露天煤礦雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié)新方法

趙紅澤,張瑞新,劉憲權(quán),甄 選,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.中煤平朔集團有限公司,山西朔州 036006;3.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100120)

露天煤礦雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié)新方法

趙紅澤1,張瑞新1,劉憲權(quán)2,甄 選1,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.中煤平朔集團有限公司,山西朔州 036006;3.煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,北京 100120)

針對復(fù)雜地質(zhì)條件所造成的露天礦煤層突然急劇下降,形成洪峰剝采比,傳統(tǒng)的超前剝離方法無法進行有效剝采調(diào)節(jié)的情況,運用露天采礦學(xué)的基本原理,提出了一種新的剝采比調(diào)節(jié)方法——雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié)方法,并詳細分析了雙坑跳躍式開采的不同模式、適用條件及關(guān)鍵影響因素。結(jié)合蘆子溝背斜造成安太堡露天礦煤層由近水平變成傾斜的特殊變化,運用此方法進行了實例分析。結(jié)果表明:對于傾斜及近水平轉(zhuǎn)傾斜煤層露天煤礦,雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié)方法可有效均衡生產(chǎn)剝采比,保證產(chǎn)量穩(wěn)定,提高礦山經(jīng)濟效益。

露天煤礦;雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié);雙坑跳躍式開采;傾斜煤層;超前剝離

露天礦在保持礦石生產(chǎn)能力不變的情況下,所配置的設(shè)備數(shù)量、人員數(shù)量及基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模很大程度上是由洪峰期的生產(chǎn)剝采比所決定的[1]。因此,露天礦為了保持生產(chǎn)能力和設(shè)備數(shù)量的穩(wěn)定,常進行一段時期內(nèi)的剝采比均衡,并借助開采程序的優(yōu)化來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定生產(chǎn)剝采比。

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)生產(chǎn)剝采比方法是通過改變開采程序和開采參數(shù)來實現(xiàn)的,包括調(diào)整臺階之間的相互位置、開段溝的長度、工作線推進方向及延深方向等[1-2]。對于正常生產(chǎn)的露天礦,常用調(diào)節(jié)生產(chǎn)剝采比的方法改變露天礦工作幫坡角和工作線的推進方向,但這兩種方法在調(diào)節(jié)能力上有一定的限制,尤其對于傾角較大的煤層,比如大的背斜地質(zhì)構(gòu)造造成的煤層由近水平轉(zhuǎn)為傾斜,引起自然剝采比急劇變化。如何在自然剝采比短時間內(nèi)急劇變化的情況下,對生產(chǎn)剝采比進行調(diào)節(jié)和控制,采用傳統(tǒng)的方法一般很難達到目的[3-10]。

我國20世紀(jì)80年代開發(fā)的大型露天礦都開采了20 a以上,在采場范圍內(nèi)都不同程度的出現(xiàn)了地質(zhì)構(gòu)造引起的地質(zhì)條件復(fù)雜化,新開發(fā)的許多露天礦也存在大量的傾斜煤層,致使傳統(tǒng)的剝采調(diào)節(jié)方式無法滿足煤炭企業(yè)對生產(chǎn)剝采比調(diào)節(jié)的要求,進而影響產(chǎn)量及其經(jīng)濟效益,為此筆者提出一種雙坑動態(tài)剝采比調(diào)節(jié)方法,利用1個礦山2個采場達到剝離量和采煤量的相互調(diào)節(jié),以及生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施的調(diào)配共用,達到露天礦生產(chǎn)能力的保持與提高,投資成本的降低,經(jīng)濟效益的增加。

1 雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)法

雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)法(圖1)是在原采場正常推進過程中,在開采境界內(nèi)未開采區(qū)域另外形成一輔助剝離采場,兩采場同時推進與延深,對剝離量與采煤量進行調(diào)節(jié),保證礦山生產(chǎn)剝采比的穩(wěn)定,進而保證設(shè)備、人員等的相對穩(wěn)定,使礦山效益最大化。

