平朔東露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向方法研究

崔宏偉，陳再明，王利明，李 濤

（中煤平朔集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)管理中心，山西 朔州 036006）

大型露天礦煤田由于受到產(chǎn)量規(guī)模、開(kāi)采強(qiáng)度、設(shè)備規(guī)格、經(jīng)濟(jì)情況等因素影響一般采用分區(qū)開(kāi)采，即將煤田劃分若干個(gè)采區(qū)進(jìn)行采掘。分區(qū)開(kāi)采轉(zhuǎn)向方式一般有直角轉(zhuǎn)向、扇形轉(zhuǎn)向、重新拉溝等形式[1-3]。轉(zhuǎn)向過(guò)渡期間，開(kāi)采程序及轉(zhuǎn)向方式等對(duì)露天礦生產(chǎn)成本有很大影響，有時(shí)會(huì)遇到原煤接續(xù)緊張、運(yùn)距高差增加、內(nèi)排空間緊張、復(fù)墾條件困難等問(wèn)題。因此露天礦在采區(qū)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)提前對(duì)轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行論證與研究。

1 礦山概況

中煤平朔集團(tuán)有限公司是中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司的核心企業(yè)，是我國(guó)重要的出口動(dòng)力煤生產(chǎn)基地，也是全國(guó)14 個(gè)億t 級(jí)煤炭大基地之一。中煤平朔集團(tuán)有限公司東露天礦于2009 年1 月份開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)施工，目前東露天礦土巖剝離采用單斗挖掘機(jī)-卡車工藝，原煤采用單斗挖掘機(jī)-破碎站-帶式輸送機(jī)開(kāi)采工藝，是全機(jī)械化生產(chǎn)的特大型露天煤礦，主采煤層從上至下分別為4#、9#、11#煤，目前生產(chǎn)能力為2 000 萬(wàn)t/a。

目前東露天礦首采區(qū)東部地表距離首采區(qū)東邊界僅為1 km，為了穩(wěn)定東露天礦首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的原煤產(chǎn)量，需要對(duì)二采區(qū)寬度及轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行及早確定，由于東露天礦采深達(dá)200 m 以上，重新拉溝轉(zhuǎn)向方式基建工程量大，不適用，因此研究選擇扇形轉(zhuǎn)向和直角轉(zhuǎn)向2 種轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行對(duì)比分析，以確定哪個(gè)更適合東露天礦的轉(zhuǎn)向方式。

2 東露天礦二采區(qū)寬度的研究

二采區(qū)寬度主要影響后期露天礦產(chǎn)量，以及加高內(nèi)排量（或增加外排量）。二采區(qū)工作線過(guò)短，則轉(zhuǎn)向完成后，在同樣推進(jìn)強(qiáng)度下，產(chǎn)量較小，若工作線過(guò)長(zhǎng)，則內(nèi)排土場(chǎng)停止跟進(jìn)位置較早，導(dǎo)致加高內(nèi)排量（或增加外排量）過(guò)大。東露天礦首采區(qū)北部采區(qū)地表寬度約5.5 km，底部寬度約4.7 km，適宜劃分3個(gè)或2 個(gè)采區(qū)，若再多劃分采區(qū)導(dǎo)致采煤工作線過(guò)短，因此主要對(duì)比劃分3 個(gè)或者2 個(gè)采區(qū)情況。

2.1 首采區(qū)北部劃分2 個(gè)采區(qū)情況

首采區(qū)北部劃分2 個(gè)采區(qū)示意圖如圖1，首采區(qū)上部剝離臺(tái)階剛到地表界時(shí)轉(zhuǎn)向開(kāi)始，此階段產(chǎn)生的剝離總量為686.53 Mm3（實(shí)方），松方量為789.51 Mm3（松散系數(shù)取1.15），該時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，由模型計(jì)算排土空間為639.15 Mm3，差額為150.35 Mm3，因此，內(nèi)排土場(chǎng)排棄空間不足。

圖1 首采區(qū)北部劃分2 個(gè)采區(qū)示意圖

首采區(qū)4#煤工作線上部剝離臺(tái)階靠幫后（轉(zhuǎn)向過(guò)渡），此階段產(chǎn)生的剝離總量為946.66 Mm3（實(shí)方），松方量為1 088.66 Mm3（松散系數(shù)取1.15），此時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，排土空間統(tǒng)計(jì)為718.58 Mm3，差額為370.08 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)受限，內(nèi)排空間不足。

首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向，二采區(qū)11#煤工作線形成階段（轉(zhuǎn)向完成），此階段產(chǎn)生的剝離總量為1 262.72 Mm3（實(shí)方），松方量為1 452.13 Mm3（松散系數(shù)取1.15），此時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，排土空間統(tǒng)計(jì)為848.89 Mm3，差額為603.23 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)空間嚴(yán)重受限。

