轉(zhuǎn)向的推進(jìn)過程中各個階段的采排關(guān)系均合理可行緩幫留溝推進(jìn)工作面更靈活,生產(chǎn)更易組織。因此采用緩幫留溝過渡方式。
在開采過程中內(nèi)排的剝離物料將端幫全部掩埋的形式稱為全壓幫內(nèi)排。在開采過程中,內(nèi)排的剝離物料不對下一采區(qū)接觸的端幫進(jìn)行壓覆,在內(nèi)排土場與下一采區(qū)相鄰處形成一條溝體,這種內(nèi)排方式稱為全留溝內(nèi)排[17-20]。
1)全壓幫內(nèi)排二次剝離面積如圖1所示。由圖1可知,二次剝離區(qū)域ΔBDF的二次剝離面積S1為:
圖1 全壓幫內(nèi)排二次剝離面積
S1=H2(cotα+cotβ)/2
(1)
式中,S1為全壓幫內(nèi)排的二次剝離面積,m2;H為露天煤礦開采深度,m;α為內(nèi)排土場最終幫坡角,(°);β為端幫邊坡坡角,(°)。
2)二次剝離量。在采用全壓幫內(nèi)排時二次剝離量V1為:
V1=S1L=H2(cotα+cotβ)L/2
(2)
式中,V1為全壓幫內(nèi)排時的二次剝離量,m3;L為首采區(qū)至二采區(qū)緩幫留溝的留溝長度,m。
3)二次剝離費(fèi)用。全壓幫內(nèi)排時的二次剝離費(fèi)用C1為:
式中,C1為全壓幫內(nèi)排二次剝離總費(fèi)用,元;A為露天礦山單位二次剝離費(fèi)用,元/m3。
2.2.1 運(yùn)輸距離分析
全壓幫內(nèi)排開采端幫雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)如圖2所示,剝離物運(yùn)距為Lw。
圖2 全壓幫內(nèi)排開采端幫雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)
式中,Lw為全壓幫內(nèi)排開采雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)剝離物料的運(yùn)距,m;La為不同開采水平下對應(yīng)工作幫工作線長度,m;Lb為不同開采水平對應(yīng)端幫工作線長度,m;Lc為不同開采水平下對應(yīng)內(nèi)排土場工作線長度,m。
以露天開采深度一半水平位置對應(yīng)的剝離物運(yùn)輸距離作為露天煤礦全壓幫內(nèi)排開采剝離物料的平均運(yùn)輸距離。
1)全壓幫內(nèi)排端幫運(yùn)輸長度如圖3所示。在不同開采水平下,端幫運(yùn)輸長度為Lbi。
圖3 全壓幫內(nèi)排端幫運(yùn)輸長度
Lbi=Ln+Hi(cotα1+cotβ1)
(5)
式中,Ln為露天礦山坑底寬度,m;Hi為露天礦山不同水平下開采標(biāo)高,m;Lbi為不同開采水平下端幫工作線長度,m;β1為露天采場工作幫坡角,(°);α1為露天開采內(nèi)排土場工作幫坡角,(°)。
2)全壓幫內(nèi)排工作線長度如圖4所示。在不同開采水平下,工作幫的工作線長度為Lai。
圖4 全壓幫內(nèi)排工作線長度
Lai=Lm+2Hicotβ
(6)
式中,Lm為露天開采坑底工作幫的工作線長度,m;Lai為不同開采水平下對應(yīng)的工作幫的工作線長度,m。
3)全壓幫內(nèi)排方案的內(nèi)排土場工作線長度如圖5所示。在不同開采水平下內(nèi)排土場的工作線長度為Lci。
圖5 全壓幫內(nèi)排內(nèi)排土場工作線長度
Lci=Lm+2Hicotβ
(7)
為簡化計(jì)算,取各個運(yùn)輸段的平均運(yùn)輸距離,即在同一水平下,最長運(yùn)距與最短運(yùn)距的平均值為該水平的內(nèi)排運(yùn)距[21],以開采水平為開采深度一半的開采水平位置時對應(yīng)的運(yùn)距為平均運(yùn)輸距離,其中Hi的取值為0.5H,通過分析計(jì)算可得:
式中,Lw1為全壓幫內(nèi)排開采剝離物料平均運(yùn)輸距離,m;La1為全壓幫內(nèi)排開采工作幫工作線的平均長度,m;Lb1為全壓幫內(nèi)排開采端幫工作線的平均長度,m;Lc1為全壓幫內(nèi)排開采內(nèi)排土場工作線的平均長度,m。
2.2.2 運(yùn)輸費(fèi)用分析
全壓幫內(nèi)排二次剝離物料的運(yùn)費(fèi)C2為:
C2=V1BLw1=H2(cotα+cotβ)LB×
式中,B為單位剝離物料運(yùn)輸費(fèi)用,元/(m3?km);C2為二次剝離物料的總運(yùn)輸費(fèi)用,元。
