河曲露天煤礦扇形采區(qū)轉(zhuǎn)向參數(shù)優(yōu)化研究

羅科 李胤達(dá) 陳樹(shù)召

【摘 ?要】論文通過(guò)分析河曲露天煤礦的內(nèi)排條件及采排現(xiàn)狀，提出了一種工作幫陡幫轉(zhuǎn)向方案，通過(guò)優(yōu)化臺(tái)階參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了短內(nèi)排跟蹤距離、無(wú)外排條件下的扇形轉(zhuǎn)向。研究表明：河曲露天煤礦工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26o，通常情況下按照優(yōu)化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18o。相比正常轉(zhuǎn)向剝離量減少了5904萬(wàn)立方米，極大地緩解了扇形轉(zhuǎn)向因不等幅開(kāi)采造成的超前剝離量加大的問(wèn)題。

【Abstract】By analyzing the internal dumping conditions and the current situation of mining and dumping in Hequ Open-Pit Coal Mine， this paper puts forward a steering scheme for the steep slope of working slope. By optimizing the step parameters， the fan-shaped steering under the condition of short internal dumping tracking distance and no external dumping is realized. Research shows that the working face of the Hequ Open-Pit Coal Mine near the center of the circle can be increased to 26o at most. Generally， the optimized minimum working face is used as the basis for layout， and the slope angle can be increased to 18o. Compared with the normal steering， the stripping volume is reduced by 59.04 million cubic meters， which greatly alleviates the problem of increasing the advance stripping volume caused by unequal amplitude mining in fan-shaped steering.

【關(guān)鍵詞】扇形轉(zhuǎn)向;工作幫陡幫;超前剝離;內(nèi)排空間;剝采比

【Keywords】fan-shaped steering; steep slope of working slope; advance stripping; internal dumping space; stripping ratio

【中圖分類(lèi)號(hào)】TD824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）12-0194-03

1 引言

我國(guó)的露天煤礦大多采用分區(qū)開(kāi)采模式，在采區(qū)接續(xù)時(shí)常常會(huì)遇到工作面轉(zhuǎn)向問(wèn)題[1]，同時(shí)，露天礦的礦權(quán)界限有時(shí)也會(huì)以煤層賦存形態(tài)劃分，這使得單個(gè)采區(qū)內(nèi)也會(huì)存在轉(zhuǎn)向問(wèn)題[2]，采區(qū)轉(zhuǎn)向會(huì)為露天礦的生產(chǎn)進(jìn)度、剝采比變化、內(nèi)排運(yùn)距、內(nèi)排空間、人員組織等方面帶來(lái)一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)向問(wèn)題也進(jìn)行了深入的研究，如以?xún)?nèi)蒙古格爾哈爾烏素露天煤礦、山西平朔安太堡露天煤礦、內(nèi)蒙古伊敏河露天煤礦、新疆準(zhǔn)東天池能源南露天煤礦等為研究背景進(jìn)行了大量研究[3-6]。

上述研究分析了在采區(qū)轉(zhuǎn)向過(guò)渡過(guò)程中不同轉(zhuǎn)向方式對(duì)露天礦能力接續(xù)、剝采工作面布置、排土?xí)r空關(guān)系、剝采比變化、生產(chǎn)成本等方面的影響[7，8]。但關(guān)于河曲露天煤礦這種短內(nèi)排跟蹤距離條件下的轉(zhuǎn)向問(wèn)題研究較少，本文以河曲露天煤礦為研究背景，通過(guò)優(yōu)化臺(tái)階參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了短內(nèi)排跟蹤距離、剝離物外排條件下的扇形轉(zhuǎn)向，并通過(guò)與正常工作幫坡角轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了這一方法的可行性。

