元宝山露天矿改河期间剥采工程接续方式

白润才 吴东海 刘光伟 曹 博 白 羽(.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 3000；.平庄煤业(集团)有限责任公司元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 04000)

元宝山露天矿改河期间剥采工程接续方式

白润才1吴东海1刘光伟1曹 博1白 羽2
(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.平庄煤业(集团)有限责任公司元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 024000)

针对露天矿境界内河流引起生产剥采比波动及剥采工程接续困难的问题，提出了采用双坑配采的方法，调节构筑物移设期间的生产剥采比，提高资源回收率，确保剥采工程平稳接续。详细介绍了双坑配采的适用条件、超前坑拉沟位置确定原则、拉沟长度的计算方法以及接续工程位置的优化方案，结合元宝山露天矿二次改河期间剥采工程接续问题进行了实例分析。结果表明：双坑配采可有效调节生产剥采比，实现矿山工程平稳过渡，显著提高矿山经济效益。

双坑配采 露天矿 剥采工程接续 剥采比

保持稳定的矿石生产能力是矿山健康平稳发展的前提。当工作帮推进过程中遇到某些特殊地形或复杂地质构造时，传统的开拓开采方法无法完成既定的剥采工程计划，造成产量接续困难甚至生产中断，直接影响矿山经济效益。因此，研究特殊地形条件下露天矿剥采工程接续问题具有重要意义[1]。

针对元宝山露天矿境界内受河流阻碍，影响生产能力接续的问题，提出将河流改道至内排土场及改河期间剥采工程协调过渡和产量平稳接续的新方法，对其他受特殊地形条件约束而产生的接续问题的露天矿具有重要的参考意义。

1 接续方式

露天矿生产能力直接决定着矿山设备选型、设备数量、劳动定员、生产成本以及服务年限等。然而，实际生产过程中常因矿体自然条件、开采技术条件以及采区过渡等因素的影响，导致既定剥采进度计划无法满足生产能力要求[2]。因此，需要对生产能力接续方式进行研究，保证矿山工程的平稳过渡。针对不同的地质条件及外部因素限制，露天矿生产能力接续方式通常可分为下述3种。

1.1 超前剥离

超前剥离是保证露天矿生产能力接续及控制生产剥采比较为常用的一种手段。露天采场推进过程中，因局部地区地表剥离物突然变薄，致使剥采比短期内降低，此时，可采用超前剥离的方式，充分发挥设备效率，有效利用内排空间，均衡生产剥采比以降低剥离洪峰的影响。超前剥离方案可根据实际情况保证露天矿年剥离总量平稳变化、剥采工程动态平衡发展。由于超前剥离量的存在，增加了备采煤量，提高了矿山的系统可靠性。若超前剥离量过大，露煤时间超过煤炭自然发火期，或遇到大的地质构造，超前剥离无法满足矿山剥采总量时，需要寻找新的解决方法，保证露天矿生产能力的接续[3]。

1.2 滞后剥离

露天采场推进过程中遇到大的地质构造，导致煤层顶板起伏，剥离物厚度突然增大，生产剥采比急剧增加，煤量接续困难。通常采用组合台阶开采及分期境界纵采或横采等方法滞后剥离，降低特殊时期生产剥采比，将剥离洪峰后移，降低峰值，保证生产能力平稳接续。超前剥离和滞后剥离分别如图1所示。

图1 2种剥离方式

上述2种方式从控制露天矿剥离工程量超前或滞后的角度，分析了不同条件下调节控制生产剥采比的方法。然而，当露天开采境界内存在河流或其他地表构筑物时，因工作帮推进受到阻碍，无法通过调节台阶平盘宽度，改变工作帮坡角等方法控制调节生产剥采比。针对此种情况下的露天矿剥采工程和生产能力接续问题，本研究提出在工作帮推进方向构筑物的另一侧重新拉沟，开辟新的超前坑与原采坑实现双坑配采，调节构筑物移设期间的生产剥采比，从而实现特殊时期剥采工程和生产能力的过渡接续[4]。