全壓幫內(nèi)排開采,對系統(tǒng)增加的費(fèi)用主要為二次剝離物料的剝離費(fèi)用及運(yùn)輸費(fèi)用,建立全壓幫內(nèi)排開采二采剝離費(fèi)用模型:
在平均開采深度H為150 m的情況下,河曲露天煤礦經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下:
依據(jù)以上指標(biāo)參數(shù)可計(jì)算獲得全壓幫內(nèi)排的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下:剝離物料采用端幫雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),二次剝離面積S1=49388 m2,二次剝離量V1=71611875 m3,二次剝離費(fèi)用C1=207674438元,雙環(huán)運(yùn)輸平均運(yùn)輸距離Lw1=1472 m,端幫平均長度Lb1=893 m,工作幫平均長度La1=1158 m,內(nèi)排土場平均長度Lc1=1158 m,二次剝離物料運(yùn)輸費(fèi)用C2=263665723元,二次剝離總費(fèi)用Cqyb=471340161元。
內(nèi)排土場最終幫坡角A=19°,內(nèi)排土場工作幫坡角α1=15°,工作幫最終幫坡角B=34°,工作幫坡角β1=8°,采區(qū)平均開采深度β1=150 m,溝底寬度Ln=80 m,坑底工作線長度Lm=936 m,緩幫留溝長度L=1450 m,礦山單位運(yùn)輸費(fèi)用2.5元/(m3?km),礦山單位剝離費(fèi)用2.9元/m3。
3.1.1 運(yùn)輸距離分析
首采區(qū)西端幫采用全留溝內(nèi)排開采,由于留溝的影響使原有的端幫雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)變?yōu)閱苇h(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),如圖6所示。單環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),使靠近西端幫一側(cè)的剝離物料的運(yùn)輸距離增加,從而導(dǎo)致運(yùn)輸費(fèi)用的增加。
圖6 全留溝內(nèi)排開采端幫單環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)
為考慮全留溝內(nèi)排開采引起剝離物料的運(yùn)輸距離的變化對系統(tǒng)的影響,將工作幫靠近西端幫一側(cè)的剝離物分為留溝部分A與非留溝部分B兩部分剝離物料分別進(jìn)行研究,如圖7所示。
圖7 全留溝內(nèi)排單側(cè)剝離物
B部分為非留溝區(qū)域,該區(qū)域剝離物料直接通過端幫單環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送到內(nèi)排排土場的對應(yīng)位置。
針對留溝區(qū)域A部分的剝離物料提出了兩種轉(zhuǎn)排方案。方案一為在采區(qū)外部重新建立排土場,將留溝區(qū)域(A)剝離物料全部外排至外排土場;方案二是外排土場和內(nèi)排土場相互結(jié)合,通過加高內(nèi)排土場高度,滿足內(nèi)排最大量的情況下,將剩余部分剝離物料進(jìn)行外排。
1)非留溝區(qū)域剝離物料運(yùn)輸距離。針對B部分的剝離物料,運(yùn)輸系統(tǒng)為單環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),依舊選擇留溝高度一半的水平位置所對應(yīng)的運(yùn)輸距離作為B部分剝離物料的平均運(yùn)輸距離,由圖6及圖7可得,B部分剝離物料的平均運(yùn)輸距離LWB為:
式中,Lf為工作幫半分界線至留溝區(qū)域地表的距離,m;Lm為坑底工作幫的工作線長度,m;La1、Lb1、Lc1分別為對應(yīng)水平為河曲露天煤礦開采深度一半時對應(yīng)的工作幫工作線長度、端幫長度、內(nèi)排土場工作線長度(Hi=0.5H),m。
Lk為全留溝內(nèi)排開采留溝的最大寬度,m,地表水平對應(yīng)的寬度最大。
通過對模型(11)與(12)的整理,得模型(13)為河曲露天煤礦非留溝部分(B)剝離物料的平均運(yùn)輸距離。
