露天煤矿双坑动态剥采调节新方法

赵红泽,张瑞新,刘宪权,甄 选,3

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.中煤平朔集团有限公司,山西朔州 036006;3.煤炭工业规划设计研究院有限公司,北京 100120)

露天煤矿双坑动态剥采调节新方法

赵红泽1,张瑞新1,刘宪权2,甄 选1,3

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.中煤平朔集团有限公司,山西朔州 036006;3.煤炭工业规划设计研究院有限公司,北京 100120)

针对复杂地质条件所造成的露天矿煤层突然急剧下降,形成洪峰剥采比,传统的超前剥离方法无法进行有效剥采调节的情况,运用露天采矿学的基本原理,提出了一种新的剥采比调节方法——双坑动态剥采调节方法,并详细分析了双坑跳跃式开采的不同模式、适用条件及关键影响因素。结合芦子沟背斜造成安太堡露天矿煤层由近水平变成倾斜的特殊变化,运用此方法进行了实例分析。结果表明:对于倾斜及近水平转倾斜煤层露天煤矿,双坑动态剥采调节方法可有效均衡生产剥采比,保证产量稳定,提高矿山经济效益。

露天煤矿;双坑动态剥采调节;双坑跳跃式开采;倾斜煤层;超前剥离

露天矿在保持矿石生产能力不变的情况下,所配置的设备数量、人员数量及基础设施规模很大程度上是由洪峰期的生产剥采比所决定的[1]。因此,露天矿为了保持生产能力和设备数量的稳定,常进行一段时期内的剥采比均衡,并借助开采程序的优化来调节和稳定生产剥采比。

传统的调节生产剥采比方法是通过改变开采程序和开采参数来实现的,包括调整台阶之间的相互位置、开段沟的长度、工作线推进方向及延深方向等[1-2]。对于正常生产的露天矿,常用调节生产剥采比的方法改变露天矿工作帮坡角和工作线的推进方向,但这两种方法在调节能力上有一定的限制,尤其对于倾角较大的煤层,比如大的背斜地质构造造成的煤层由近水平转为倾斜,引起自然剥采比急剧变化。如何在自然剥采比短时间内急剧变化的情况下,对生产剥采比进行调节和控制,采用传统的方法一般很难达到目的[3-10]。

我国20世纪80年代开发的大型露天矿都开采了20 a以上,在采场范围内都不同程度的出现了地质构造引起的地质条件复杂化,新开发的许多露天矿也存在大量的倾斜煤层,致使传统的剥采调节方式无法满足煤炭企业对生产剥采比调节的要求,进而影响产量及其经济效益,为此笔者提出一种双坑动态剥采比调节方法,利用1个矿山2个采场达到剥离量和采煤量的相互调节,以及生产设备设施的调配共用,达到露天矿生产能力的保持与提高,投资成本的降低,经济效益的增加。

1 双坑动态调节法

双坑动态调节法(图1)是在原采场正常推进过程中,在开采境界内未开采区域另外形成一辅助剥离采场,两采场同时推进与延深,对剥离量与采煤量进行调节,保证矿山生产剥采比的稳定,进而保证设备、人员等的相对稳定,使矿山效益最大化。

根据辅助剥离采场位置的不同,可分为两类:

(1)在推进方向剥采比较高区域拉沟延深,开辟新的超前剥离采场(图2(a)),主要适用于露天矿煤层由近水平转为倾斜,且倾角较大,必须超前剥离倾斜区上覆岩层,保证正常的露煤速度,又叫双坑跳跃式开采。

(2)在开采境界内非工作线推进方向区域拉沟延深,开辟新辅助剥离采场(图2(b)),主要适用于露天矿相邻采区有赋存较浅煤层,可以较快出煤进行配采。

2 双坑跳跃式开采

2.1 不同开采模式分析

假设露天煤矿地表为近水平状态,煤层由近水平转为倾斜,这种开采方法有两种模式,如图3所示。

图3中,D为露天矿的采深,m;ΔD为煤层下降的深度,m;H为超前剥离坑坑底距煤层顶板距离,m;

