元寶山露天礦合理工作線長度的研究

曹蘭柱，林 木，丁春健

（1.遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；2.國家能源平莊煤業(yè)（集團）有限責任公司元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

露天煤礦的工作線長度的大小影響著煤礦企業(yè)生產(chǎn)中的采煤費用、剝離費用以及運輸物料費用等綜合成本費用的支出。一般而言，對于同一露天煤礦，當露天煤礦所運用的開采工藝和開采程序等其他條件不變時，隨著工作線長度在一定范圍內(nèi)的增長，端幫所產(chǎn)生的剝離工程量占整個露天礦總剝離工程量的比重就相應(yīng)降低，隨之而來的是該露天礦的生產(chǎn)剝采比也相應(yīng)的有所減少，年采掘排棄的費用也同樣隨之有所縮減，但運輸費用會隨著工作長度增大而增加；反之，隨著工作線長度在一定范圍內(nèi)相應(yīng)縮短，端幫所產(chǎn)生的剝離工程量占整個露天礦總剝離工程量的比重就增加，隨之而來的是生產(chǎn)剝采比也相應(yīng)的變大，采掘排棄的費用將有所增大，與此同時運輸費用會隨著工作長度縮短而減小。因此，在其他同等條件下，如礦區(qū)的地質(zhì)賦存條件、生產(chǎn)規(guī)模、開采程序和開采工藝不變的條件下，理應(yīng)存在一個合理的工作線長度，用以確保露天煤礦的經(jīng)濟效益最好，即煤礦年生產(chǎn)成本中采剝工程費用和運輸費用最低。

1 露天礦概況

元寶山露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市境內(nèi)，2019年經(jīng)國家發(fā)改委審核批準該煤礦年生產(chǎn)能力由8.00 Mt/a核增至12.00 Mt/a，該露天煤礦采用連續(xù)生產(chǎn)工藝與半連續(xù)生產(chǎn)工藝相結(jié)合的綜合開采工藝，露天煤礦上部表土第四系砂礫采用輪斗挖掘機-帶式輸送機-排土機的連續(xù)開采工藝，含煤、巖層地層采用單斗挖掘機-自卸卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝[1]。礦區(qū)主要含3個可采煤層，其中5＃、6＃2個煤層是露天煤礦的主采煤層，7＃煤以上煤層為改露天煤礦的開采煤層。露天煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備輪斗挖掘機2臺，半固定式破碎站5座，履帶式排土機3臺，12 m3的單斗挖掘機8臺，91 t礦用自卸卡車34臺，6 m3以上大型液壓反鏟2臺，其他礦用工程設(shè)備及車輛約為100臺[2]。

2 合理工作線長度

2.1 合理工作線長度確定原則

露天煤礦的工作線長度是一個受多因素影響而變化的值，每一個露天礦都存在一個在結(jié)合當前礦山的生產(chǎn)規(guī)模、市場經(jīng)濟波動變化、礦區(qū)勘探程度等因素的合理工作線長度，當影響因素變化時，應(yīng)對工作線進行適當?shù)淖兓c調(diào)整。在優(yōu)化露天礦工作線長度時，應(yīng)從經(jīng)濟與技術(shù)這2大方面做充分的考慮，以得到工作線長度的最合理值。因此，在對某一露天煤礦的工作線長度進行優(yōu)化時，除了考慮不影響露天礦開拓運輸系統(tǒng)布置，還應(yīng)充分考慮到足夠的工作長度用以確保采掘設(shè)備作業(yè)空間及作業(yè)設(shè)備數(shù)量趨于穩(wěn)定，且采掘場內(nèi)每個工作線長度應(yīng)盡量保持一致，在確保露天煤礦安全生產(chǎn)的前提下確保能滿足其生產(chǎn)能力的要求，并且減少采區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)載次數(shù)，以避免開采過程中的二次倒運量的產(chǎn)生[3]。

2.2 正常推進時期合理采煤工作線長度

元寶山露天煤礦煤層地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 元寶山露天煤礦煤層地質(zhì)參數(shù)

我國露天礦設(shè)計規(guī)范中，建議采用單斗挖掘機-自卸卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝開采的露天礦年推進度應(yīng)小于400 m[4]。結(jié)合元寶山露天礦年生產(chǎn)規(guī)模和礦區(qū)煤層賦存條件，單斗挖掘機-自卸卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝年推進度應(yīng)為300～400 m[5]。按此計算露天礦的采煤工作線長度應(yīng)為：

式中：Lg為采煤工作線長度，m；Ap為煤炭產(chǎn)量，t/a；νH為水平推進速度，m/a；h5、h6、h7為5＃、6＃、7＃煤層厚度；ρ5、ρ6、ρ7為5＃、6＃、7＃煤層密度；η5、η6、η7為5＃、6＃、7＃煤層回采率。

令Lg1、Lg2為水平推進速度νH1=300 m/a和νH2=400 m/a下所對應(yīng)的工作線長度,則元寶山露天煤開采5＃、6＃、7＃煤層時，采煤工作線長度分別為：Lg1=490 m，Lg2=370 m。

