基于背斜构造条件下安太堡露天矿产能与排土方案优化

2017-09-03贺昌斌解廷堃张加权常永刚李海潮曹新宇

露天采矿技术 2017年9期

关键词：排土平盘排土场

贺昌斌，解廷堃，张加权，常永刚，李海潮，韩亮，曹新宇，杨秀

（1．中煤平朔集团有限公司安太堡露天矿，山西，朔州 036006；2．中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿，山西朔州 036000；3．山西煤矿安全监察局长治监察分局，山西长治 046011）

基于背斜构造条件下安太堡露天矿产能与排土方案优化

贺昌斌1，解廷堃1，张加权1，常永刚2，李海潮3，韩亮1，曹新宇1，杨秀1

当前安太堡露天矿正处于背斜构造区，依赖延深露煤与大提升远距离排土维持生产，能耗高、效率低和效益差。针对该问题，结合地表与煤层覆存、可利用排土空间容量、延深条件等的分析，提出适合的产能标准并开展采矿和排土的优化，以期实现产能的合理提升。

露天煤矿；背斜构造；露天延深；排土容量

0 引言

安太堡露天矿为单斗-卡车开采工艺露天矿，主要可采煤层4#煤、9#煤和11#煤3层，平均总厚度29 m，属于煤层群开采，设计能力1 533万t，核定能力3 000万t，最大产量达到2 900万t。从近30 a开采条件来看，基本属于埋藏浅、煤层覆存稳定、水平与近水平条件开采，一直是高产高效、经济效益好的露天煤矿。

露天矿的开采不可避免的遇到一些断层、风氧带、陷落柱、背斜、向斜等地质构造，引起开采的困难与产能的变化。一般来讲，在露天开采范围内大的构造已确定，为保持产能、设备效率和效益的均衡，生产中应有预见性的措施，如均衡剥采比组织生产、财务处理的均衡剥采比调整、原煤产量的适度均衡组织、排土场的均衡排土等[1]。但露天矿面临生产用地使用滞后、经济增长对原煤产量的需求、经济效益的需求等问题，往往使可预见性的生产措施被忽视，遇到地质构造后引起生产矛盾的积累，如安太堡露天矿目前遇到的芦子沟背斜就是这种情况。

1 问题的提出

芦子沟背斜是安太堡露天矿控制性地质构造。该构造引起煤层总体倾角达到12°（22%），局部最大倾角22°（40%），煤层落差达到270 m，地表和基岩面下降50～100 m，处于该区域煤层平均宽度为1 003 m，目前开采沿煤层倾向推进、顶板水平分层露煤。背斜构造引起的问题主要为：

1）处于背斜构造阶段，需要不断的延深才能露煤和采煤，在不考虑其他因素的情况下，延深的理论最大能力为3个台阶，限制了煤炭的产量[2]。如按照平均煤层倾角12°为标准计算，准备1个标准延深台阶为70 m，按照准备3个计算，年最大可采煤宽度为210 m，以1 200 m工作线计算，计算年采煤量为1 083万t，最大采煤与延深关系如图1所示。

图1 最大采煤与延深关系示意图

2）煤层的下降（平均22%）远超过单斗-卡车工艺运输设备8%限制的坡度，使得端帮的延深不能满足煤层下降的需求，只能依赖采场移动坡道来形成运输系统，要求工作平盘宽度适当的加宽。

3）煤层底板倾斜度大，内排不能跟进，只能远距离、大提升高度排土，运输设备效率降低、各种材料单耗增加、经济效益变差甚至无边际效益。如运输设备效率年降低20%以上，如789卡车，能力由90万m3下降至60万m3，在装运能力不匹配的情况下，采装能力也造成浪费；在运距4 000 m和提升高度190 m时燃油消耗达到1 100 g/m3，是正常生产条件下的200%，仅此增加成本约3元/m3。

针对以上问题，如何优化系统，协调采矿与排土、实现最好经济效益成为露天生产工作的重点[3]。

2 对芦子沟背斜的预测

结合安太堡露天矿近几年的实际延深进度、年度推进度、煤层顶底板等高线实际情况，对过渡该构造及各年度采煤状态基本情况预测为：

1）2017年将全年处于该影响范围，受延深进度影响，采煤与剥离基本维持现有的模式。至2017年底4#煤虽然仍处于向斜轴部以西，但倾角变缓，向下延深工程及4#煤露煤条件有所好转。

