复杂条件下褐煤露天矿开采程序优化

厉美杰，张瑞新,2，赵红泽,房新胜，于海里

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083；2.国家安全生产监督管理总局通信信息中心,北京 100013； 3.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司南露天煤矿，内蒙古 霍林郭勒 029200)

开采程序的优化是露天开采需要时刻考虑的问题，对基建工程、剥采均衡、煤质均衡、运距均衡等起着至关重要的作用，对稳定原煤生产成本起到了不可替代的作用。其优化的手段是结合具体的开采工艺及工程地质条件，控制最佳工作线长度，协调剥采的时空关系，合理布置施工参数。

以往许多露天矿开采程序优化是在近水平、煤层单一、煤层赋存条件较好的情况下进行，在工程施工上相对较容易。而霍林河南露天煤矿地质条件复杂，煤层为倾斜复合煤层，这种条件下，开采过程中遇到配采、采区转向及过断层等工程问题[1]。

1 霍林河南露天煤矿概况

1.1 地质条件

该区为宽缓不对称向斜构造，断层发育，两个大断层F4、F5，并派生出许多小断层；煤层多富集于向斜东翼，煤层属复合煤层，有可采煤层9个，其中14#、17#、19#、21#为主要可采煤层，煤层倾角一般为5°～15°，局部煤层倾角高达20°以上。煤层赋存较稳定，且多为中厚及厚煤层。

1.2 开采技术条件

霍林河南露天煤矿采煤采用半连续开采工艺，剥离采用单斗卡车间断工艺与半连续工艺组成的综合开采工艺。两种工艺均有卡车参与，卡车对运距敏感，卡车的油耗占生产成本较大。并且南露天矿以外排为主，没有足够的内排空间，势必增大生产成本。

1.3 煤质情况

该露天煤矿的煤种为老年褐煤，成煤时期为晚侏罗纪[2]。煤质特点：灰分高，热值低，含硫量低，易自燃。各煤层煤质差异较大，同一煤层相对稳定[3-4]。因为褐煤具有遇水泥化的特点，难以洗选，以往的风选应用效果不好。在现在煤炭市场不景气情况下，均衡煤质显得更为重要。

2 搭配开采

2.1 存在的问题

生产规模、开采工艺、开采程序三者息息相关，在露天煤矿开采中相互影响，其中任一发生改变，另外两者皆发生变化。由于南露天煤矿初始设计规模确定为10 Mt，是在南露天矿3 Mt的基础改扩建而成，并且当时我国主要以单斗铁道工艺为主，单斗卡车工艺并不成熟，这就确定了用一个矿坑的方式来完成10 Mt的产量，即全区开采[5-6]。现有工艺为单斗卡车工艺，长距离工作线不适宜卡车的运输，消耗大量柴油以及轮胎磨损，成本增高。并且随着采深增大，运距引起的费用增大问题更为明显。

露天矿南部煤质不好，露头处2800大卡，灰分24%；并且该处水大，不利开采。煤炭市场条件较差，销售量受到限制，对露天矿的生产管理相当不利。

2.2 开采方案

针对上述情况，对露天矿进行分区开采，采区之间搭配式开采。

由图1可以看出，将采掘场划分为首采区、二采区和三采区，首采区走向长3.8 km，二采区走向长2.2 km，三采区走向长4 km[7-8]。

图1 采区划分图

图2 首采区划分示意图

首采区内划分三个小采区，分别是南采区、北采区、配采区，参见图2。沿倾向方向推进，越往南推进，强度越大，推进度比例关系为：南采区200 m时，北采区为150 m，配采区为100 m。在南采区和北采区接近到界时，二采区开始基建拉沟露煤，待南采区和北采区到界时，二采区开始出煤，不影响煤炭接续。二采区仍按沿倾向方向推进，二采区初期和配采区推进度的比例关系为：配采区推进100 m时，二采区推进200 m，待赶上配采区推进位置时，按同样的推进度向前推进。因此，在工程安排上，尽快采完西南角的煤，以形成内排条件，同时协调好各采区的推进度的关系[9-11]。

2.3 方案优点

1) 由于配采区的煤质较好，灰分仅10%左右，在南采区煤质较差的情况下，通过配采区进行煤质均衡，对于褐煤露天矿的开发起到了关键作用。在现在煤炭市场下行情况下，通过配采区煤质均衡可以有效提高煤质，增大经济效益。

2) 配采区也起着均衡剥采的作用，提高设备使用效率。当其他采区剥离量增大或者遇到剥离洪峰期时，可以通过配采区出煤来降低剥采比，减少剥离费用，有效控制生产成本[9]。

图3 南采区17煤F5断层走向示意图

3 过F5断层开采程序优化

3.1 工程概况

南露天煤矿地质条件复杂，由于F5正断层的存在，导致露天矿无法及时内排，参见图3。随着南露天矿各工作平盘不断的向西推进，采区采深的不断加大，外排土场容量不断减小，均面临即将到界，采剥运距与提升高度也不断攀升，急需对开采程序进行优化，提前实现F5断层以东闭坑，解放大量的内排空间缓解排土场压力[12]，使运距与提升高度稳定在合理范围[13]。