2.2 首采區(qū)北部劃分3 個(gè)采區(qū)情況

首采區(qū)北部劃分3 個(gè)采區(qū)示意圖如圖2。首采區(qū)上部剝離臺(tái)階剛到地表界時(shí)（轉(zhuǎn)向開(kāi)始），此階段產(chǎn)生的剝離總量為686.53 Mm3（實(shí)方），松方量為789.51 Mm3（松散系數(shù)取1.15），煤量114.88 Mt，若考慮到轉(zhuǎn)向期間的擴(kuò)幫量，采用平均剝采比計(jì)算，需進(jìn)行超前剝離，所需完成的剝離量為701.48 Mm3，需排土空間為806.70 Mm3（松散系數(shù)取1.15）。此時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，由模型計(jì)算排土空間為816.92 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)排棄略富余。

圖2 首采區(qū)北部劃分3 個(gè)采區(qū)示意圖

首采區(qū)4#煤工作線上部剝離臺(tái)階靠幫后（轉(zhuǎn)向過(guò)渡），此階段產(chǎn)生的剝離總量為888.75 Mm3（實(shí)方），松方量為1 022.06 Mm3（松散系數(shù)取1.15），煤量155.11 Mt，若考慮到轉(zhuǎn)向期間的擴(kuò)幫量，采用平均剝采比計(jì)算，需進(jìn)行超前剝離，所需完成的剝離量為947.10 Mm3，需排土空間為1 089.17 Mm3（松散系數(shù)取1.15）。此時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，由模型計(jì)算排土空間為1 096.59 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)排棄略富余。

轉(zhuǎn)向完成時(shí)，剝離總量為1 124.17 Mm3（實(shí)方），松方量為1 292.80 Mm3（松散系數(shù)取1.15）。此時(shí)排土臺(tái)階標(biāo)高為1 480 m，排土空間統(tǒng)計(jì)為1 316.10 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)空間略富余。

2.3 二采區(qū)寬度的最終確定

東露天礦首采區(qū)北部若劃分2 個(gè)采區(qū)，從首采區(qū)到二采區(qū)轉(zhuǎn)向期間，平均剝采比為6.19 m3/t；內(nèi)排土場(chǎng)跟進(jìn)受限，內(nèi)排空間嚴(yán)重不足，需要另外設(shè)置外排土場(chǎng)；東露天礦首采區(qū)北部若劃分3 個(gè)采區(qū)，從首采區(qū)到二采區(qū)轉(zhuǎn)向期間，平均剝采比為6.11 m3/t；內(nèi)排土場(chǎng)加高至1 480 m 水平時(shí)，內(nèi)排空間基本滿足排土需求。

通過(guò)剝采比、排土空間、轉(zhuǎn)向后的生產(chǎn)能力等幾個(gè)角度進(jìn)行了綜合對(duì)比，主要對(duì)比情況如下：

1）剝采比。劃分2 個(gè)采區(qū)，從現(xiàn)狀至轉(zhuǎn)向完成后平均剝采比為6.19 m3/t；劃分3 個(gè)采區(qū)，平均剝采比為6.11m3/t，二者相當(dāng)。

2）轉(zhuǎn)向排土。劃分2 個(gè)采區(qū)，排棄標(biāo)高為1 540 m，排土空間差額為603.23 Mm3，內(nèi)排土場(chǎng)空間嚴(yán)重受限；劃分3 個(gè)采區(qū)，排棄標(biāo)高為1 480 m，排土空間基本可滿足轉(zhuǎn)向期間要求。劃分3 個(gè)采區(qū)在轉(zhuǎn)向排土明顯優(yōu)于劃分2 個(gè)采區(qū)。

3）轉(zhuǎn)向后生產(chǎn)能力。劃分2 個(gè)采區(qū)時(shí)，露天礦年推進(jìn)300 m，產(chǎn)量25.0～30.0 Mt/a；年推進(jìn)350 m，產(chǎn)量30.0～35.0 Mt/a，露天礦年推進(jìn)400 m，產(chǎn)量35.0～40.0 Mt/a；劃分3 個(gè)采區(qū)時(shí)，露天礦年推進(jìn)300 m，產(chǎn)量20.0～24.0 Mt/a；年推進(jìn)350 m，產(chǎn)量23.0～28.0 Mt/a；年推進(jìn)400 m，產(chǎn)量26.0～32.0 Mt/a。劃分3 個(gè)采區(qū)轉(zhuǎn)向后，同樣推進(jìn)強(qiáng)度下略小。