雙環(huán)運(yùn)輸剝離物料的平均運(yùn)輸距離為Lw1,但留溝的影響使得雙環(huán)運(yùn)輸變?yōu)閱苇h(huán)運(yùn)輸,導(dǎo)致剝離物運(yùn)輸距離發(fā)生變化。目前非留溝部分(B)剝離物料的平均運(yùn)輸距離為LWB,則B部分剝離物料運(yùn)距的變化LWB為:
2)留溝區(qū)域剝離物料運(yùn)輸距離。A部分為留溝區(qū)域?qū)?yīng)的剝離物料,針對這部分剝離物料,提出了兩種排棄方案,兩種方案中外排土場位置的選擇至關(guān)重要。不僅要符合設(shè)計(jì)規(guī)范,而且要使經(jīng)濟(jì)效益最大化。最終將外排土場建設(shè)于首采區(qū)東北部。
①方案一:留溝區(qū)域剝離物料全部外排。需確定排土場的容量大小、剝離物料的運(yùn)輸路線及距離。留溝區(qū)域的剝離物料全部外排,外排土場的大小取決于留溝區(qū)域剝離物料的體積的大小。全留溝內(nèi)排如圖8所示,留溝區(qū)域剝離物料的體積為V2。
圖8 全留溝內(nèi)排留溝區(qū)域
V2=H2(cotα+cotβ)L/2
(15)
當(dāng)開采深度H為150 m時,留溝區(qū)域剝離物料的體積為7161萬m3。在采用全部外排的情況下,外排土場排棄高度設(shè)計(jì)為72 m,外排土場占地面積大約為133.33 hm2。剝離物料從工作幫運(yùn)送到外排土場,運(yùn)輸距離為Lq1,平均運(yùn)輸距離大致為4.5 km,其運(yùn)輸距離的變化為ΔLWA1。
②方案二:滿足內(nèi)排,剩余部分外排。留溝區(qū)域的剝離物料,通過加高內(nèi)排土場高度,滿足內(nèi)排設(shè)計(jì)的最大容量,剩余剝離物料進(jìn)行外排,如圖9所示。
圖9 全留溝內(nèi)排內(nèi)排土場增高
內(nèi)排土場增高的Hp為72 m,確定內(nèi)排土場增高部分的容積為Vt。
式中,X1為留溝地表至內(nèi)排土場增高部分的安全距離,m,取60 m;Lz為內(nèi)排土場增高部分上表面寬度,m;Lg為內(nèi)排土場增高部分下表面對應(yīng)的寬度,m。
增高部分內(nèi)排土場剝離物料的容量關(guān)于開采深度H的關(guān)系式如下:
Vt=(Lm+Hcotβ-Hcotα-X1-Hpcotα)HpL
(18)
在開采深度為150 m,內(nèi)排增高度Hp為72 m,安全距離取值60 m時,確定河曲露天煤礦內(nèi)排土場增高部分的容積為47360990 m3。
剩余剝離物料需要外排,外排量Vf為:
(Lm+Hcotb-Hcota-X1-Hpcota)HpL
(19)
在開采深度為150 m時,外排量Vf的值為2419萬m3。則由此采用方案二滿足內(nèi)排部分外排的情況下,外排土場排棄高度為72 m時,確定外排土場占地面積大約為80 hm2。剝離物料從工作幫運(yùn)送到外排土場,確定平均運(yùn)輸距離Lq2大致為4.3 km。
留溝區(qū)域剝離物料一部分采用內(nèi)排,另外一部分運(yùn)至外排土場,A部分剝離物料采用內(nèi)排時的運(yùn)輸距離模型LWA2i為:
則方案二采用內(nèi)排部分剝離物料的運(yùn)輸距離變化模型ΔLWA2i為:
運(yùn)輸距離的變化ΔLWA2o與外排剝離物料的平均運(yùn)輸距離Lq2的關(guān)系為:
ΔLWA2o=Lq2-Lw1=Lq-0.5Lm-Ln-
0.5H(cotα1+cotβ1+cotβ)
(22)
3.1.2 運(yùn)輸費(fèi)用分析
針對全留溝內(nèi)排開采,提出了兩種轉(zhuǎn)排方案,方案一是全留溝內(nèi)排,留溝區(qū)域剝離物料全部外排,方案二是全留溝內(nèi)排,留溝區(qū)域剝離物料先滿足內(nèi)排需求,剩余部分剝離物料外排。針對這兩種全留溝內(nèi)排方案,分別分析計(jì)算其運(yùn)輸增加費(fèi)用與外排土場征地費(fèi)用。
3.1.2.1 留溝區(qū)域全部外排費(fèi)用分析
該部分費(fèi)用主要包括留溝區(qū)域剝離物料運(yùn)距增加引起的運(yùn)輸費(fèi)用,而留溝區(qū)域剝離物料主要包括A與B兩部分,A部分的費(fèi)用不僅有運(yùn)距增加引起的費(fèi)用,同時還有外排土場的征地費(fèi)用。
1)非留溝部分(B)剝離物料增加的運(yùn)輸費(fèi)用計(jì)算如下:
B部分剝離物料的體積為VB:
VB=(Lm-Hcotα)HL/2
(23)