根據(jù)輔助剝離采場位置的不同,可分為兩類:

(1)在推進方向剝采比較高區(qū)域拉溝延深,開辟新的超前剝離采場(圖2(a)),主要適用于露天礦煤層由近水平轉(zhuǎn)為傾斜,且傾角較大,必須超前剝離傾斜區(qū)上覆巖層,保證正常的露煤速度,又叫雙坑跳躍式開采。

(2)在開采境界內(nèi)非工作線推進方向區(qū)域拉溝延深,開辟新輔助剝離采場(圖2(b)),主要適用于露天礦相鄰采區(qū)有賦存較淺煤層,可以較快出煤進行配采。

2 雙坑跳躍式開采

2.1 不同開采模式分析

假設(shè)露天煤礦地表為近水平狀態(tài),煤層由近水平轉(zhuǎn)為傾斜,這種開采方法有兩種模式,如圖3所示。

圖3中,D為露天礦的采深,m;ΔD為煤層下降的深度,m;H為超前剝離坑坑底距煤層頂板距離,m;

圖1 雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)典型方式示意Fig.1 Typical mode of double pits dynamic regulating

圖2 雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)不同方式Fig.2 Mode of double pits dynamic regulating

圖3 雙坑跳躍式開采剝采均衡方法示意Fig.3 Double pit-leaping mining method

β為原采坑工作幫坡角,(°);α為超前剝離坑端幫幫坡角,(°);θ為延深角,(°);C為雙坑之間地表間距,m;v1為原采坑工作幫推進速度,m/a;v2為超前剝離坑工作幫推進速度,m/a。

圖3(a)采用的模式為超前剝離坑延深到距離煤層頂板高度為H的位置后停止延深,然后一直推進不再延深,工作線長度不發(fā)生大的變化(為保持坑底工作線長度恒定,需隨著地表距最下部煤層底板的距離增大不斷擴幫)。當(dāng)原采坑推進到煤層傾斜下降的區(qū)域時,原采坑和超前剝離坑基本形成一個工作幫,二者之間有一個較寬的工作平盤B1,如圖4(a)所示。此后原采坑需不斷延深以開采下部煤層,隨著原采坑不斷推進,B1平盤寬度逐漸縮小為標(biāo)準(zhǔn)平盤B2,如圖4(b)所示,直至到兩采坑工作幫完全接近形成標(biāo)準(zhǔn)工作幫,此時剝采比增大,剝采比均衡期結(jié)束。圖4中,B1,B2為原采坑與超前剝離坑之間間隔工作平盤寬度。

圖4 超前坑不繼續(xù)延深的雙坑調(diào)節(jié)模式Fig.4 Level advanced mode of advance stripping pit in double pit-leaping mining method

圖3(b)采用的模式為超前剝離坑隨著煤層下降不斷延深,一直保持與煤層頂板固定高度H,同時不斷推進,如圖5(a)所示。由于此方法剝離掉煤層上部大部分剝離物,當(dāng)原采坑推進到超前剝離坑推過的區(qū)域時可以反向剝離進行露煤。隨著反向剝離,原采坑逐漸消失,如圖5(b)所示和超前剝離坑工作幫并幫,此時剝采比增大,剝采比均衡期結(jié)束。

對于提出的2種開采模式,b模式為首選模式。

2.2 關(guān)鍵影響因素分析

雙坑跳躍式開采剝采調(diào)節(jié)方法適用于露天礦煤層由近水平轉(zhuǎn)為傾斜,此時開采由推進為主變?yōu)檠由顬橹?延深速度直接決定了礦山的產(chǎn)量及經(jīng)濟效益。以b模式為例進行分析,為保證產(chǎn)量的穩(wěn)定,必須及時延深超前剝離坑,調(diào)動設(shè)備進行超前剝離,以保證最小的可用采剝工作線和超前剝離量。