该位置空间小，工程量大，施工时间短，需要生产人员紧密配合，穿、采、运、排无缝衔接，在确保工程到位的同时也要保证设备效率的发挥[14-16]。

3.2 优化方案

3.2.1 方案概述

以F5西14煤底板为界，采区上部减缓推进，下部强化推进，沿煤层走向拉沟，沿倾向推进。重点开采南北两侧，优先使F5-3断层以南到界。

这样布置的好处：工作线较长，有利于镐位布设(镐效率可以充分发挥)；作业空间充足，可以充分避免疏干与采矿工作在作业位置上的冲突；对煤层揭露质量和煤质有较高保证；充分利用F5断层落差大、走向长的赋存特点，超前创造大量内排土空间。

3.2.2 方案煤岩量

此优化方案计划南采区下部共采出原煤983万t，剥离2639万立米岩石，剥采比为2.68 t/m3，明显低于《初步设计》中4 t/m3的经济合理剥采比。经计算有2000万m3岩量节省运距1.5 km。各平盘算量如表1所示。

表1 优化方案各平盘算量

3.2.3 开采程序

以37000煤层纬向剖面线为例，具体开采过程见下面组图(图4～图7)。

图4 过断层前台阶线示意图

如图4所示，断层东侧14煤尚未完全采出，断层西侧17煤刚刚揭露。整体台阶帮坡角仅为7°，角度偏缓。

图5 F5断层设计台阶线位置示意图

如图5所示，加入设计台阶线。以断层西14煤底板为界，采取上部缓推，下部加强推进的方式，在帮坡角安全合理范围内，将断层东17煤全部揭露。注意图中①位置,该位置属于为将断层东17煤全部揭露且保证边坡安全，而进行的“超界剥离”。该位置十分关键，如果剥离不到位，会导致断层东17煤无法揭露到位，而由于此时上部台阶按最终界方式布置，如露煤不到位而再到上部剥离是不可能的(无法满足电铲作业场地宽度要求)；但如果此位置剥离过大，由于其下部已无其它可揭露煤层，将产生无谓剥离，会造成成本巨大损失。

图6 F5断层东17煤全部采出示意图

如图6所示，按照图5设计台阶位置将断层东17煤全部揭露后，并全部采出，露出采场底部境界。

图7 F5断层东内排示意图

如图7所示，F5以东内排空间全部释放，利用断层天然的支护作用，实现大量内排。同时随着断层西21煤底板的揭露，内排空间将进一步增大。

3.3 排土场设计

3.3.1 排土方案

在采煤过程中重点采出F5以东，F5-3以南的17煤。因为此位置受断层影响标高较高，降深难度较小。可提前采空到界，实现内排，同时上部南内排也可以跟进排土。优先使F5-3断层以南实现闭坑后，可以提前创造出近1000万m3的排土空间，能够有效的解决出煤进度对排土能力的制约。同理，北部17煤加强采出力度，实现内排后可确保中坑内排向南推进[17]。

3.3.2 各平盘算量

东南侧内排土场按计划可排弃781万m3剥离量，东北侧排土场根据17煤采出进度，计划排弃空间可容纳208万m3的剥离量，各平盘量见表2、表3：

表2 南内排土场东南侧排土场

表3 南内排东北侧排土场

3.4 优化效益分析

3.4.1 经济效益

此方案经济效益主要体现在可有效化解煤矿开采深度逐年增加及工作帮逐年推进带来的成本增量，使煤矿生产成本得到控制，保持成本的相对稳定。

在南采区F5以东区域提前一年实现内排，可使南采区中下部2000万m3剥离量降低汽车排土运距1.5 km，折合3000万m3/km，同时降低无效剥离量120万m3。以m3/km材料及维修成本为1.94元，每立方米剥离物的变动成本及维修费用总额为9.6元。依此计算，此优化成果的总体经济效益如下：

降低剥离运距的效益=减少排弃物总万立方米·公里数×单位立方米·公里材料及维修成本

=3000×1.94=5820万元

降低无效剥离量的效益=剥离量×单位立方米剥离物的变动成本及维修费用

=120×9.6=1152万元

3.4.2 其他效益

提前实现内排，不但解决了南露天矿排土空间不足问题使采排整体布局顺利转向，减少外排土场的占用，避免了环境的破坏。而且通过发展内排空间，保证了半连续工艺系统的有序发展。同时，通过及时到界迅速回填的作业方式，也有效的控制了到界煤台阶的火煤自然几率，减少滑坡等灾害的发生，具有一定的社会价值。

4 结论

通过搭配开采，各采区按照一定的比例关系推进，在推进过程中实现动态调节。在开采程序上，使矿山工程平稳推进，有效的均衡剥采比。同时，通过配采区较好的煤质与南采区较差煤质进行配采，解决褐煤露天矿煤质均衡的问题，降低生产成本。

通过优化过断层的开采程序，以上部缓推，下部加强推进的方式成功通过F5断层，提前实现大量内排空间，为矿山生产带来巨大效益，共产生6972万元效益，同时降低生产剥采比。

对通过断层后产生的排土空间采用按量计算，加权分配的方法，合理分配内外排量，同时精确计算得出各平盘具体分配岩量，为排土工程的有序进行打好基础。

以上开采程序优化对控制煤矿生产过程中运距均衡、剥采比均衡、煤质均衡、稳定原煤生产成本、稳定原煤产量起到了不可替代的作用，对复杂地质条件、复合倾斜煤层的褐煤露天矿持续稳定生产意义深远。

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