2.3 正常推進時期合理剝離工作線長度

正常推進時期合理的剝離工作線長度應(yīng)結(jié)合運輸距離的變化，還要平衡因端幫剝離量變化所導(dǎo)致煤礦在開采過程中生產(chǎn)采剝比的變化，這些因素都影響了煤礦的經(jīng)濟效益變化。如工作線長度減小，雖運距有所縮減，但生產(chǎn)采剝比有所增加；反之，工作線長度相應(yīng)增加，雖降低了某一時期的生產(chǎn)采剝比，但運距又有所增大[6]。因此，合理的工作線長度既不能過大也不能過小，經(jīng)濟合理的工作線應(yīng)是在其它影響因素不變的前提下，使剝離所生成的費用最低的長度。

開采5＃、6＃、7＃煤組時，年剝離量V與工作線長度Lg的關(guān)系如下式：

則對于年產(chǎn)煤量Ap有：

于是生產(chǎn)剝采比n為：

式中：Vg為開采該煤組的剝離量，m3；H為剝離物平均厚度，m；α 為兩端幫坡角，(°)；νH為水平推進速度，m/a；h為可采煤層厚度，m；ρ 為平均煤的密度，t/m3；η 為煤層的回采率，%；n為生產(chǎn)剝采比，m3/t。式（4）由2部分組成，其中是剝離量與采煤量的比值，稱為整剝采比，其值在某一露天煤礦通常是一個固定值，而則是由端幫剝離量的變化而引起的生產(chǎn)剝采比的增加，其數(shù)值與工作線長度成反比。因此，整剝采比是生產(chǎn)剝采比的最小值，由于端幫剝離量的存在，實際的生產(chǎn)剝采比往往要大于該固定值，因此可以通過增加工作線長度的方法來減小生產(chǎn)剝采比[7]。

2.4 產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行確定合理工作線長度

確定合理的工作線長度除應(yīng)匹配露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模的大小以及符合露天煤礦開采技術(shù)的可行性，還應(yīng)該綜合考慮礦山的年推進度，礦田的地質(zhì)賦存條件、開采工藝水平、工程裝備性能等多方面、多角度綜合分析來加以綜合確定。

當某一露天煤礦的開采工藝和年推進度確定后，為達到露天煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力的要求，當開采厚煤層時，工作線長度可在一定程度上縮減，反之當開采薄煤層時，工作線長度可相應(yīng)增長；另一方面由于剝離臺階數(shù)量及工程設(shè)備的采裝能力對推進速度影響較大，還需充分考慮臺階數(shù)量及相關(guān)剝離設(shè)備能力是否可以保證必要的推進速度，以確保開拓煤量，最終實現(xiàn)露天煤礦所要求的生產(chǎn)能力[8]。鑒于以上因素影響，在生產(chǎn)實際中常依據(jù)煤層厚度及相關(guān)設(shè)備采裝能力的年推進度來確定露天煤礦工作線長度的合理值。當然，也可根據(jù)合理工作線長度來反推需要保證的年剝離推進度，再依據(jù)剝離推進度不小于采煤推進度的要求來驗證露天煤礦剝離能力是否符合要求。產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行工作線長度Lg為：

式中：ν 為露天煤礦推進度，m/a。

對某些特定的水平或近水平煤層的露天煤礦來說，煤層平均厚度可以在理論上可以認為是不變的，這種條件下只需考慮露天煤礦的生產(chǎn)能力及推進度的影響。為了進一步分析元寶山露天煤礦產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行工作線長度的最優(yōu)值，以元寶山露天煤礦主采煤層5＃、6＃、7＃煤為計算主體。我國露天礦設(shè)計規(guī)范中，建議采用半連續(xù)生產(chǎn)工藝的露天礦年推進度應(yīng)小于400 m，依據(jù)上述分析所得相應(yīng)的推進度分別取300 m/a及400 m/a這2個值，經(jīng)濟合理工作線長度應(yīng)分別為370、390、410、430、450、470、490 m，元寶山露天煤不用推進度和工作線長度下的生產(chǎn)能力計算結(jié)果見表2。

表2 元寶山露天煤不用推進度和工作線長度下的生產(chǎn)能力

當工作線長度在390～410 m、以400 m/a作為年推進度時，元寶山露天煤礦的生產(chǎn)能力可以達到12.1～12.4 Mt/a，即可保證12.00 Mt/a的設(shè)計的生產(chǎn)規(guī)模。綜上分析可知，為保證元寶山露天煤礦既能保證經(jīng)濟上合理又能達到預(yù)期生產(chǎn)規(guī)模的大小等的要求，同時綜合其他多種因素并結(jié)合元寶山露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場出發(fā)，最終選取410 m作為元寶山露天煤礦的合理工作線長度，將此工作線、長度值代入式（4）可得出相應(yīng)的生產(chǎn)剝采比為6.38 m3/t，符合經(jīng)濟上對剝采比的要求。

3 結(jié)語

元寶山露天煤礦12.00 Mt/a的生產(chǎn)能力，采場的推進度應(yīng)維持在400 m/a，合理的工作線長度達到410 m時，可確保煤礦企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)量規(guī)模。在設(shè)計露天煤礦和實際現(xiàn)場開采中合理的工作線長度，不但可以有效降低露天煤礦企業(yè)的年采剝成本和運輸費用等生產(chǎn)成本的支出，并且可以有效提升露天煤礦的生產(chǎn)規(guī)模的大小，進而使得煤礦企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟價值與社會效益。