1.3 双坑配采(重新拉沟)

双坑配采(如图2)实质上是一种特殊的超前剥离方法。当采场工作帮向前推进遇到境界内河流或地表构筑物阻碍时，剥采工程计划遭到破坏，引起产量接续困难，甚至生产停滞。针对此种特殊情况，为保证矿山工程平稳过渡，在采场推进至构筑物之前生产剥采比急剧减小的时期，在工作帮推进方向构筑物的另一侧开辟新的采坑，配合原采坑超前剥离，减小因原采坑推进受阻而产生的生产剥采比波动，实现剥采工程平稳接续。双坑配采期间露天矿生产剥采比应满足：

(1)

式中，V0为配采期原采坑年剥离量，m3/a；P0为配采期原采坑年采煤量，t/a；V1为超前坑年配剥量，m3/a；P1为超前坑年配采量，t/a；ns为配采期间生产剥采比，m3/t；nj为经济合理剥采比，m3/t。

图2 双坑配采示意

双坑配采方案相对于上述2种方案调节生产剥采比更加灵活，具有更强的调节能力。针对内排土场上方河流改道期间的生产接续问题，双坑配采方案有利于内排空间的充分利用，加速形成了满足改河要求的内排土场，为改河工程争取了时间。

2 超前坑参数的确定

2.1 合理拉沟位置

露天矿拉沟位置的选择直接影响基建工程量和初期投资。选择拉沟位置时应综合考虑煤层埋藏深度、煤层厚度、覆盖物厚度以及生产剥采比大小等因素的影响[5]。然而，针对改河期间的接续过渡问题，超前坑拉沟方案还应坚守如下原则。

(1)超前坑具有充足的剥离量以满足内排空间需求，及时形成满足改河要求的内排土场形态；

(2)有利于改河工程结束后原采坑与超前坑的工程位置衔接和产量接续；

(3)尽量靠近原采坑，减小运距及剥采设备走行距离，提高经济效益；

(4)有利于工艺系统的布置和衔接，减小生产组织难度。

2.2 最佳接续工程位置

超前坑合理接续工程位置直接影响双坑配采期间生产剥采比的大小和接续过渡时间，设当工作面推进至距地表构筑物L处开始进行双坑配采，接续距离L越大，接续过渡时间越长，对生产造成的影响越大；反之，则造成接续期生产剥采比增大，影响露天矿经济效益。以双坑配采时期露天矿年生产成本最小为目标，建立目标函数：

W=a×AP+b×ns×AP,

(2)

式中，W为配采期间露天矿年生产成本，元/a；a为露天矿纯采煤成本，元/t；b为露天矿纯剥离成本，元/m3；AP为配采期间露天矿年产量，t/a；ns为配采期间露天矿生产剥采比，m3/t。

双坑配采期间生产剥采比ns可用关于接续距离L的函数f(L)表示，针对不同接续距离L进行模拟开采，得出不同情况下配采阶段的生产剥采比，应用最小二乘法拟合出关于L的二次函数：

f(L)=A×L2+B×L+C,

(3)

式中，A为拟合函数的二次项系数；B为拟合函数的一次项系数；C为拟合函数的常数项。

将式(3)代入式(2)，求出当露天矿年生产成本W取极小值时的最佳接续距离L。

2.3 初始拉沟长度

露天矿初始拉沟长度不仅与生产能力有直接关系，同时还影响露天矿基建工程量、吨煤剥离成本、矿岩运距及生产剥采比。然而，确定双坑配采情况下超前坑的初始拉沟长度，需在分析以上影响因素的同时，考虑是否有利于动态调节双坑配采期间生产剥采比、保证露天矿生产能力以及提早见煤，进而尽快实现双坑共采[6]。

