復(fù)合煤層露天礦多采區(qū)配采推進(jìn)度模型優(yōu)化

劉光偉，張 靖，于秋宇，宋佳琛，董瑞榮

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134；3.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

我國(guó)煤炭資源豐富，但地質(zhì)條件復(fù)雜程度高[1]，隨著我國(guó)對(duì)安全和環(huán)保的不斷重視，以及露天開采安全高效環(huán)保的特點(diǎn)，其在煤炭資源開采中所占比例越來(lái)越高[2-3]。在露天開采過(guò)程中，采區(qū)的推進(jìn)度過(guò)小，使工作線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，運(yùn)距過(guò)大，推進(jìn)度過(guò)大，使膠帶移設(shè)步距過(guò)大。因此，合理推進(jìn)度的確定一直都是露天礦生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題[4-5]?；袅趾幽下短斓V境界形狀復(fù)雜，且有多種采排工藝并存，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)有南采區(qū)、北采區(qū)和配采區(qū)并行開采。隨著礦山工程的發(fā)展，只有南內(nèi)排和中內(nèi)排能夠釋放內(nèi)排空間，內(nèi)排空間不足，采排接續(xù)困難；南采區(qū)面臨到界問(wèn)題，將急劇釋放內(nèi)排空間，而在后期的開采過(guò)程中，因受工作線長(zhǎng)度的變化、運(yùn)輸連接橋拆除、采剝工程降深等因素影響，間歇性遇到剝離洪峰，造成內(nèi)排空間釋放與剝離量產(chǎn)生在時(shí)空上不能較好地匹配，會(huì)形成多采區(qū)并行開采的情況，這種復(fù)合煤層露天礦多采區(qū)配采的問(wèn)題是露天開采理論中的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