由于留溝的影響,B部分剝離物料增加的運(yùn)輸距離ΔLWB和B部分剝離物料增加的運(yùn)輸費(fèi)用模型C3為:
2)留溝部分(A)剝離物料增加的費(fèi)用計(jì)算如下:
A部分剝離物料增加的運(yùn)費(fèi)C4為:
剝離物料外排的征地費(fèi)用模型為C5為:
C5=MQA
(26)
式中,M為外排土場占地面積,方案一取133.33 hm2;Q為每畝年征地費(fèi)用,取18000元/(a?hm2);A為征地年數(shù),取21 a。
采用全留溝內(nèi)排開采,留溝區(qū)域剝離物料全外排,總費(fèi)用Cqlg1=C3+C4+C5模型Cqlg1為:
Cqlg1=C3+C4+C5
(27)
3.1.2.2 留溝區(qū)域部分外排費(fèi)用分析
A部分剝離物料增加的費(fèi)用:外排內(nèi)排相結(jié)合的全留溝內(nèi)排,A部分剝離物料一部分外排,一部分內(nèi)排。
其中內(nèi)排增加的運(yùn)輸費(fèi)用模型C6:
外排土場征費(fèi)用C7、外排增加的運(yùn)費(fèi)C8:
C7=MQA
(29)
(Lm+Hcotβ-Hcotα-X1-Hpcotα)HpL]×B
[Lq-0.5Lm-Ln-0.5H(cotα1+cotβ1+cotβ)]/1000
(30)
式中,M為外排土場占地面積,hm2,方案二取100 hm2。
采用全留溝內(nèi)排開采,留溝區(qū)域內(nèi)排外排相結(jié)合,總費(fèi)用模型Cqlg2為:
Cqlg2=C6+C7+C8+C3
(31)
在平均開采深度為150 m時,分析全留溝內(nèi)排開采的各類技術(shù)指標(biāo),見表2。
表2 全留溝內(nèi)排開采經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
1)全壓幫內(nèi)排模式。采用端幫雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),剝離物料對運(yùn)輸距離較小,同時內(nèi)排空間能夠完全釋放,剝離物料不需要外排,能夠?qū)崿F(xiàn)完全內(nèi)排。由于河曲露天煤礦首采區(qū)與二采區(qū)是相鄰布置,首采區(qū)采用全壓幫內(nèi)排開采,將會導(dǎo)致二采區(qū)開采過程中與首采區(qū)接觸的西端幫大量的二次剝離量,不利于整個礦山的經(jīng)濟(jì)效益。
2)全留溝內(nèi)排模式。在開采二采區(qū)時沒有大量的二次剝離量。但是由于留溝的影響,使得內(nèi)排空間無法完全釋放,增加了剝離物料的轉(zhuǎn)排費(fèi)用,同時外排剝離物料需要征收大面積的土地,整體開采費(fèi)用較高。由于留溝的影響,使剝離物料運(yùn)輸?shù)碾p環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)變?yōu)閱苇h(huán)運(yùn)輸系統(tǒng),增加了單側(cè)剝離物料的運(yùn)輸距離,同時由于內(nèi)排過程中所有的剝離物料均依靠東端幫運(yùn)輸,增加了端幫的車流密度。
對兩種開采方式作定性定量分析,考慮河曲露天煤礦在開采深度H為150 m、留溝深度為150 m情況下,分析兩種壓幫內(nèi)排方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表3。在提出的兩種開采方式中,全留溝內(nèi)排開采具有更好的經(jīng)濟(jì)效益,更具優(yōu)越性。
表3 緩幫留溝過渡方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
綜上,河曲露天煤礦首采區(qū)過渡至二采區(qū)采用全留溝內(nèi)排的方式進(jìn)行過渡。
1)提出重新拉溝,緩幫留溝和扇形轉(zhuǎn)向三種采區(qū)轉(zhuǎn)向方式,綜合比較三種轉(zhuǎn)向方式的優(yōu)缺點(diǎn),緩幫留溝過渡為最佳方案。
2)通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,分別分析計(jì)算了全壓幫內(nèi)排和全留溝內(nèi)排二次剝離和外排等費(fèi)用。
3)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價,全留溝內(nèi)排與全壓幫內(nèi)排相比,經(jīng)濟(jì)效益更好,在這兩種內(nèi)排壓幫方式中推薦采用全留溝內(nèi)排。