双坑配采期间露天矿的矿石采出量和剥离量为原采坑和超前坑的剥采工程量之和，在满足露天矿生产能力和经济合理剥采比的前提下，通过协调2个采坑的剥采程序，实现对生产剥采比的动态调节，保证露天矿在特殊时期的平稳接续过渡。因此，配采期间露天矿剥采工程量应满足：

AP=A0+A1≥A,

(4)

V=V0+V1,

(5)

(6)

式中，A为露天矿设计生产能力，t/a；A0为配采期间原采坑年采煤量，t/a；A1为配采期间超前坑年配采量，t/a；V为配采期间露天矿年剥离总量，m3/a；V0为配采期间原采坑年剥离量，m3/a；V1为配采期间超前坑年配剥量，m3/a。

超前坑拉沟长度直接影响其配采能力，因此，可根据不同配采参数的约束确定拉沟长度的最佳范围。针对不同露天矿地质条件，超前坑初始拉沟长度的确定方法略有不同。

对于近水平露天矿而言，在确定超前坑初始拉沟长度X时，主要考虑拉沟长度能否满足超前坑年配采量A1和配剥量V1的要求。图3为超前坑垂直于推进方向的断面示意图，由各参数几何关系可得近水平煤层条件下，A1和V1与X的关系为：

(7)

当n=1时：

(8)

当n≥2时：

(9)

式中，n为配采期间超前坑配采煤层数；vx为超前坑水平推进度，m/a；hi为超前坑第i层煤平均埋藏深度，m；mi为超前坑第i层煤平均厚度，m；γ为露天矿煤层平均容重，t/m3；α、β均为超前坑端帮帮坡角，(°)。

图3 近水平煤层超前坑断面

对于倾斜、缓倾斜矿体而言，按拉沟方向与煤层赋存状态的关系，超前坑拉沟长度可分别按照纵采和横采确定。如图4所示。

图4 倾斜煤层超前坑断面

超前坑纵采时，生产剥采比主要受开采深度的影响。因此，在确定超前坑初始拉沟长度时主要考虑超前坑年配采量A1的影响。超前坑纵采时，由图4(a)中各参数的几何关系可得出A1与X的关系式：

(10)

式中，vy为超前坑垂直延深速度，m/a；θi为第i层煤倾角，(°)；di为第i层煤与最下一层煤之间的距离，m；vy与水平推进速度vx的关系式：

vy=vx×(tanα+tanθn).

(11)

超前坑横采时，由图4(b)中各参数几何关系可得相关关系式：

A1=Sm×vx×γ+Ld×H×vx×γ,

(12)

V1=Sb×vx,

(13)

Ld=X-H×(cosα+cosθn),

(14)

式中，Sm为超前坑除最下一个煤层外总露煤面积，m2；Sb为超前坑总露岩面积，m2；Ld为最下一个煤层水平露煤宽度，m；H为超前坑开采深度，m；θn为最下一个煤层矿体倾角，(°)。在确定超前坑重新拉沟长度X时，根据露天矿煤层赋存状态，根据上述公式计算出符合配采能力和生产剥采比的拉沟长度范围，在此范围内，提出不同拉沟长度的拉沟方案，综合考虑开采工艺适应性、矿岩运输距离以及充分发挥设备效率等因素的影响，比选出最优方案。

3 实例研究

元宝山露天矿位于内蒙古自治区赤峰市，隶属于平庄煤业(集团)有限责任公司，根据集团公司的部署元宝山露天矿经历数次扩能改造。然而，受境界内英金河的影响，露天矿区被分为东北、西南2部分，极大地制约了元宝山露天煤矿扩能工程的实施。为保证露天矿剥采工程及生产能力接续，元宝山露天矿已在2011年末实施了第一次改河工程，将英金河河道北移800m，可满足露天矿以扩能后的规模继续生产至2020年。因此，在2020年之前完成二次改河工程是元宝山露天矿目前亟待解决的问题，关系着元宝山露天矿的生死存亡和可持续发展。