隨著技術(shù)水平的提高，可以通過(guò)數(shù)字化建模的方法解決礦山在開采過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題[6-7]。對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題，武強(qiáng)等[8-9]根據(jù)斷層的基本屬性，運(yùn)用單一平面或者多個(gè)平面擬合斷層面的方式，推演未知斷點(diǎn)，對(duì)斷層的空間幾何形態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并且提出了基于體分割的層次三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于面向?qū)ο蟮目蚣苣Ｐ?，同時(shí)結(jié)合礦山數(shù)據(jù)特點(diǎn)及數(shù)字礦山建設(shè)目標(biāo)，提出了多源數(shù)據(jù)耦合、多種構(gòu)模方法集成、多分辨率可視化與檢測(cè)以及多維數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的理論體系，針對(duì)建模流程各環(huán)節(jié)中不確定性等問(wèn)題進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)模、資源儲(chǔ)量模擬評(píng)價(jià)和采掘工程開挖等關(guān)鍵技術(shù)方法，隨著礦山勘探、開發(fā)和復(fù)墾等進(jìn)程的推進(jìn)，三維地質(zhì)建模歷經(jīng)“構(gòu)建-模擬-修正”的動(dòng)態(tài)更新與完善過(guò)程；朱良峰等[10-11]全面而系統(tǒng)地研究了地質(zhì)斷層三維可視化構(gòu)模的原理、方法及實(shí)施過(guò)程，針對(duì)地質(zhì)斷層三維構(gòu)模的特點(diǎn)與要求，設(shè)計(jì)了一種基于邊界表示、面向地質(zhì)實(shí)體并兼顧拓?fù)潢P(guān)系的三維數(shù)據(jù)模型，以有效地組織和描述包含斷層的復(fù)雜地質(zhì)體幾何結(jié)構(gòu)模型，提出了斷層與地層的統(tǒng)一構(gòu)模技術(shù)，并解決了在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，同時(shí)基于基礎(chǔ)GIS 軟件平臺(tái)MAPGIS，利用功能強(qiáng)大的三維可視化開發(fā)平臺(tái)MAPGIS-TDE，設(shè)計(jì)、開發(fā)具有自主版權(quán)的三維地質(zhì)建模及可視化系統(tǒng)；查振高等[12]根據(jù)影響采區(qū)接續(xù)的主要因素，選取了生產(chǎn)剝采比穩(wěn)定性與大小、累計(jì)剝采比、內(nèi)排空間、采區(qū)協(xié)調(diào)性和運(yùn)輸功5 個(gè)指標(biāo)建立了露天礦采區(qū)接續(xù)優(yōu)選指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于Delphi-TOPSIS 法的采區(qū)接續(xù)優(yōu)選模型，針對(duì)霍林河露天煤礦采區(qū)劃分特點(diǎn)，提出了采區(qū)接續(xù)方案并采用Delphi-TOPSIS 模型進(jìn)行優(yōu)選，確定了最佳采區(qū)接續(xù)轉(zhuǎn)向方案并證明了方法的準(zhǔn)確性；劉桐等[13]研究了霍林河南露天礦的采區(qū)劃分和開采順序問(wèn)題，優(yōu)化了采區(qū)劃分方式和開采程序，基于模糊數(shù)學(xué)方法的采區(qū)過(guò)渡方式優(yōu)選模型，結(jié)合采區(qū)劃分與開采順序優(yōu)化結(jié)果，確定了緩幫方式，針對(duì)南礦南采區(qū)過(guò)渡優(yōu)化研究，論分析了南采區(qū)過(guò)渡閉坑期間面臨的問(wèn)題；王威欽等[14]為解決煤層群合理配采的需求及對(duì)煤質(zhì)穩(wěn)定的要求，分析了煤層賦存條件和開采方式對(duì)各煤層生產(chǎn)原煤煤質(zhì)灰分的影響，通過(guò)大量地質(zhì)鉆孔統(tǒng)計(jì)，分盤區(qū)分析計(jì)算了現(xiàn)有綜采條件下各煤層的煤質(zhì)灰分預(yù)測(cè)值，得出配采灰分，為煤層群配采提供參考依據(jù)，根據(jù)礦井開拓和發(fā)展規(guī)劃，按照合理錯(cuò)距，設(shè)計(jì)出合理的工作面配采方案，達(dá)到為選煤廠按優(yōu)化配采方案提供均質(zhì)原煤的目的；曹蘭柱等[15]為探究弱層賦存位置及形態(tài)對(duì)復(fù)合煤層露天礦邊坡滑坡模式的影響，采用剩余推力法與FLAC3D數(shù)值模擬法，結(jié)合露天礦采場(chǎng)自上而下逐水平形成的特點(diǎn)，提出一種新的復(fù)合煤層露天礦邊坡參數(shù)逐階段優(yōu)化方法，將該方法應(yīng)用于霍林河南露天礦，分3個(gè)階段優(yōu)化設(shè)計(jì)了該礦頂幫復(fù)合煤層邊坡空間形態(tài)，避免了霍林河南露天礦頂幫未降深至坑底時(shí)就沿17 煤底板弱層發(fā)生滑坡；徐勇超等[16]基于如何能夠在設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)組織過(guò)程中優(yōu)化運(yùn)距，減少柴油成本，對(duì)整個(gè)煤業(yè)的節(jié)支降耗、壓降成本、對(duì)標(biāo)管理及利潤(rùn)增長(zhǎng)都具有相當(dāng)重大的意義，從配采區(qū)與三采區(qū)之間的“鼻梁”道，一號(hào)礦礦內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化，以及二號(hào)礦一、二采區(qū)驗(yàn)收房改造這3 個(gè)方面進(jìn)行分析與討論，以此對(duì)整個(gè)煤業(yè)生產(chǎn)和壓降成本產(chǎn)生積極的影響。專家學(xué)者們的研究成果對(duì)于解決復(fù)合煤層露天礦問(wèn)題有重要的指導(dǎo)意義，但目前在露天礦多采區(qū)配采方面的研究成果較少，尤其是針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下復(fù)合煤層的露天礦。