2.2.1 超前坑延深速度

延深速度首先要受到設(shè)備能力的限制,同時不同煤礦管理水平、煤層賦存、采區(qū)長度、所處地理環(huán)境、氣候及地表情況等多方面原因,延深速度差別也會很大[11]。露天礦山開采第二基本規(guī)律是延深速度與工作線水平推進度成比例,因此水平推進度是制約礦坑延深能力的主要因素。

圖5 超前坑不斷推進和延深的雙坑調(diào)節(jié)模式Fig.5 Level and vertical advanced mode of advance stripping pit in double pit-leaping mining method

如圖6所示,根據(jù)工作幫坡角的定義和公式,則水平推進度與延深速度之間的關(guān)系為

式中,w為工作幫延深速度,m/a;v為工作幫推進速度,m/a。

圖6 推進度和延深度的關(guān)系Fig.6 Relation between flat advanced speed and vertical advanced speed

雙坑跳躍式開采主要目的是調(diào)節(jié)與均衡生產(chǎn)剝采比,利用超前坑進行超前剝離,超前坑的推進度及延深度決定著礦坑剝離總量,進而決定了生產(chǎn)剝采比。根據(jù)圖3(b)及圖6,均衡生產(chǎn)剝采比與推進度之間的關(guān)系為

式中,np為均衡生產(chǎn)剝采比,m3/t;V0為原采坑年剝離量,m3;Ap為年產(chǎn)礦量,t;xu為原采坑上部工作線平均長度,m;xd為原采坑下部工作線平均長度,m。

式(2)表明,在原采坑生產(chǎn)剝采比一定時,超前坑延深度w與均衡生產(chǎn)剝采比np呈正拋物線關(guān)系,如圖7所示。其中,V0/Ap相當(dāng)于原采坑生產(chǎn)剝采比,當(dāng)w=0(即無超前坑時),均衡生產(chǎn)剝采比等于原采坑的生產(chǎn)剝采比;當(dāng)均衡生產(chǎn)剝采比愈大時,超前剝離坑的延深速度愈大。

圖7 超前坑延深速度與生產(chǎn)剝采比關(guān)系曲線Fig.7 Relation between vertical advanced speed and production stripping ratio of advance stripping pit

2.2.2 最小可用工作線長度

要完成礦山的年剝采總量,保證設(shè)備的實動率,每臺挖掘設(shè)備都必須有足夠的可用工作線長度,以避免設(shè)備停工或頻繁移動,因此露天礦每個時期總可用工作線長度必須保持最小限度。

每臺挖掘設(shè)備需要的有效工作線長度包括采裝區(qū)、穿爆區(qū)、附加區(qū),按必須保證至少半個月的工程量,露天礦最小總可用工作線長度為

式中,lz為最小總可用工作線長度,m;Qi為電鏟平均臺年能力,Mm3/a;H為標(biāo)準(zhǔn)臺階高度,m;W為標(biāo)準(zhǔn)臺階寬度,m。

式中,r為礦石密度,t/m3;n為電鏟數(shù)量。

因此,當(dāng)均衡生產(chǎn)剝采比大于原采坑生產(chǎn)剝采比時,剝離量增大,設(shè)備能力增加,可用工作線長度不足,必須利用超前坑增加新的工作線,滿足年剝離任務(wù)的完成。

2.3 適用條件及不利因素

對于近水平賦存穩(wěn)定礦床,當(dāng)露天礦按照正常工作幫坡角安排剝采工程時,剝采比一般隨地表變化而發(fā)生波動,當(dāng)需要調(diào)節(jié)剝采比時一般通過調(diào)節(jié)平盤寬度可以實現(xiàn)[12-16]。但當(dāng)煤層由近水平轉(zhuǎn)傾斜造成底板標(biāo)高突然下降時,由于延深能力的限制,無法實現(xiàn)原有的生產(chǎn)能力。制約此條件下生產(chǎn)能力的主要因素是剝采比突然升高,無法及時完成超出的剝離量,因此需要進行超前剝離,而通常的調(diào)節(jié)工作幫坡角的方法由于總可用工作線長度的限制,又無法提前進行有效的超前剝離,此時可采用雙坑跳躍式開采法,在礦田境界內(nèi)開掘新礦坑,雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)剝采量達到剝采比調(diào)整目的。