在充分考虑设计审批时间、改河征地费用、村庄搬迁时间及水利工程可实施性等相关问题后，拟定将二次改河河道位置设置在内排土场上方。

由于二次改河方案将河流改道至内排土场上，尽快形成满足改河要求的内排土场是改河工程的核心问题，然而，因工作帮推进受河流阻碍，造成露天矿剥采工程接续困难，致使无法及时提供内排土场需要的足够的内排量。根据露天矿制定的坑内破碎站移设计划，内排空间与原采坑剥离量变化趋势如图5所示。元宝山露天矿内排空间呈现“前期有量无空间，后期有空间无量” 的变化规律，这对二次改河工程的实施十分不利。因此，需协调剥采工程，在加速形成内排空间的同时，适当进行超前剥离及时提供足够的内排量，尽早形成满足改河要求的内排土场。传统的超前剥离方式无法在短时间内提供足够内排量并保证改河期间的剥采工程平稳接续，拟采用双坑配采方案解决改河期间的剥采工程接续问题。

图5 内排空间与剥离量变化曲线

根据元宝山露天矿实际生产情况，对不同接续距离L进行模拟开采得出相应的接续方案的生产剥采比，应用最小二乘法对数据进行拟合，得出过渡期生产剥采比的拟合函数为

f(L)=0.000 056 2×L2-0.035 2×L+6.416.

(15)

将式(15)代入式(2)中，参考元宝山露天矿经济指标，取a=68.49元/t；b=29.04元/t；AP=1 500×104t/a。得出当C取最小值时，最佳接续距离L=313.17 m。根据露天矿工程推演，最佳接续时间为2016年，然而，由图3可知，受露天矿坑内破碎站移设影响，内排空间直到2017年底才开始大量释放，同时考虑到采场与河道需保留一定的安全距离，因此，将最佳接续距离适当调整为200 m。

元宝山露天矿煤层呈北东—北北东走向，河道北部地区受F4正断层影响煤层赋存较深，最浅处为西部地区。露天矿设计生产能力为15 Mt/a，根据上述确定的最佳接续位置，对露天矿进行模拟开采和工程推演，得出采场推进至接续位置时，原采坑仍有可采煤量50 Mt左右，基本可以满足改河期间生产能力要求，因此，改河期间北部超前坑配采只考虑4煤，平均可采厚度10.77 m；平均埋藏深度50 m；平均倾角为5°；容重γ=1.25 t/m3；超前坑端帮帮坡角分别为α=22°、β=23°；水平推进速度v=120 m/a；改河期间原采坑年平均出煤量A0=13 Mt/a，年平均剥离量V0=25 Mm3；改河期间nj=4.43 m3/t。

将上述参数代入式(7)～式(9)，得出超前坑重新拉沟长度X≥913 m。结合河道以北露天矿境界形状，确定4个超前坑重新拉沟方案分别为：

方案一：东部走向拉沟1 600 m方案；

方案二：中部走向拉沟1 600 m方案；

方案三：中部走向拉沟1 000 m方案；

方案四：中部倾向拉沟1 000 m方案。

以南坑开采参数为基础，设计北坑开采模版，各方案最终工程位置如图6。对各方案分别从改河期间配采煤量、可提供内排量、剥离物加权平均运距、生产剥采比以及降深水平等方面进行综合比选如表1，同时考虑便于生产管理及提早揭露4煤，尽快实现双坑共采，推荐采用方案三：中部走向拉沟1 000 m方案，即图6(c)所示。

图6 不同拉沟方案最终工程位置

表1 不同拉沟方案综合对比Table 1 Comprehensive comparison of different trenching scheme

4 结 论

(1)采用双坑配采技术解决露天矿遇地表构筑物时的生产能力接续问题在技术上是可行的。

(2)双坑配采技术可实现对特殊时期生产剥采比的动态调节，实现生产能力平稳接续，针对传统调节生产剥采比方法无法实现的露天矿遇地表构筑物时期生产能力接续问题效果明显。