2）至2018年6月份4#煤基本走平，4#煤的露煤状况及开采条件趋于正常，但9#煤与11#煤的开采仍比较困难。

3）至2019年9月份，9#煤基本落平，年底11#煤落平。

4）至2020年2月份开始内排，至此矿采场全面度过背斜区域影响，内排土场可以逐步恢复，但因内排土平盘自上而下的恢复，排土仍未进入正常状态，至2020年12月份，内排土场全面恢复，露天矿生产步入正常阶段。

5）从2021年开始，露天矿恢复正常，设备能力、原煤产量、运距、提升高度等将得到根本性改善。

3 均衡剥采比的确定

按照规划的露天矿开采境界，以2016年底位置为基准条件，条带宽度100 m，最新地质模型为标准进行煤，岩量计算并进行均衡，确定一期煤量3 001万t、剥离20 403万m3，剥采比为6.8 m3/t。

4 排土容量的计算与确定

因生产用地的困难，当前已无使用外排土场的条件。在无外排土场的情况下，依据预测的背斜区域生产进程，需要确定2017—2019年及恢复内排土场过程中的排土容量，按照均衡剥采比确定原煤生产量。

确定排土容量的基本原则：①运距和提升高度较2016年基本持平或适当的增加；②根据理论与专家建议暂时暂不考虑背斜区排土；③排土空间位于轴以外且最终帮坡角不大于20°为标准。

计算能使用的排土容量虚方为27 925万m3，实方24 282万m3。

5 过渡背斜期合理原煤产量

从对过渡背斜的预测（2017—2019年）、均衡剥采比计算中的煤岩量、年度最大采煤量理论计算结果、实现内排前可利用排土场的容量及预留2020年内排恢复调节容量四方面综合考虑，2017—2019年原煤产量维持在3 000万t比较适宜，即年产量保持在1 000万t左右。

6 背斜期原煤增产与排土增量途径

从集团保持一定规模的前提出发，作为平朔集团主力生产矿，尽管从经济合理确定1 000万t能力是合适的，但不能满足集团总体利益考虑，应在上述确定原煤产量的基础上确定提高原煤产量的途径。

6.1 增加产能途径分析

露天矿的地质条件及开采参数确定了其生产能力[4-5]。单一煤层在采煤工作线长度一定、年度延深一定的情况下，增加原煤产量几乎没有途径。但安太堡露天矿属于多煤层群集开采，各煤层过渡背斜构造是存在一定的时间差距。当可采煤层中的4#煤于2017年底倾角变小、2018年基本落平的基础上，可以适当加快4#煤以上岩石的推进度，增加4#煤的采出量以增加矿整体原煤产量，即在2018—2019年原煤产量1 000万t基础上可适度增加产量，2020年可较大幅度增加产量，2021年恢复正常，按照露天矿年推进度350～370 m/a[6-7]达到2 000万t产量。

6.2 排土增量的优化途径

在背斜期间，通过增加4#煤产量来保障整体产能产生的后果：①4#煤顶板岩石加快推进，只能采出4#煤，年度生产剥采比增加，剥离量增加；②渡过背斜后剥采比的突然下降；③剥离量增加需要的排土场容量加大，在11#煤尚未落平、内排不能跟进的情况下需要通过其他方式，如加高土场等对土场进行扩容[4]，但都是不经济的。

在无外排土场的情况下，需要研究解决近距离、低提升高度的经济排土方案。结合露天矿煤层顶底板等高线变化情况、出露煤层底版空间情况，提出3种类型的途径。

1）缩小工作平盘长度，加快过背斜进程和减小过程中的剥离量。在此方案中，即对工作帮一定区域进行并帮缩界，减小工作线长度，对缩界范围进行排土，增加排土容量。优点：①加快过构造的进程，减小剥离量；②可以实现缩界范围背斜区的排土，不用考虑稳定问题。