2 轉(zhuǎn)向條件分析

2.1 露天礦概述

河曲舊縣露天礦田位于山西臺(tái)地西北部，呂梁隆起北段西翼。礦田位于河曲縣城東南部27km，行政區(qū)劃隸屬河曲縣舊縣鄉(xiāng)管轄。其地理坐標(biāo)為：北緯：39°05′18″～39°09′45″;東經(jīng)：111°09′55″～111°13′50″。礦區(qū)所處煤田埋藏淺，煤層厚，煤種為長(zhǎng)焰煤，煤質(zhì)較好。礦田范圍內(nèi)有5層可采煤層，傾角為2°～3°，局部為8°。9、10、11、12號(hào)煤層為薄煤層，13號(hào)煤為主采厚煤層。露天礦采用單斗卡車(chē)間斷開(kāi)采工藝，組織管理較為簡(jiǎn)單，年推進(jìn)度約300m。

受區(qū)域構(gòu)造范家梁新窯褶皺帶的控制，井田構(gòu)造形態(tài)總體為一軸向NNW的向斜構(gòu)造，其東翼發(fā)育較多的向NNW傾伏的次一級(jí)褶曲構(gòu)造，地層傾角一般2°～3°，局部為8°，發(fā)育4條背向斜，發(fā)育2條正斷層。整體而言，本礦田褶曲寬緩，斷層不影響采區(qū)劃分，井田內(nèi)構(gòu)造尚屬簡(jiǎn)單。

2.2 內(nèi)排空間計(jì)算

內(nèi)排空間主要受坑底工作線(xiàn)位置的限制。扇形轉(zhuǎn)向過(guò)程中遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角端的工作幫需要快速推進(jìn)，造成上部臺(tái)階超前剝離較大，但內(nèi)排土場(chǎng)受工作幫最下臺(tái)階的空間限制，導(dǎo)致上部排土臺(tái)階滯后于上部剝離臺(tái)階，所以扇形轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)排空間較為緊張且與等幅開(kāi)采相比端幫運(yùn)距加大。最終的采排關(guān)系如圖1所示。

以2017年12月的排土場(chǎng)現(xiàn)狀作為研究起點(diǎn)，以工作幫最下部臺(tái)階完成轉(zhuǎn)向?yàn)榻K點(diǎn)，保留50m的最小坑底距離，利用3DMine模擬內(nèi)排過(guò)程，內(nèi)排土場(chǎng)幫坡角設(shè)置為19°，塊體模型大小采用10m×10m×5m，次級(jí)模塊采用5m×5m×2.5m，由于排土場(chǎng)巖性相同，為排棄物料，所以這樣的塊體大小能夠滿(mǎn)足計(jì)算精度。計(jì)算排土空間區(qū)域如圖1b所示。

為安排詳細(xì)的排土作業(yè)，分水平計(jì)算出排棄空間，如表1所示，表格數(shù)據(jù)為3DMine直接導(dǎo)出的模型數(shù)據(jù)，均為實(shí)方數(shù)據(jù)，而排土安排需要松方量，松方系數(shù)取1.15。

通過(guò)河曲露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向期間的剝離量與內(nèi)排空間分階段對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，從2017年12月工作幫最上部剝離臺(tái)階開(kāi)始轉(zhuǎn)向到工作幫最下煤臺(tái)階完成轉(zhuǎn)向期間，內(nèi)排的總空間是足夠的，轉(zhuǎn)向過(guò)程中不需要外排。但是在這一過(guò)程中，內(nèi)排容量不是均勻發(fā)展的，導(dǎo)致采區(qū)轉(zhuǎn)向過(guò)程中不同時(shí)期會(huì)發(fā)生內(nèi)排空間不足和排棄空間富余。這是因?yàn)榕磐翀?chǎng)在采區(qū)轉(zhuǎn)向前期是倒梯形等幅向前發(fā)展的，轉(zhuǎn)向過(guò)程中圓心側(cè)排土臺(tái)階停止向前發(fā)展，遠(yuǎn)離圓心側(cè)排土臺(tái)階扇形發(fā)展，所以當(dāng)排土場(chǎng)尤其在最下部排土工作線(xiàn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向后，排土工作線(xiàn)長(zhǎng)度驟減，最終形成2個(gè)斜坡面構(gòu)成的排土場(chǎng)。因此，在整體排土空間充足的條件下，為節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用，需要在內(nèi)排土場(chǎng)最短追蹤距離條件下完成扇形轉(zhuǎn)向。