當(dāng)開采煤層的數(shù)量多、地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度高且多采區(qū)同時(shí)開采時(shí)，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算無(wú)法滿足生產(chǎn)規(guī)劃需求，若要滿足產(chǎn)能，剝采比等要求，構(gòu)建符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。為此，在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)之上[17-18]，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的露天礦多采區(qū)配采問(wèn)題展開研究，并通過(guò)模擬開采構(gòu)建多采區(qū)推進(jìn)度數(shù)學(xué)模型，以數(shù)學(xué)模型為露天礦的采區(qū)發(fā)展規(guī)劃理論基礎(chǔ)。

1 霍林河南露天礦概況

霍林河南露天礦斷層多，煤層為復(fù)合煤層，開采煤層數(shù)多，傾角變化大且構(gòu)造發(fā)育，個(gè)別煤層局部發(fā)育，并非全區(qū)發(fā)育，可采煤層共計(jì)9 層，為6、8、10、11、14、17、19、21、24 煤層，其中14、17、19、21 為主要可采煤層；煤層傾角大，約為5°～15°，向斜兩翼傾角不一。斷層數(shù)量多，落差較大，而且相互切削。

霍林河南露天礦為大型生產(chǎn)礦山，最新產(chǎn)能核定為18 Mt/a。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展以及當(dāng)時(shí)歷史局限性，現(xiàn)有3 個(gè)采區(qū)并行開采，分別是南采區(qū)、北采區(qū)和配采區(qū)。

按照現(xiàn)有工作線布置方式，南采區(qū)工作線東西布置，向北推進(jìn)；北采區(qū)和配采區(qū)工作線南北向布置，向西推進(jìn)。采區(qū)發(fā)展方式示意圖如圖1。

圖1 采區(qū)發(fā)展方式示意圖

2 采區(qū)模擬開采與回歸分析

霍林河南露天礦煤層數(shù)量多，煤層厚度變化較大，在露天開采過(guò)程中，由于斷層的影響，采剝量往往會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化。當(dāng)變化較為劇烈時(shí)，原有的通過(guò)工作線長(zhǎng)度和煤層厚度確定采剝量的方法無(wú)法精確反映工作幫推進(jìn)過(guò)程中采剝量的變化規(guī)律。因此，采用模擬開采與回歸分析的方法，研究露天礦中采剝量隨推進(jìn)距離的變化規(guī)律，分別對(duì)各個(gè)采區(qū)發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行研究（研究露天礦中各個(gè)采區(qū)的采剝量隨推進(jìn)距離的發(fā)展變化規(guī)律）。為了表示模擬開采過(guò)程的連續(xù)性，采用累積采煤量、累積剝離量和剝采比表示模擬開采中各階段的采剝情況，并通過(guò)曲線擬合的方法構(gòu)建采區(qū)發(fā)展的數(shù)學(xué)模型。

南采區(qū)的南幫和東幫已經(jīng)形成內(nèi)排臺(tái)階，推進(jìn)方向?yàn)橛赡舷虮保喜蓞^(qū)范圍內(nèi)主要開采17 煤和21 煤，局部區(qū)域存在19 煤，主要?jiǎng)冸x物為17 煤與21 煤之間的夾矸。南采區(qū)17 煤以上覆巖已經(jīng)全部完成剝離，且已露出17 煤頂板。南采區(qū)范圍內(nèi)剩余煤量990 萬(wàn)t，剝離量1 054 萬(wàn)m3，平均剝采比為1.06 m3/t，整體剝采比較小。

以工作平盤寬度60 m，臺(tái)階坡面角70°，臺(tái)階高度12 m 為開采參數(shù)創(chuàng)建工作幫推進(jìn)模板，采區(qū)按照步距60 m 沿工作線推進(jìn)方向推進(jìn)，對(duì)累積采煤量和累積剝離量與推進(jìn)距離的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合。南采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量見(jiàn)表1，南采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖如圖2。

