伊敏露天礦半連續(xù)工藝開采參數(shù)優(yōu)化研究

胡鵬飛，袁金祥

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 伊敏露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134）

露天礦半連續(xù)開采工藝是被世界采礦工作者公認(rèn)為最具發(fā)展前景的一種開采工藝，近幾十年來發(fā)展迅速，兼顧了連續(xù)工藝和間斷工藝的優(yōu)點(diǎn)，具有生產(chǎn)高效、生產(chǎn)成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中展現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力[1-3]。伊敏露天礦于2008 年引進(jìn)的采煤自移式破碎機(jī)半連續(xù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)能力900 萬t/a。自2011 年以來，經(jīng)過不斷的運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，目前平均年產(chǎn)煤炭已超1 000 萬t，成為國內(nèi)半連續(xù)工藝成功應(yīng)用案例之一。

伊敏露天礦半連續(xù)系統(tǒng)，主要采掘16＃煤層的中下部，采用主采臺階和下分臺階組合臺階形式開采[4]。在伊敏露天礦二、三采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向過渡期間，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，增加主采臺階矮臺階，形成了“主采臺階高臺階16 m+主采臺階矮臺階6 m+下分臺階8 m”新的組合臺階形式，使半連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)在向期間仍然可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。2020 年伊敏露天礦完成了扇形轉(zhuǎn)向，同年伊敏露天礦產(chǎn)能核增至2 700 萬t/a，在推進(jìn)方式和推進(jìn)速度均發(fā)生變化的情況下，半連續(xù)系統(tǒng)的推進(jìn)與露天礦整體推進(jìn)出現(xiàn)了不匹配的現(xiàn)象。2021 年這一問題更加凸顯，半連續(xù)系統(tǒng)推進(jìn)速度明顯低于上部臺階，導(dǎo)致內(nèi)排土場空間釋放受限，生產(chǎn)接續(xù)緊張[5-8]。為此，伊敏露天礦圍繞半連續(xù)系統(tǒng)的開采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在半連續(xù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)能力的前提下，使系統(tǒng)推進(jìn)度與露天礦整體協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以保證生產(chǎn)接續(xù)穩(wěn)定。

1 生產(chǎn)接續(xù)問題產(chǎn)生原因

伊敏露天礦使用連續(xù)工藝、單斗-卡車間斷工藝、半連續(xù)工藝的聯(lián)合開采工藝進(jìn)行采剝作業(yè)。多種工藝并存導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，在生產(chǎn)中易出現(xiàn)推進(jìn)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。在完成采區(qū)轉(zhuǎn)向后，半連續(xù)系統(tǒng)仍然沿用“主采臺階高臺階16 m+主采臺階矮臺階6 m+下分臺階8 m”的組合臺階形式。開采參數(shù)為總臺階高度30 m、工作線長度700 m、采掘帶寬度25 m，并繼續(xù)采用4 采1 移的方式。半連續(xù)系統(tǒng)的推進(jìn)慢于上部各采掘臺階，限制了內(nèi)排土場空間的釋放，出現(xiàn)了生產(chǎn)接續(xù)緊張的問題。

1）由于半連續(xù)系統(tǒng)自身特性，只有將單周期可采量全部采掘完成，工作面帶式輸送機(jī)移設(shè)后，才能釋放下部空間。而當(dāng)半連續(xù)系統(tǒng)單周期可采量較多，移設(shè)后釋放內(nèi)排土場的空間不足以維持到下次移設(shè)時(shí)，就會出現(xiàn)排土接續(xù)緊張的問題。

2）半連續(xù)系統(tǒng)下部煤炭的開采速度下降。由于煤層賦存變化的原因，半連續(xù)系統(tǒng)采掘后的底板煤炭裂隙發(fā)育不良，導(dǎo)致煤層所含水處理的時(shí)間增加，底板煤炭采掘工期延長。進(jìn)一步限制了內(nèi)排土場空間釋放，解決的方式也只能通過調(diào)整半連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)周期的方式解決，即調(diào)整半連續(xù)系統(tǒng)單周期可采量。

2 優(yōu)化參數(shù)及可選范圍

近年來，隨著半連續(xù)工藝的發(fā)展及應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)許多專家針對半連續(xù)系統(tǒng)的各開采要素的優(yōu)化做了廣泛研究[9-13]。而本次為了解決推進(jìn)度不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的內(nèi)排空間接續(xù)問題，需要通過調(diào)整半連續(xù)系統(tǒng)單周期可采量的方式解決。但是在優(yōu)化調(diào)整中，要減少對半連續(xù)系統(tǒng)采掘效率的影響，確保半連續(xù)系統(tǒng)保持900 萬t/a 的生產(chǎn)能力。所以在各項(xiàng)參數(shù)中，僅針對采掘帶數(shù)量、組合臺階高度、工作線長度3 個(gè)要素進(jìn)行優(yōu)化研究。在研究前，首先確定了各參數(shù)可選的范圍，減少后期的無效計(jì)算。

1）采掘帶數(shù)量。采掘帶數(shù)量受到設(shè)備的外形尺寸和實(shí)際的生產(chǎn)組織2 個(gè)方面的限制。伊敏露天礦半連續(xù)系統(tǒng)最大可以實(shí)現(xiàn)4 個(gè)采掘帶，當(dāng)采掘帶數(shù)量少于3 個(gè)時(shí)，半連續(xù)系統(tǒng)將面臨頻繁移設(shè)，并不合理，所以采掘帶數(shù)量僅考慮3～4 個(gè)。