图1 双坑动态调节典型方式示意Fig.1 Typical mode of double pits dynamic regulating

图2 双坑动态调节不同方式Fig.2 Mode of double pits dynamic regulating

图3 双坑跳跃式开采剥采均衡方法示意Fig.3 Double pit-leaping mining method

β为原采坑工作帮坡角,(°);α为超前剥离坑端帮帮坡角,(°);θ为延深角,(°);C为双坑之间地表间距,m;v1为原采坑工作帮推进速度,m/a;v2为超前剥离坑工作帮推进速度,m/a。

图3(a)采用的模式为超前剥离坑延深到距离煤层顶板高度为H的位置后停止延深,然后一直推进不再延深,工作线长度不发生大的变化(为保持坑底工作线长度恒定,需随着地表距最下部煤层底板的距离增大不断扩帮)。当原采坑推进到煤层倾斜下降的区域时,原采坑和超前剥离坑基本形成一个工作帮,二者之间有一个较宽的工作平盘B1,如图4(a)所示。此后原采坑需不断延深以开采下部煤层,随着原采坑不断推进,B1平盘宽度逐渐缩小为标准平盘B2,如图4(b)所示,直至到两采坑工作帮完全接近形成标准工作帮,此时剥采比增大,剥采比均衡期结束。图4中,B1,B2为原采坑与超前剥离坑之间间隔工作平盘宽度。

图4 超前坑不继续延深的双坑调节模式Fig.4 Level advanced mode of advance stripping pit in double pit-leaping mining method

图3(b)采用的模式为超前剥离坑随着煤层下降不断延深,一直保持与煤层顶板固定高度H,同时不断推进,如图5(a)所示。由于此方法剥离掉煤层上部大部分剥离物,当原采坑推进到超前剥离坑推过的区域时可以反向剥离进行露煤。随着反向剥离,原采坑逐渐消失,如图5(b)所示和超前剥离坑工作帮并帮,此时剥采比增大,剥采比均衡期结束。

对于提出的2种开采模式,b模式为首选模式。

2.2 关键影响因素分析

双坑跳跃式开采剥采调节方法适用于露天矿煤层由近水平转为倾斜,此时开采由推进为主变为延深为主,延深速度直接决定了矿山的产量及经济效益。以b模式为例进行分析,为保证产量的稳定,必须及时延深超前剥离坑,调动设备进行超前剥离,以保证最小的可用采剥工作线和超前剥离量。

2.2.1 超前坑延深速度

延深速度首先要受到设备能力的限制,同时不同煤矿管理水平、煤层赋存、采区长度、所处地理环境、气候及地表情况等多方面原因,延深速度差别也会很大[11]。露天矿山开采第二基本规律是延深速度与工作线水平推进度成比例,因此水平推进度是制约矿坑延深能力的主要因素。

图5 超前坑不断推进和延深的双坑调节模式Fig.5 Level and vertical advanced mode of advance stripping pit in double pit-leaping mining method

如图6所示,根据工作帮坡角的定义和公式,则水平推进度与延深速度之间的关系为

式中,w为工作帮延深速度,m/a;v为工作帮推进速度,m/a。

图6 推进度和延深度的关系Fig.6 Relation between flat advanced speed and vertical advanced speed

双坑跳跃式开采主要目的是调节与均衡生产剥采比,利用超前坑进行超前剥离,超前坑的推进度及延深度决定着矿坑剥离总量,进而决定了生产剥采比。根据图3(b)及图6,均衡生产剥采比与推进度之间的关系为

式中,np为均衡生产剥采比,m3/t;V0为原采坑年剥离量,m3;Ap为年产矿量,t;xu为原采坑上部工作线平均长度,m;xd为原采坑下部工作线平均长度,m。

式(2)表明,在原采坑生产剥采比一定时,超前坑延深度w与均衡生产剥采比np呈正抛物线关系,如图7所示。其中,V0/Ap相当于原采坑生产剥采比,当w=0(即无超前坑时),均衡生产剥采比等于原采坑的生产剥采比;当均衡生产剥采比愈大时,超前剥离坑的延深速度愈大。