在實際生產(chǎn)過程中,露天煤礦總工作幫坡角一般不大于8°,超前剝離時不小于3°。根據(jù)圖3(b),當(dāng)煤層下降引起均衡剝采比變大形成的超前剝離量大于通用調(diào)節(jié)幫坡角方法所能超前剝離最大量時,如式(5)計算所得,煤層傾角大于5°,即煤層由近水平變?yōu)閮A斜時須采用雙坑跳躍式開采法。

式中,θmin為最小煤層傾角,(°)。

雙坑跳躍式開采方法優(yōu)點是可對剝離量和采煤量同時在時間和空間上進行四維調(diào)節(jié),缺點是超前剝離坑需要逐步延深形成,相當(dāng)于新建一個露天采場,需大量前期剝離,但與新建露天礦不同在于:原采坑已正常生產(chǎn),無基建期;超前剝離坑主要用富余設(shè)備能力進行超前剝離。此外,采用超前坑后在生產(chǎn)上還帶來如下一些不利因素需要考慮:

(1)由于煤層底板下降,超前坑下部工作面運距和高差增加,此外超前坑距內(nèi)排土場距離遠,造成整體綜合運距加大,在目前露天煤礦主要采用單斗—卡車工藝背景下,由于汽車運輸對運距的敏感性,運輸成本增加。

(2)在煤層傾斜下降區(qū)域內(nèi),內(nèi)排土場基底為一順滑面,而且排棄后為一相對整體的巖體與松散排棄物的交界弱面,加上滲水、爆破震動等多方面影響,另外由于內(nèi)排土場邊坡高度較大,內(nèi)排土場穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。原來排土場的設(shè)計參數(shù)不再適用,而且內(nèi)排場容量顯著減少,難以實現(xiàn)跟蹤式同步內(nèi)排。

(3)由于超前坑不斷延深下降,下部水平需不斷形成新的端幫運輸?shù)缆?新形成的端幫道路如何與現(xiàn)有端幫運輸?shù)缆废噙B,以打通超前坑到內(nèi)排土場的運輸通道。

3 實例分析

安太堡露天煤礦現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)能力22 Mt/a,剝離巖石采用單斗—卡車間斷開采工藝,采煤采用單斗—卡車—地面半固定破碎站—帶式輸送機半連續(xù)開采工藝,主采煤層為4,9,11號。露天礦現(xiàn)采場工作線大致為南北方向,北部工作線長度逐漸擴幫至1 900 m。隨著采場向東推進,即將遇到蘆子溝背斜,煤層由近水平轉(zhuǎn)為傾斜,傾角急劇增大,平均8°～12°,局部最大傾角22°,煤層落差達到270多米,地表和基巖面下降 50～100 m,傾角變大地區(qū)長1 200～2 100 m。煤層傾角加大導(dǎo)致覆蓋層變厚、生產(chǎn)剝采比大幅上升、生產(chǎn)能力難以保證、成本增加等一系列巨大的困難。

安太堡露天礦目前自營和外包總能力為每年17 000萬m3,計劃年原煤產(chǎn)量為2 500萬t,可允許的最大剝采比為6.13 m3/t。對現(xiàn)采區(qū)進行了剝采比均衡,均衡剝采比為6.09 m3/t,均衡期7.3 a。由圖8可知,現(xiàn)采區(qū)剝采比由小變大又逐漸變小直至穩(wěn)定,因此可以利用目前剝采比較小的有利條件來均衡背斜期間的高剝采比,但由于地表的下降,可用的工作線總長度反而減少,因此必須采用雙坑跳躍式開采方式來進行剝采調(diào)節(jié)。