(3)元宝山露天煤矿采用双坑动态协调开采技术保证了内排土场上改河工程的顺利实施，保证改河期间平稳过渡，避免改河征地和再次改河，提高了露天矿经济效益。

(4)我国大多数露天矿存在境界内特殊构筑物影响采场推进引起的接续问题，因此，双坑配采方法具有广泛应用价值。

[1] 刘光伟，李成盛，于 渊．露天煤矿采区接续方案[J]．科技导报，2014，32(1)：59-64． Liu Guangwei，Li Chengsheng，Yu Yuan.Mining area connection scheme in surface coal mine[J].Science & Technology Review，2014，32(1)：59-64.

[2] 陈俊智.露天矿生产剥采比的优化与控制[D].昆明:昆明理工大学,2001. Chen Junzhi.Optimization and Regulation for Stripping-ration of Open-pit Mines[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2001.

[3] 孙 宽,邓有燃,刘如成,等.安家岭露天矿超前剥离方案优化研究[J].露天采矿技术,2012，28(5):1-4. Sun Kuan，Deng Youran，Liu Rucheng，et al.Research on optimization of Anjialing Open-pit Mine advance stripping[J].Opencast Mining Technology，2012,28(5)：1-4.

[4] 高长志.安家岭露天煤矿首采区转向时期剥采工程计划优化研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2011. Gao Changzhi.Research on Stripping and Mining Engineering Plan Optimization during the First-section Mine-turning in Anjialing Open Coal Mine[D].Fuxin：Liaoning Technical University，2011.

[5] 孙宇霆,才庆祥.露天矿首采区以及拉沟位置选择的评价[J].金属矿山,2014(7):46-50. Sun Yuting，Cai Qingxiang.Evaluation on locations′ selection of the first mining area and open segment ditch in open-pit mine[J].Metal Mine，2014(7)：46-50.

[6] 赵红泽,张瑞新,甄 选,等.近水平转倾斜煤层煤矿生产能力约束指标研究[J].金属矿山,2012(9):16-20. Zhao Hongze，Zhang Ruixin，Zhen Xuan，et al.Study of production capacity constraint index in coal mine from flat seam to inclined seam[J].Metal Mine，2012(9)：16-20.

(责任编辑 徐志宏)

Stripping and Mining Engineering Splice during the River Diversion in Yuanbaoshan Surface Mine

Bai Runcai1Wu Donghai1Liu Guangwei1Cao Bo1Bai Yu2
(1.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China；2.YuanbaoshanSurfanceMine，PingzhuangCoalIndustry(Group)，Co.，Ltd.，Chifeng024000，China)

Aiming at the problems such as the production stripping ratio fluctuation caused by rivers in surface mine limit and the difficulties in connecting stripping and mining engineering，double pits coordinated mining method is put forward to regulate stripping ratio，increase the recover rate of resources，ensure the smooth connection of stripping and mining engineering.The applicable conditions for double pits coordinated mining，principles to decide the position of initial trenching，calculation method for advanced pit parameters and optimization of engineering splicing location are introduced in detail，and the difficulties in connecting stripping and mining engineering that occurred during the second river diversion in Yuanbaoshan surface mine is analyzed as a case.The results show that：the double pits coordinated mining method can effectively regulate the stripping ratio，get a smooth transition in the mining engineering，and thus significantly improve the economic efficiency of mine.

Double pits coordinated mining，Surface mine，Stripping and mining engineering splice，Stripping ratio

2014-10-21

辽宁省教育厅科学技术研究项目(编号：L2011051)，中国煤炭工业协会指导性计划项目(编号：MTKJ2012-306)。

白润才(1961—)，男，教授，博士研究生导师。

TD824

A

1001-1250(2015)-01-020-05