2.3 采排條件分析

通過(guò)對(duì)河曲露天煤礦地質(zhì)資料和開(kāi)采方案的分析發(fā)現(xiàn)，河曲露天煤礦剝離和采煤工藝均為單斗卡車(chē)間斷工藝，這種

開(kāi)采工藝機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)不同轉(zhuǎn)向方式的適應(yīng)性強(qiáng);露天礦的主采煤層為13號(hào)煤，其余煤層在首采區(qū)區(qū)域性分布，所以開(kāi)采煤種較為單一，開(kāi)采過(guò)程中不需要考慮配煤要求;受首采區(qū)邊界限制，轉(zhuǎn)向過(guò)程中采剝工程量較少，轉(zhuǎn)向過(guò)渡時(shí)間不足以作為一個(gè)單獨(dú)的均衡期來(lái)考慮;由于工作線(xiàn)西側(cè)地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側(cè)端幫，轉(zhuǎn)向期間需要著重考慮物料流的合理分配，降低運(yùn)輸成本;露天礦生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)排跟進(jìn)較快，所以轉(zhuǎn)向期間內(nèi)排空間緊張，需充分利用，減少外排成本。

開(kāi)采過(guò)程采用扇形轉(zhuǎn)向方案，即沿工作面非等強(qiáng)度開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)工作線(xiàn)逐漸轉(zhuǎn)向。具體程序?yàn)椋寒?dāng)工作面向北推進(jìn)到某一位置時(shí)，調(diào)整工作線(xiàn)上不同位置的設(shè)備密度，工作線(xiàn)西段設(shè)備密度大，東端密度小，從而使工作線(xiàn)外側(cè)（西端）開(kāi)采強(qiáng)度大于內(nèi)側(cè)（東端），由等幅開(kāi)采變?yōu)椴坏确_(kāi)采，形成以工作線(xiàn)東端為圓心的扇形工作線(xiàn)發(fā)展過(guò)程，直至工作線(xiàn)方向達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再次調(diào)整工作線(xiàn)設(shè)備密度，恢復(fù)等幅開(kāi)采，完成轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)有：

①工作線(xiàn)保持平直，臺(tái)階完整，運(yùn)輸線(xiàn)路通暢;②內(nèi)排空間連續(xù)完整，內(nèi)排空間利用率較高;③內(nèi)排土場(chǎng)與工作線(xiàn)同步推進(jìn)，剝離物由工作面到排土場(chǎng)的運(yùn)輸距離較短;④設(shè)備不需要頻繁調(diào)動(dòng)，能充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力。

該方案的主要缺點(diǎn)有：

①由于轉(zhuǎn)向過(guò)程為不等幅推進(jìn)，加之西端工作線(xiàn)受首采區(qū)邊界線(xiàn)控制，工作線(xiàn)長(zhǎng)度存在波動(dòng)，這使得生產(chǎn)管理難度較大;②不等幅開(kāi)采造成超前剝離量較大，內(nèi)排跟進(jìn)相對(duì)，造成內(nèi)排空間緊張，必要時(shí)部分物料需要外排;③由于工作線(xiàn)西側(cè)地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側(cè)端幫，再加上扇形工作面西側(cè)的高強(qiáng)度快速推進(jìn)，剝離重心再次向西側(cè)端幫移動(dòng)，同時(shí)，排土空間也是扇形發(fā)展，排棄空間重心也偏向西側(cè)端幫，從而造成了西側(cè)端幫路運(yùn)輸負(fù)擔(dān)較重，必要時(shí)需要將部分西側(cè)剝離物料通過(guò)東端幫運(yùn)輸至排土場(chǎng)，加大了剝離物料的工作線(xiàn)運(yùn)距，增加了運(yùn)輸成本。

3 轉(zhuǎn)向方案

在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，為加快推進(jìn)速度及緩解內(nèi)排空間緊張問(wèn)題，最大化突出扇形轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)，減少其缺點(diǎn)，可以采用轉(zhuǎn)向過(guò)程中提高工作幫幫坡角的方式，可將采掘帶寬度減小，由上排炮孔變?yōu)閱闻牛唧w參數(shù)見(jiàn)圖3a。同時(shí)，可以采用組合臺(tái)階開(kāi)采方式，提高工作幫坡角，具體參數(shù)見(jiàn)圖3b。