但在设计时，应充分考虑4个方面因素：①预留的工作范围与矿坑整体发展相一致；②只能在2个端帮缩界，且选择在煤层倾角大的区域；③预留采煤工作线路应保持一定长度，即端帮坡道两处，长度约380 m，现有采掘设备PH4100XP工作线长700～ 800 m，采煤工作线长度应保持在1 100～1 200 m；④端帮的变化应在排土过程中与供电系统、运输系统及出入沟进行有效的衔接，工作帮靠帮缩界与排土如图2所示，上部分为预留工作帮，下部为缩界区及排土。

2）工作帮局部区域的优先发展。在预留工作帮作业区域，从煤层顶底板等高线来看，北侧煤层覆存水平高，其中约在1 120～1 210 m水平，而靠南侧在1 075 m左右，考虑通过掏槽、改变工作线方向方式加快北帮煤岩推进，提前出露并采煤、排土，在增加排土容量的同时，有利于新的北帮运输干道的形成。

图2 工作帮靠帮缩界与排土示意图

3）背斜区域排土的稳定性分析与少量排土的实践。该方案需要开展前期稳定性的计算基础并做专门的设计[8]。

7 背斜期排土增量的设计

7.1 背斜面排土的稳定性计算

结合背斜区域煤层倾角达到8°～13°左右，局部最大倾角22°的实际情况，以煤层底板11°和13°选取剖面，对背斜区排土边坡角以16°进行计算，其结果是：

1）背斜区域倾角为13°，在该区域内排量较少，形成局部的排弃台阶，整体边坡稳定性大于1.4；

2）背斜区域倾角为11°，形成的排土场上部排弃量较大，该区域排弃物内部滑动面稳定性大于1.4，沿11#煤层底板滑动稳定性为2.233，内排土场边坡满足安全系数。

3）水对稳定系数影响较大，若底板有水，稳定系数下降较快。

7.2 排土方案设计

7.2.1 设计依据与原则

1）总体边坡角不大于16°。

2）稳定性计算结果。

3）按照标准台阶划分排土，排土台阶设计高度为30 m，排土台阶上部平台标高应与西侧同水平11#煤底板等高线持平。

4）排土台阶间应留防滑煤岩柱，组成为11#煤与11#煤顶板岩，禁止爆破，以增加抗滑能力。

5）煤岩柱水平宽度由排土台阶下部平台标高与同水平11#煤底板等高线及9#煤底板等高线决定。

6）煤岩柱平面东侧留20 m宽保安平台，减少对抗滑煤岩柱的压力。

7）据2017年11#煤延深速度，先行设计3个排土台阶，满足2017生产需要，同时在实践中对稳定性进行检验，为以后的设计提供支持。

7.2.2 排土参数

利用3dmine垂直于背斜轴切割出背斜区排土区域剖面，最上一个台阶上部平台设计标高为1 260 m。因11#煤底板并非均匀坡面，倾角在一定范围内浮动，因此背斜区各排土台阶参数略有差别，按照1260排土平盘、1230排土平盘、1200排土平盘分别确定，背斜区排土设计参数断面如图3所示。

图3 背斜区排土设计参数断面图

1）背斜区1260台阶参数。11#煤底板倾角为12°，排土台阶坡面角35°；台阶上部台阶宽度为108.62 m；煤柱宽度为42.8 m；煤柱最大高度为11.2 m。

2）背斜区1230台阶参数。11#煤底板倾角为15°，排土台阶坡面角35°；台阶上部台阶宽度为56.21 m；煤柱宽度为47.52 m；煤柱最大高度为12.35 m。

3）背斜区1200台阶参数。11#煤底板倾角为11°，排土台阶坡面角35°；台阶上部台阶宽度为77.4 m；煤柱宽度为50.28 m；煤柱最大高度为9.82 m。

7.2.3 排土顺序

首先采出1 230 m水平以上11#煤，即可从西向东排弃1260土场，同时保留1 230～1 210 m水平间11#煤及11#煤顶板岩不作爆破处理，形成抗滑煤柱，排土台阶坡底线排弃至距离煤柱东边缘20 m处停止排弃。1230土场及1200土场均依此过程排弃，至2017年底，11#煤采煤工作面延深至1 165 m水平，1200土场下部所保留煤岩柱至1 160m水平。