图7 超前坑延深速度与生产剥采比关系曲线Fig.7 Relation between vertical advanced speed and production stripping ratio of advance stripping pit

2.2.2 最小可用工作线长度

要完成矿山的年剥采总量,保证设备的实动率,每台挖掘设备都必须有足够的可用工作线长度,以避免设备停工或频繁移动,因此露天矿每个时期总可用工作线长度必须保持最小限度。

每台挖掘设备需要的有效工作线长度包括采装区、穿爆区、附加区,按必须保证至少半个月的工程量,露天矿最小总可用工作线长度为

式中,lz为最小总可用工作线长度,m;Qi为电铲平均台年能力,Mm3/a;H为标准台阶高度,m;W为标准台阶宽度,m。

式中,r为矿石密度,t/m3;n为电铲数量。

因此,当均衡生产剥采比大于原采坑生产剥采比时,剥离量增大,设备能力增加,可用工作线长度不足,必须利用超前坑增加新的工作线,满足年剥离任务的完成。

2.3 适用条件及不利因素

对于近水平赋存稳定矿床,当露天矿按照正常工作帮坡角安排剥采工程时,剥采比一般随地表变化而发生波动,当需要调节剥采比时一般通过调节平盘宽度可以实现[12-16]。但当煤层由近水平转倾斜造成底板标高突然下降时,由于延深能力的限制,无法实现原有的生产能力。制约此条件下生产能力的主要因素是剥采比突然升高,无法及时完成超出的剥离量,因此需要进行超前剥离,而通常的调节工作帮坡角的方法由于总可用工作线长度的限制,又无法提前进行有效的超前剥离,此时可采用双坑跳跃式开采法,在矿田境界内开掘新矿坑,双坑动态调节剥采量达到剥采比调整目的。

在实际生产过程中,露天煤矿总工作帮坡角一般不大于8°,超前剥离时不小于3°。根据图3(b),当煤层下降引起均衡剥采比变大形成的超前剥离量大于通用调节帮坡角方法所能超前剥离最大量时,如式(5)计算所得,煤层倾角大于5°,即煤层由近水平变为倾斜时须采用双坑跳跃式开采法。

式中,θmin为最小煤层倾角,(°)。

双坑跳跃式开采方法优点是可对剥离量和采煤量同时在时间和空间上进行四维调节,缺点是超前剥离坑需要逐步延深形成,相当于新建一个露天采场,需大量前期剥离,但与新建露天矿不同在于:原采坑已正常生产,无基建期;超前剥离坑主要用富余设备能力进行超前剥离。此外,采用超前坑后在生产上还带来如下一些不利因素需要考虑:

(1)由于煤层底板下降,超前坑下部工作面运距和高差增加,此外超前坑距内排土场距离远,造成整体综合运距加大,在目前露天煤矿主要采用单斗—卡车工艺背景下,由于汽车运输对运距的敏感性,运输成本增加。

(2)在煤层倾斜下降区域内,内排土场基底为一顺滑面,而且排弃后为一相对整体的岩体与松散排弃物的交界弱面,加上渗水、爆破震动等多方面影响,另外由于内排土场边坡高度较大,内排土场稳定性受到严重影响。原来排土场的设计参数不再适用,而且内排场容量显著减少,难以实现跟踪式同步内排。

(3)由于超前坑不断延深下降,下部水平需不断形成新的端帮运输道路,新形成的端帮道路如何与现有端帮运输道路相连,以打通超前坑到内排土场的运输通道。

3 实例分析

安太堡露天煤矿现设计生产能力22 Mt/a,剥离岩石采用单斗—卡车间断开采工艺,采煤采用单斗—卡车—地面半固定破碎站—带式输送机半连续开采工艺,主采煤层为4,9,11号。露天矿现采场工作线大致为南北方向,北部工作线长度逐渐扩帮至1 900 m。随着采场向东推进,即将遇到芦子沟背斜,煤层由近水平转为倾斜,倾角急剧增大,平均8°～12°,局部最大倾角22°,煤层落差达到270多米,地表和基岩面下降 50～100 m,倾角变大地区长1 200～2 100 m。煤层倾角加大导致覆盖层变厚、生产剥采比大幅上升、生产能力难以保证、成本增加等一系列巨大的困难。