圖8 安太堡露天礦背斜區(qū)三維模型及剝采比曲線Fig.8 3D model and stripping ratio curve of anticline area in Antaibao Surface Coal Mine

安太堡露天礦最小工作平盤寬度為40 m,一般臺階高度為15 m。采用b模式進行開采,根據(jù)超前剝離坑不采煤且最大限度剝離原則,取超前剝離坑坑底距4煤頂板15 m時停止延深。具體剝采過程可分為兩坑未相接階段(圖9(a))、兩坑相接階段(圖9(b))、兩坑合并階段(圖9(c))。

圖9 安太堡露天煤礦剝采安排方案N75500剖面Fig.9 N75500 section of stripping and mining plan in Antaibao Surface Coal Mine

4 結(jié)論

(1)雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)法作為一種新的剝采比調(diào)節(jié)方式,具有調(diào)節(jié)能力大、調(diào)節(jié)方式靈活、可動態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)點,適用于地質(zhì)條件復(fù)雜化、傳統(tǒng)方法無法調(diào)節(jié)的情況。

(2)雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)法包括原采坑與超前坑、原采坑與配采坑2種調(diào)節(jié)模式。對于近水平轉(zhuǎn)傾斜煤層,一般采用第1種模式(又稱雙坑跳躍式開采),此模式又可分為超前坑保持某一水平延深、超前坑保持與煤層一定的距離延深兩種方法。

(3)通過實例分析論證了雙坑跳躍式開采方法的正確性與有效性。通過選擇合適的超前延深時間和位置,維持適當(dāng)?shù)难由钏俣群妥钚】捎霉ぷ骶€長度,可保證露天煤礦在近水平轉(zhuǎn)傾斜煤層的復(fù)雜地質(zhì)條件下產(chǎn)量穩(wěn)定。

(4)我國大型露天煤礦礦田范圍普遍存在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造,造成煤層賦存條件大的變化,因此雙坑動態(tài)調(diào)節(jié)理論與方法具有廣泛的應(yīng)用價值。

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New double pits dynamic regulating mode for stripping and mining in surface coal mine

ZHAO Hong-ze1,ZHANG Rui-xin1,LIU Xian-quan2,ZHEN Xuan1,3
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China;3.Planning&Design Research Institute of Coal Industry Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

According to the sharp dropping coal seam and peaking stripping ratio caused by complicated geological conditions,which can not be solved by regulating the stripping and mining with traditional advance stripping method, a method of double pits dynamic regulating mode based on the basic principles of surface mine was put forward,and then,double pit-leaping mining mode and it’s applicable conditions and key factors were detailed analyzed.The coal seam of Antaibao Surface Coal Mine in China changes from flat seam to sharp dropping seam during the mining area of Luzigou anticline.Combining with the surface mine problems that occurred during the anticline mining area,this paper took Antaibao Surface Coal Mine as a case study.The results show that the stripping ratio is balanced and the production keeps stability,moreover,the economic benefit is improved with double pits dynamic regulating mode in sharp dropping seam surface mine.

surface coal mine;double pits dynamic regulating mode;double pit-leaping mining method;sharp dropping coal seam;advance stripping

TD824

A

0253-9993(2014)05-0855-06

趙紅澤,張瑞新,劉憲權(quán),等.露天煤礦雙坑動態(tài)剝采調(diào)節(jié)新方法[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):855-860.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0690

Zhao Hongze,Zhang Ruixin,Liu Xianquan,et al.New double pits dynamic regulating mode for stripping and mining in surface coal mine [J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):855-860.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0690

2013-05-22 責(zé)任編輯:王婉潔

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB732002);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金資助項目(2013QZ04)

趙紅澤(1978—),男,山西河津人,講師,博士。Tel:010-62339043,E-mail:hzzhao78@163.com