綜上，在轉(zhuǎn)向完成后平均剝采比上，2 種劃分方式相當(dāng)；轉(zhuǎn)向期間的排土空間，劃分3 個(gè)采區(qū)明顯優(yōu)于劃分2 個(gè)采區(qū)，可減少603.23 Mm3向上加高或外排量，同時(shí)可為復(fù)墾還地創(chuàng)造時(shí)空條件；轉(zhuǎn)向后生成能力同樣推進(jìn)強(qiáng)度下劃分3 個(gè)采區(qū)略小，但仍可滿足未來(lái)擴(kuò)能的潛力。故認(rèn)為東露天礦首采區(qū)北部劃分3 個(gè)采區(qū),即二采區(qū)坑底寬度為1.6 km 為宜。

3 “L”型扇形轉(zhuǎn)向方案

3.1 直角與扇形轉(zhuǎn)向比較

由于直角轉(zhuǎn)向礦坑北部需要留溝，內(nèi)排土場(chǎng)需要加高，運(yùn)輸系統(tǒng)雙環(huán)運(yùn)輸變?yōu)閱苇h(huán)運(yùn)輸[4-6]，通過(guò)技術(shù)參數(shù)比較后決定進(jìn)行扇形轉(zhuǎn)向，直角轉(zhuǎn)向期和扇形轉(zhuǎn)向期綜合運(yùn)距對(duì)比情況見(jiàn)表1 和表2。

表1 直角轉(zhuǎn)向期間綜合運(yùn)距

表2 扇形轉(zhuǎn)向期間綜合運(yùn)距

3.2 傳統(tǒng)扇形轉(zhuǎn)向

扇形轉(zhuǎn)向是指調(diào)整工作幫兩側(cè)的推進(jìn)強(qiáng)度，加強(qiáng)工作幫某一側(cè)的推進(jìn)強(qiáng)度，在推進(jìn)中改變工作幫的布置方向，達(dá)到采場(chǎng)整體轉(zhuǎn)向的目的[7-8]。扇形轉(zhuǎn)向在正常情況下具有內(nèi)排跟進(jìn)效果好，轉(zhuǎn)向外排量少，轉(zhuǎn)向運(yùn)距短等優(yōu)點(diǎn)。

東露天礦目前的生產(chǎn)規(guī)模為20.0 Mt/a，按照該規(guī)模對(duì)扇形轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)向期間平均剝采比為6.13 m3/t，按照生產(chǎn)規(guī)模20.0 Mt/a 計(jì)算，每年剝離量約為122.60 Mm3。

2）按照生產(chǎn)規(guī)模20.0 Mt/a 計(jì)算，轉(zhuǎn)向時(shí)間約為10.4 年，轉(zhuǎn)向時(shí)間較長(zhǎng)。

3）轉(zhuǎn)向最大排棄標(biāo)高在1 480 m 時(shí)。

由于以上原因需要對(duì)扇形轉(zhuǎn)向進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，提出“L”形扇形轉(zhuǎn)向。

3.3 “L”形扇形轉(zhuǎn)向

由于純扇形轉(zhuǎn)向在轉(zhuǎn)向過(guò)程中有工作線逐漸變長(zhǎng)的階段，為了克服礦坑西南部工作線突變長(zhǎng)、降低剝采比、均衡工作線南北轉(zhuǎn)向角度，將南部工作線進(jìn)行縮回即形成折線型“L”型工作線。

東露天礦目前的生產(chǎn)規(guī)模為20.0 Mt/a，按照該規(guī)模對(duì)扇形轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)向期間平均剝采比為5.92 m3/t，按照生產(chǎn)規(guī)模20.0 Mt/a 計(jì)算，每年剝離量約為118.40 Mm3。

2）按照生產(chǎn)規(guī)模20.0 Mt/a 計(jì)算，轉(zhuǎn)向時(shí)間約為8.6 年。

3）轉(zhuǎn)向最大排棄標(biāo)高在1 450 m 時(shí)。

4）約69.57 Mm3剝離物綜合提升高度降15 m，綜合運(yùn)距減少2.2 km，減少運(yùn)輸成本約3.36 億元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采區(qū)過(guò)渡轉(zhuǎn)向期間的剝采比、轉(zhuǎn)向排土、轉(zhuǎn)向后的生產(chǎn)能力進(jìn)行了比對(duì),研究認(rèn)為首采區(qū)向二采區(qū)過(guò)渡期間二采區(qū)坑底寬度確定為1.6 km；針對(duì)傳統(tǒng)扇形轉(zhuǎn)向遇到的工作線變長(zhǎng)、剝采比變大的問(wèn)題，又提出了“L”扇形轉(zhuǎn)向方式，降低了轉(zhuǎn)向期間的剝采比、高差運(yùn)距、降低了內(nèi)排土場(chǎng)排棄高度，從而優(yōu)化了排土空間確保了復(fù)墾還地，可減少費(fèi)用約3.36 億元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。