表1 南采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量

圖2 南采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖

隨著南采區(qū)由南向北推進(jìn)，采煤量和剝離量總體呈上升趨勢(shì)，到后期趨于平緩，原因是采區(qū)即將到界之時(shí)工作幫靠幫到界，采煤量和剝離量逐漸減少。將工程位置與工程量用散點(diǎn)圖擬合出的線性方程來(lái)描述，累計(jì)剝離量和采煤量均近似符合一次多項(xiàng)式的分布，故采用一次函數(shù)對(duì)累積采煤量和累積剝離量進(jìn)行曲線擬合，擬合度分別為R2=0.995 6 和R2=0.984 3，較為接近1，表明對(duì)于南采區(qū)推進(jìn)距離與累積采煤量和剝離量的回歸分析較為可靠。

北采區(qū)的推進(jìn)方向?yàn)橛蓶|向西，北采區(qū)范圍內(nèi)主要開采10 煤、14 煤、17 煤和21 煤，局部區(qū)域存在6 煤、8 煤、11 煤和六號(hào)路下的24 煤，主要?jiǎng)冸x物為各層煤之間的夾矸。北采區(qū)內(nèi)剩余煤量2 709 萬(wàn)t，剝離量10 263 萬(wàn)m3，采區(qū)范圍內(nèi)平均剝采比為3.62 m3/t，整體剝采比大于目標(biāo)剝采比3.4 m3/t。北采區(qū)與南采區(qū)以Fd17斷層為界，北采區(qū)與配采區(qū)以六號(hào)路為界。為了實(shí)現(xiàn)3.4 m3/t 的優(yōu)化目標(biāo)，需要研究北采區(qū)剝采比的變化情況。

按照與南采區(qū)相同的方法對(duì)北采區(qū)進(jìn)行模擬開采，并根據(jù)模擬開采得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析與曲線擬合，計(jì)算出模擬開采逐階段累積量。北采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量見(jiàn)表2，北采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖圖如圖3。

表2 北采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量

圖3 北采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖

北采區(qū)累積采煤量和剝離量分別符合一次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式的分布，累積采煤量和累計(jì)剝離量分別采用一次函數(shù)和二次函數(shù)擬合，擬合度分別為R2=0.999 2 和R2=0.999，擬合度較為接近1，表明對(duì)于北采區(qū)推進(jìn)距離與累積采煤量和剝離量的回歸分析較為可靠。

配采區(qū)的東部已經(jīng)露出21 煤底板，但尚未形成內(nèi)排土場(chǎng)，推進(jìn)方向既可以由東向西縱采推進(jìn)，也可以由南向北橫采推進(jìn)。配采區(qū)范圍內(nèi)主要開采10煤、14 煤、17 煤和21 煤，局部區(qū)域存在11 煤和24煤，主要?jiǎng)冸x物為各層煤之間的夾矸以及西部的表土。配采區(qū)內(nèi)剩余煤量約6 994 萬(wàn)t，剝離量約17 249 萬(wàn)m3，采區(qū)范圍內(nèi)平均剝采比為2.47 m3/t。

按照與南采區(qū)相同的方法對(duì)配采區(qū)進(jìn)行模擬開采，并根據(jù)模擬開采得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析與曲線擬合，計(jì)算出模擬開采逐階段累積量。配采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量見(jiàn)表3，配采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖如圖4。

圖4 配采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量散點(diǎn)圖

表3 配采區(qū)逐階段累積采煤和剝離量

配采區(qū)由東向西縱采推進(jìn)，累積采煤量和累積剝離量分別符合一次多項(xiàng)式和二次多項(xiàng)式分布，故采用一次函數(shù)和二次函數(shù)對(duì)累積采煤量和累積剝離量進(jìn)行曲線擬合，擬合度分別為R2=0.998 8 和R2=0.999 9，較為接近1，表明對(duì)于配采區(qū)縱采推進(jìn)距離與累積采煤量和累積剝離量的回歸分析較為可靠。

通過(guò)表1、表2、表3 中推進(jìn)距離與剝采比之間的關(guān)系，得出各個(gè)采區(qū)的剝采比變化情況，各采區(qū)剝采比變化散點(diǎn)圖如圖5。