2）組合臺階高度?？紤]到半連續(xù)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，組合臺階高度的取值存在以下限制：①除主采臺階高臺階外，其它2 個(gè)采掘臺階高度不宜降低；②主采臺階高臺階高度不宜低于12 m。最終選取的組合臺階高度取值范圍為12～30 m，并取4 m 作為遞增梯度。

3）工作線長度。工作線長度的取值受限于以下2 個(gè)方面：①三采區(qū)的采煤工作線總長度；②考慮系統(tǒng)移設(shè)頻次不能過大。因此工作線長度取值范圍選取500～800 m，并取50 m 作為遞增梯度。

3 開采參數(shù)優(yōu)化

3.1 各方案單周期可采量

根據(jù)各個(gè)參數(shù)的取值范圍，可以計(jì)算出各方案單周期的可采量。半連續(xù)系統(tǒng)的單周期可采量：

式中：Q為1 個(gè)移設(shè)周期內(nèi)可采量，萬t；L為工作線長度，m；H1為主采臺階高臺階高度，m；H2為矮臺階高度，m；H3為下分臺階高度，m；W為采掘帶寬度，25 m；n 為采掘帶數(shù)量；ρ 為煤的密度，1.12 t/m3。

各方案單周期可采量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各方案單周期可采量計(jì)算結(jié)果

3.2 方案篩選

根據(jù)系統(tǒng)年產(chǎn)量、臺階高度、內(nèi)排土場接續(xù)3 個(gè)方面的影響因素，對方案進(jìn)行比選。

1）系統(tǒng)年產(chǎn)量。根據(jù)煤炭產(chǎn)量推算，伊敏露天礦的年推進(jìn)度預(yù)計(jì)為450 m。按照3 個(gè)采掘帶計(jì)算，系統(tǒng)每年需要移設(shè)6 次，移設(shè)時(shí)間預(yù)計(jì)42 d，實(shí)際作業(yè)時(shí)間329 d。根據(jù)近年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，半連續(xù)系統(tǒng)的平均效率為2.7 萬t/d，據(jù)此計(jì)算出3 個(gè)采掘帶的方案下，半連續(xù)系統(tǒng)年產(chǎn)量為888 萬t。在4 個(gè)采掘帶方案中，每年移設(shè)時(shí)間預(yù)計(jì)最大為30 d，實(shí)際作業(yè)時(shí)間335 d，按照2.7 萬t/d 的效率計(jì)算，半連續(xù)系統(tǒng)年產(chǎn)量為904 萬t。由此可見，3 個(gè)采掘帶的方案，由于半連續(xù)系統(tǒng)受移設(shè)時(shí)間長的影響，年產(chǎn)量小于設(shè)計(jì)的900 萬t/a，所以此方案不合理。在4 個(gè)采掘帶的各個(gè)方案中，按照年煤炭產(chǎn)量900 萬t，最多移設(shè)5 次計(jì)算，單周期內(nèi)可采量不能小于180 萬t，所以僅保留4 個(gè)采掘帶中可采量大于180 萬t 的方案。

2）內(nèi)排土場接續(xù)。由于半連續(xù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，只有工作面帶式輸送機(jī)移設(shè)后，下部臺階才能推進(jìn)。半連續(xù)系統(tǒng)的單周期采掘時(shí)間和疏干降水時(shí)間的和必須小于移設(shè)釋放內(nèi)排空間的回填時(shí)間，否則將出現(xiàn)接續(xù)問題。在4 個(gè)采掘帶條件下，半連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)1 次釋放的排土空間約為3 150 萬m3，能夠滿足排土84 d 排土的需要。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際，半連續(xù)系統(tǒng)下部疏干降水的時(shí)間預(yù)計(jì)需要10 d，所以半連續(xù)系統(tǒng)單周期內(nèi)的采掘時(shí)間不能大于74 d，按照半連續(xù)系統(tǒng)2.7 萬t/d 的效率計(jì)算，單周期內(nèi)的可采量不能大于200 萬t。因此保留單周期內(nèi)可采量小于等于200 萬t的方案。

3）臺階高度。在臺階高度方面，雖然半連續(xù)系統(tǒng)較為靈活，組合臺階高度的選取值較多。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，臺階高度大于22 m 時(shí)，就需要采掘2 個(gè)6 m 的小臺階，同時(shí)系統(tǒng)每次移設(shè)完成前，需要單斗卡車采掘開切口，增加了生產(chǎn)組織的復(fù)雜性。臺階高度較低將影響半連續(xù)系統(tǒng)的效率，存在不能完成900 萬t/a 生產(chǎn)目標(biāo)的可能。因此僅考慮臺階高度小于等于22 m 的方案。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化篩選結(jié)果，最佳的方案為半連續(xù)系統(tǒng)的組合臺階高度22 m，仍然采用4 個(gè)采掘帶的生產(chǎn)組織模式，工作線長度范圍為750～800 m 之間。此方案能夠保證半連續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)效率不受影響的同時(shí)，推進(jìn)度滿足生產(chǎn)接續(xù)的需要。

4 結(jié)語

通過對伊敏露天礦半連續(xù)系統(tǒng)的采掘帶數(shù)量、臺階高度、工作線長度進(jìn)行優(yōu)化分析，確定了半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)在2 700 萬t/a 的能力條件下各項(xiàng)參數(shù)的最佳布置方案，解決了伊敏露天礦由于生產(chǎn)能力變化導(dǎo)致的推進(jìn)度不協(xié)調(diào)的問題。研究成果已經(jīng)成功運(yùn)用到伊敏露天礦實(shí)際生產(chǎn)中，將半連續(xù)系統(tǒng)的推進(jìn)度與整體推進(jìn)度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保了伊敏露天礦的生產(chǎn)接續(xù)穩(wěn)定。