安太堡露天矿目前自营和外包总能力为每年17 000万m3,计划年原煤产量为2 500万t,可允许的最大剥采比为6.13 m3/t。对现采区进行了剥采比均衡,均衡剥采比为6.09 m3/t,均衡期7.3 a。由图8可知,现采区剥采比由小变大又逐渐变小直至稳定,因此可以利用目前剥采比较小的有利条件来均衡背斜期间的高剥采比,但由于地表的下降,可用的工作线总长度反而减少,因此必须采用双坑跳跃式开采方式来进行剥采调节。

图8 安太堡露天矿背斜区三维模型及剥采比曲线Fig.8 3D model and stripping ratio curve of anticline area in Antaibao Surface Coal Mine

安太堡露天矿最小工作平盘宽度为40 m,一般台阶高度为15 m。采用b模式进行开采,根据超前剥离坑不采煤且最大限度剥离原则,取超前剥离坑坑底距4煤顶板15 m时停止延深。具体剥采过程可分为两坑未相接阶段(图9(a))、两坑相接阶段(图9(b))、两坑合并阶段(图9(c))。

图9 安太堡露天煤矿剥采安排方案N75500剖面Fig.9 N75500 section of stripping and mining plan in Antaibao Surface Coal Mine

4 结论

(1)双坑动态调节法作为一种新的剥采比调节方式,具有调节能力大、调节方式灵活、可动态调节的优点,适用于地质条件复杂化、传统方法无法调节的情况。

(2)双坑动态调节法包括原采坑与超前坑、原采坑与配采坑2种调节模式。对于近水平转倾斜煤层,一般采用第1种模式(又称双坑跳跃式开采),此模式又可分为超前坑保持某一水平延深、超前坑保持与煤层一定的距离延深两种方法。

(3)通过实例分析论证了双坑跳跃式开采方法的正确性与有效性。通过选择合适的超前延深时间和位置,维持适当的延深速度和最小可用工作线长度,可保证露天煤矿在近水平转倾斜煤层的复杂地质条件下产量稳定。

(4)我国大型露天煤矿矿田范围普遍存在复杂地质构造,造成煤层赋存条件大的变化,因此双坑动态调节理论与方法具有广泛的应用价值。

[1] 杨荣新.露天采矿学(下册)[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1990.

[2] 于汝绶,张瑞新,王宝庭,等.露天采矿优化理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[3] 李晋旭,李克民,杨 贺.露天矿生产剥采比控制方法研究[J].露天采矿技术,2009(1):1-4.

Li Jinxu,Li Kemin,Yang He.Research on the control method of surface mine production stripping ratio[J].Opencast Mining Technology,2009(1):1-4.

[4] 于汝绶,张瑞新,张桂军.当量经济剥采比新概念[J].中国矿业大学学报,1998,27(1):1-4.

Yu Rushou,Zhang Ruixin,Zhang Guijun.New concept of equivalent economic stripping ratio[J].Journal of China University of Mining and Technology,1998,27(1):1-4.

[5] 车兆学,才庆祥.露天煤矿内排时期下部水平开拓运输系统优化[J].煤炭科学技术,2007,35(10):33-37.

Che Zhaoxue,Cai Qingxiang.Optimization of horizontal development and transportation system at bottom of open pit mine during internal dumping period[J].Coal Science and Technology,2007,35(10): 33-37.

[6] 宋子岭,白润才,伊伯良.市场经济条件下露天矿生产剥采比控制方法[J].辽宁工程大学学报(自然科学版),2000,19(5): 454-457.

Song Ziling,Bai Runcai,Yi Boliang.The Control method of surface mining of the operational stripping ratio on condition of market-economy[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2000,19(5):454-457.