7.2.4 排土线路规划

1260排土平盘利用矿坑北帮下部新形成的1 165～1 195m半干线及1 195～1 240 m干道去往1260背斜土场排弃。

1230排土平盘继续利用北部1 195～1 240 m干道进行排弃，2017年6月中旬形成11煤底板运输系统后，既可以通过该运输系统进行排弃。

1200排土平盘将主要通过11#煤底板运输系统进行排弃。

7.2.5 安全技术措施

1）为保证背斜区排土场最大安全性，严禁加高排土、超设计跟进排土，技术与生产部门负责排土参数现场标定工作和按标定排土参数排土。

2）单台阶排弃，严禁上部平盘跟进。

3）背斜排土区域穿爆班应优先穿孔爆破煤岩，保证11#煤的及时采出，避免影响排土。

4）抗滑煤岩柱技术部门及时圈定保留范围，现场做挡墙标记范围，严禁在留煤岩柱区域作业。

5）排土前，排土影响范围的11#煤必须全部取出，排土过程中严禁任何人员和设备进入排土影响范围。

6）排土平盘必须平整，排土边缘设置放水口，下雨必须及时放水，严禁深入排土台阶内部。

7.2.6 容量与效益

背斜区排土工作线长度平均按1 400 m计算，1260排土平盘横截面面积为2 237 m2，容积为313万m3；1230排土平盘横截面面积为1 654 m2，容积为231万 m3；1200排土平盘横截面面积为2 167 m2，容积为303万m3；总容量847万m3，松散系数按1.15计算，实际可排736万m3物料。

中北部11#煤与9#煤顶板岩石排弃至上部土场平均加权运距为4.8 km，高差为240 m，而排弃至背斜土场平均加权运距1.8 km，高差为40 m，节省运距3 km，运输设备效率提高116%，单位剥离成本降低 6元/m3。

8 结语

通过对安太堡露天矿控制性地质构造的分析和预测，确定了背斜期间合理的产能，并对产能增加、排土容量增加提出可行性的方案，有效地降低露天矿生产成本，具有一定的实践价值。对于有类似地址构造问题的露天矿，应制定长远规划，按照均衡剥采比组织生产、按照总体剥离量及排土空间做到远近安排有机结合，才能实现原煤产量的稳定、设备效率的平稳及经济效益的稳定。

［1］杨荣新．露天采矿学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1990．

［2］薛万海，王丽萍．安太堡矿过背斜期间延深速度的确定［J］．露天采矿技术，2013（7）：4-6．

［3］GB 50197—2005．煤炭工业露天矿设计规范［S］．北京：中国计划出版社．2005.

［4］罗怀廷．哈尔乌素露天煤矿内排土场增高研究［J］．露天采矿技术，2017（3）：19-22．

［5］中国矿业学院．露天采矿手册［M］．北京：煤炭工业出版社，1986．

［6］潘兴．露天煤矿工作帮水平推进度最大值的确定［J］．露天采矿技术．1991（3）：6-8.

［7］董宝第．露天矿单斗—卡车开采工艺水平推进强度的理论计算［J］．煤炭工程．2007（10）：9-10.

［8］刘云．安太堡露天矿背斜区内排土场排土参数优化［J］．露天采矿技术．2015（12）：3-7.

【责任编辑：张东旭】

Optim ization of production capacity and dum ping scheme based on anticline structure in Antaibao Open-pit Coal M ine

HE Changbin1,XIE Tingkun1,ZHANG Jiaquan1,CHANG Yonggang2,LIHaichao3,HAN Liang1,CAO Xinyu1,YANG Xiu1
(1.Antaibao Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036000,China; 3.Changzhi Supervision Bureau,Shanxi Coal Mine Safety Supervision Bureau,Changzhi 046011,China)

According to Antaibao Open-pit Mine depending on deepening coal mining and upgrading long distance drainage to maintain production capacity,it results in high energy consumption,low efficiency and poor efficiency.Combining with the surface condition,coal seam storage,available drainage space,engineering delay and other conditions,the article puts forward the appropriate production standards to optimize themining and drainage,in order to reasonably improve production capacity.

open-pit coalmine;anticline structure;open-pit extension;dumping space