圖5 各采區(qū)剝采比變化散點(diǎn)圖

各采區(qū)累積采煤量和剝離量采用二次函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，擬合度分別為R2=0.925 5，R2=0.884 6 和R2=0.989，較為接近1，表明對(duì)于各采區(qū)縱采推進(jìn)距離與累積采煤量和剝離量的回歸分析較為可靠。

3 多采區(qū)推進(jìn)度模型

根據(jù)對(duì)霍林河南露天礦3 個(gè)采區(qū)的模擬開采，分析各采區(qū)采剝量與推進(jìn)距離之前的變化趨勢(shì)，對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行函數(shù)擬合，各個(gè)采區(qū)的采煤量A′、剝離量Vs與推進(jìn)距離l 之間的函數(shù)關(guān)系如下：

1）南采區(qū)采剝量與推進(jìn)距離之前的關(guān)系。

2）北采區(qū)采剝量與推進(jìn)距離之前的關(guān)系。

3）配采區(qū)采剝量與推進(jìn)距離之前的關(guān)系。

各采區(qū)空間發(fā)展時(shí)，剝離量、采煤量的函數(shù)關(guān)系建立后，根據(jù)礦區(qū)的采煤量、剝離量和剝采比等約束條件構(gòu)建3 個(gè)采區(qū)間的推進(jìn)度函數(shù)關(guān)系。按照采煤量18 Mt/a、剝離量61.20 Mm3/a、剝采比n=3.4 m3/t為約束條件，構(gòu)建南采區(qū)、北采區(qū)和配采區(qū)的推進(jìn)度函數(shù)關(guān)系模型。

將式（1）～式（10）聯(lián)立得式（11）：

式（1）為滿足年采剝量和剝采比的3 個(gè)采區(qū)年推進(jìn)度的數(shù)學(xué)模型。

由于式（11）方程組，通過(guò)手工方法進(jìn)行求解過(guò)于復(fù)雜，錯(cuò)誤率高，而且MATLAB 軟件具有高效的數(shù)值計(jì)算功能，能將繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以簡(jiǎn)單方法計(jì)算出來(lái)，對(duì)工程中的數(shù)學(xué)問(wèn)題求解有廣泛的應(yīng)用[19]，因此，用MATLAB 軟件進(jìn)行求解。

求得的8 組解中只有2 組為實(shí)根，其中第5 組解為負(fù)根，由于推進(jìn)度不能為負(fù)值，所以只能取第6組解為3 個(gè)采區(qū)推進(jìn)度的最終解，即當(dāng)3 個(gè)采區(qū)年推進(jìn)度為ln=395.19 m、lb=218.98 m、lp=253.54 m，可以滿足采煤量指標(biāo)、剝離量指標(biāo)和剝采比約束。

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)對(duì)霍林河南露天礦3 個(gè)采區(qū)的模擬開采，分析各采區(qū)采剝量與推進(jìn)距離之間的變化趨勢(shì)，對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行函數(shù)擬合，以生產(chǎn)指標(biāo)中的采煤量、剝離量和剝采比為約束條件，構(gòu)建3 個(gè)采區(qū)推進(jìn)度之間的數(shù)學(xué)模型，得出了南采區(qū)、北采區(qū)、配采區(qū)的剩余煤量和剝離量，進(jìn)而得出平均剝采比，均符合目標(biāo)剝采比的要求。

2）根據(jù)三采區(qū)模擬開采得出的累計(jì)剝采量表，南采區(qū)、北采區(qū)、配采區(qū)均采用一次函數(shù)或二次函數(shù)分別對(duì)累積采煤量和累積剝離量進(jìn)行曲線擬合，擬合度均接近于1，表明對(duì)于各采區(qū)縱采推進(jìn)距離與累積采煤量和剝離量的回歸分析較為可靠。

3）通過(guò)MATLAB 進(jìn)行模型求解，通過(guò)對(duì)多組解進(jìn)行比較取舍，確定了3 個(gè)采區(qū)年推進(jìn)度為ln=395.19 m、lb=218.98 m、lp=253.54 m，可以滿足采煤量指標(biāo)、剝離量指標(biāo)和剝采比約束。