[7] 宋子岭,王肇东,范军富.露天煤矿采区转向接续期间剥采工程优化[J].科技导报,2013,31(9):50-54.

Song Ziling,Wang Zhaodong,Fan Junfu.Optimization of the transition from one mining area to the next engineering for mining in section surface coal mine[J].Science and Technology Review,2013,31 (9):50-54.

[8] 利涅夫B П,鲁宾施泰因C B.变化工作帮坡角均衡露天矿的生产剥采比[J].国外金属矿山,2002(1):21-22.

[9] 才庆祥,周 伟,车兆学,等.近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究[J].中国矿业大学学报,2007,36(6):743-747.

Cai Qingxiang,Zhou Wei,Che Zhaoxue,et al.Research on the mining method and stripping ratio of steep end-slope mining in surface coal mines with flat coal deposit[J].Journal of China University of Mining and Technology,2007,36(6):743-747.

[10] B.И.普罗科片科.通过超前剥离提高露天矿工作的可靠性[J].国外金属矿山,1995(3):56-62.

[11] 于汝绶.露天矿设计理论分析[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.

[12] 赫罗宁B B,彭世济.露天矿设计理论与优化方法[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

[13] 姬长生,张幼蒂.露天矿生产能力的优化[J].煤炭学报,1998, 23(5):550-555.

Ji Changsheng,Zhang Youdi.Optimization of productive capacity of surface mine[J].Journal of China Coal Society,1998,23(5): 550-555.

[14] Ercelebi S G.Optimization of shovel-truck system for surface mining[J].SIAMM-Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy,2009,109(7):433-439.

[15] 戴智禄.露天矿采剥关系的宏观控制与微观控制[J].煤炭学报,1991,16(4):14-20.

Dai Zhilu.Macroscopic and microscopic control of relation between stripping and mining in opencast mine[J].Journal of China Coal Society,1991,16(4):14-20.

[16] 孙效玉,张维国,陈 毓,等.根据露天矿长期计划自动形成短期计划的0～1整数规划方法[J].煤炭学报,2012,37(7): 1139-1143.

Sun Xiaoyu,Zhang Weiguo,Chen Yu,et al.Automatic formation of short-term plan based on the long-term plan on open-pit mine using 0-1 integer programming[J].Journal of China Coal Society,2012, 37(7):1139-1143.

New double pits dynamic regulating mode for stripping and mining in surface coal mine

ZHAO Hong-ze1,ZHANG Rui-xin1,LIU Xian-quan2,ZHEN Xuan1,3
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China;3.Planning&Design Research Institute of Coal Industry Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

According to the sharp dropping coal seam and peaking stripping ratio caused by complicated geological conditions,which can not be solved by regulating the stripping and mining with traditional advance stripping method, a method of double pits dynamic regulating mode based on the basic principles of surface mine was put forward,and then,double pit-leaping mining mode and it’s applicable conditions and key factors were detailed analyzed.The coal seam of Antaibao Surface Coal Mine in China changes from flat seam to sharp dropping seam during the mining area of Luzigou anticline.Combining with the surface mine problems that occurred during the anticline mining area,this paper took Antaibao Surface Coal Mine as a case study.The results show that the stripping ratio is balanced and the production keeps stability,moreover,the economic benefit is improved with double pits dynamic regulating mode in sharp dropping seam surface mine.

surface coal mine;double pits dynamic regulating mode;double pit-leaping mining method;sharp dropping coal seam;advance stripping

TD824

A

0253-9993(2014)05-0855-06

赵红泽,张瑞新,刘宪权,等.露天煤矿双坑动态剥采调节新方法[J].煤炭学报,2014,39(5):855-860.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0690

Zhao Hongze,Zhang Ruixin,Liu Xianquan,et al.New double pits dynamic regulating mode for stripping and mining in surface coal mine [J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):855-860.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0690

2013-05-22 责任编辑:王婉洁

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB732002);中央高校基本科研业务专项资金资助项目(2013QZ04)

赵红泽(1978—),男,山西河津人,讲师,博士。Tel:010-62339043,E-mail:hzzhao78@163.com