工作線(xiàn)靠近圓心端的極限最小工作面可以取消采掘帶寬度，可減小到20m。以12m臺(tái)階高度，共14個(gè)臺(tái)階數(shù)量，畫(huà)出工作幫靠近圓心端的剖面，如圖4所示。由圖可以看出，當(dāng)工作幫只保留運(yùn)輸?shù)缆窌r(shí)的幫坡角可提高到26°，當(dāng)工作幫采用優(yōu)化后的最小工作平盤(pán)寬度時(shí)，幫坡角可提高到18°，由于初設(shè)中給出工作幫最終穩(wěn)定幫坡角為34°，所以采用18°幫坡角滿(mǎn)足安全需求。

綜合上述分析，本文提出了2個(gè)扇形轉(zhuǎn)向方案：

第一種方案：為加快轉(zhuǎn)向的完成，工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下按照優(yōu)化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18°。臺(tái)階布置方式如圖4所示。

第二種方案：為降低生產(chǎn)組織管理難度，工作幫幫坡角在轉(zhuǎn)向過(guò)工程中不加陡，幫坡角為9°。臺(tái)階布置方式如圖5所示。

轉(zhuǎn)向過(guò)程由于管理較為復(fù)雜，剝采工程量波動(dòng)較大，所以需要盡可能地縮短轉(zhuǎn)向時(shí)間，現(xiàn)只從空間上考慮，以工作幫最上部臺(tái)階開(kāi)始轉(zhuǎn)向?yàn)檠芯科瘘c(diǎn)，以工作幫最下臺(tái)階完成轉(zhuǎn)向?yàn)榻K點(diǎn)，使用3DMine軟件建立礦山三維模型，將空間轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)的煤巖量圈定出來(lái)。

考慮到礦巖賦存及地表黃土覆蓋物的厚度的差異，為了每年都能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量，需要具體分析轉(zhuǎn)向過(guò)程中礦巖量的變化，因此，將轉(zhuǎn)向過(guò)程按照每10°轉(zhuǎn)角為間隔，劃分為7個(gè)部分，即由7個(gè)工作面劃分整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程。工作面位置如圖6所示。

由此將整個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)域分為階段0～階段6共7個(gè)階段，階段0到階段1為現(xiàn)狀到第一個(gè)工作面，階段1到階段2為現(xiàn)狀到第一個(gè)工作面和第二個(gè)工作面之間的礦巖量，以此類(lèi)推。

陡幫轉(zhuǎn)向方案與正常轉(zhuǎn)向方案相比，縮短了剝離物料的端幫運(yùn)輸距離，以50m跟蹤距離估算，陡幫工作幫與正常工作幫相比大約節(jié)約端幫運(yùn)輸距離272m;陡幫轉(zhuǎn)向過(guò)程中剝采比較小，內(nèi)排空間不緊張，相比正常轉(zhuǎn)向剝離量減少5904萬(wàn)立方米，有效地緩解了扇形轉(zhuǎn)向因不等幅開(kāi)采造成的超前剝離量加大的問(wèn)題。

4 結(jié)論

河曲露天煤礦正常工作幫幫坡角為9°，為加快轉(zhuǎn)向工作的完成，減小運(yùn)輸費(fèi)用，緩解采區(qū)轉(zhuǎn)向期間的內(nèi)排空間緊張問(wèn)題，本文提出了局部加陡工作幫坡角的扇形轉(zhuǎn)向方案。工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下，按照優(yōu)化后的最小工作面進(jìn)行布置，幫坡角可以提高至18°。該方案支持開(kāi)采過(guò)程中工作幫幫坡角根據(jù)煤層賦存和地表起伏情況進(jìn)行靈活調(diào)整，從而縮短端幫內(nèi)排運(yùn)距和減少初期剝離量，從而實(shí)現(xiàn)采區(qū)轉(zhuǎn)向期間經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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