新疆天池能源南露天煤矿转向方式优化研究

2019-05-28王韶辉才庆祥刘福明

煤炭工程 2019年5期

王韶辉，才庆祥，周伟，刘福明，陆翔

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；2.特变电工股份有限公司科学技术研究院，新疆昌吉 831100)

根据世界范围内的开采经验，水平、近水平及缓倾斜埋藏的矿床采用露天开采时，考虑到年产量、开采强度、设备尺寸及经济性等因素，往往采用分区开采。结合矿床的地质地形条件，依据技术可行和经济合理的原则将矿权范围内的矿田分为若干采区，按照一定顺序依次开采，直至全矿田开采结束[1-3]。我国大型露天煤矿多采用分区开采，例如我国内蒙古准格尔矿区哈尔乌素露天煤矿、山西平朔矿区安太堡露天煤矿、新疆准东矿区天池能源南露天煤矿等[4-6]。

在分区开采的露天矿中，采区过渡方式的选择，直接影响到露天矿过渡期间剥离物排量大小、矿物和剥离物运距的远近、产量的接续和设备的调度，对过渡期间露天矿的总体经济效益有着根本性的影响[7]。如何综合评价采区过渡方案一直以来是一个技术难题。

1 工程概况

天池能源南露天煤矿位于新疆维吾尔自治区昌吉州吉木萨尔县准东煤田大井矿区，隶属于天池能源公司。目前，南露天矿首采一区的剥离工作已经接近尾声，工作帮上部台阶已经局部到界，下一步的工作以降段采煤和工作帮陡帮作业为主。首采一区开采完成之后向首采二区转向，推进方向由东南转向东北，具体的采区划分如图1所示。

图1 南露天矿采区划分

露天煤矿采区间转向过渡期间，会出现2个采区同时进行剥采作业的情况，生产组织较为复杂，管理相对困难，如果过渡期间采剥工程进度计划布置不当，还将导致因采煤接续不顺而减产，甚至停产。此外，露天煤矿转向过渡期间的开拓运输系统也较为复杂，如果组织管理不当，将会使运距增大，运输系统混乱，影响露天矿的正常生产。

2 转向方式选择

2.1 采区转向的基本形式

露天煤矿采区过渡方式分为连续式和间断式两类[8，9]。连续式过渡方式的特点是利用现有的工作帮和已形成的端帮向新采区进行转向过渡，过渡自然缓和，不需要重新拉沟开拓，运距较短，基建量小。具体可分为直角缓帮过渡、扇型过渡、L型转向过渡。间断式过渡方式的特点是旧采区开采结束前，在新采区内重新拉沟布置开拓运输系统，新、旧采区之间无干扰影响。四种转向方式如图2所示。

图2 采区过渡示意图

2.2 转向方式选择的影响因素

露天煤矿采区间过渡方式的确定将直接影响转向期间和新采区的开拓运输系统的布置、煤质指标、生产剥采比，运输距离等指标，对露天矿的经济效益影响巨大。4种转向方式优缺点对比见表1。

表1 转向方式优缺点对比

3 南露天矿转向方案研究

通过对地质资料和开采作业的研究分析，南露天矿西高东低的倾斜煤层赋存条件决定了该矿不适宜采用扇形转向技术，同时设计提出4种转向方案，其中方案一为直角转向过渡方案，基本特征为首采一区各工作线平行推进，到界后逐一转向二采区侧端帮，进行缓帮作业，逐渐形成新的工作线，当所有的工作线到界并在二采区侧缓帮形成新工作线后，转向完成。方案二：折线推进西段先到界东段后到界，逐一转至二区；方案三：西段快速推进，到界后转为横采继续开采东段；方案四：西段快速推进，到界后L形开采东段。

3.1 方案一

该方案的指导思想是“首采一区尽早推至南帮，尽可能提前实现内排”，具体程序为：开采首采一区时工作线推进方式采用平行推进，推至南部分区境界后转向开采首采二区，首采一区向首采二区的转向接续采取缓帮过渡的方式，接续推进进入二采区进行开采，如图3所示。首采一区南部剥离工程位置推至首采一区地表，需从首采一区缓帮过渡到首采二区，“到一缓一”，即首采一区上部剥离台阶到界后，开始缓东部地表上部剥离台阶，逐台阶完成转向。

图3 转向方案一示意图

3.1.1 方案一主要优点

1)工作线平行推进，台阶完整，运输线路通畅。

2)坑底工作线东西两侧同步向下延伸，同步到达南部境界，同步，工作线整体移设，生产组织简单。

3.1.2 方案一的主要缺点

1)首采一区西侧向西南方向突出，导致平行推进过程中工作线延长，剥采作业量逐渐增大，而内排的起始点就在西帮，影响内排时间。

2)首采一区的内排空间利用率不足。主要表现在首采一区的剥采作业基本结束前，内排空间被占用，不能内排，需要外排出坑；而剥采作业结束后，内排空间突然释放，此时的剥采作业工作线在首采区二区，而排土作业工作线在首采区一区西帮，运距较远，这是由于相当部分的剥离物之前被外排到坑外，导致剥离运距增加和内排空间利用率降低。

3)平行推进直角转向导致内排空间的利用时间推迟了约1年时间，按照30Mt/a的煤炭产量和2m3/t的剥采比计算，增加外排量60Mm3，经济条件较差。

3.2 方案二

方案一的主要缺点在于内排空间需要等待首采一区剥采作业基本结束才能释放，若加快首采一区西侧作业的推进强度，使西侧提前到达坑底境界，则可以提前实现内排，基于该思路提出方案二，即首采一区工作线折线推进，西侧先到界东侧后到界，逐一转至二区，如图4所示。

图4 转向方案二示意图

由于该矿煤层为倾斜煤层，该优化方案的实施将导致首采一区工作线东西两段的降深速度不一样，西部快速推进会更早的到达底部境界，形成一个较深的坑，东西两段的作业不再同步，作业组织上的复杂度会上升。

3.2.1 方案二主要优点

1)相比方案一，本方案首采一区西部能更早的到达坑底境界，更早的释放内排空间，将内排起始时间提前。

2)缩短了剥离物的运输距离，降低了运输成本。

3)减少了必须的外排量，减少了外排占地，从初设看计划的外排空间在三采区，将来开采三采区时需要重复剥离外排土场，这样也减小了未来的重复剥离量。

3.2.2 方案二主要缺点

1)首采一区东西两段降深速度不同步，导致西侧出现较深的坑，形成两个不同的采矿区域，生产组织的难度加大。

2)东侧顺序推进使得东西侧结合位置的内排需要留沟，即内排工作线不能压煤，而由于该矿煤层较厚，这样的留沟规模较大，将对内排土场建设形成显著影响。

3.3 方案三

方案二东侧顺序推进导致矿坑内东西两段结合位置剥离滞后，几乎等于一区内全部剥离作业结束的时间，这样西侧采煤受到影响，而内排土也需要留沟，直到最后时刻才能继续向前发展排土工作线，极大的影响内排土场的建设，因此可以考虑西段到界后，东段转为横采，即工作线沿煤层倾向布置，沿走向推进，这样东西段结合位置可以及时推进，既不会压煤，也不影响内排土场的建设。基于该思路提出方案三和方案四。方案三如图5所示。

图5 转向方案三示意图

方案三的主要技术特点是首采一区西段到界后，东段转为横采，东西段结合位置可以直接向东推进，形成的空间都是内排空间，可以直接内排，进一步增加内排空间，降低运距和生产成本。东段剥离物可以通过南帮直接运输到内排土场进行排弃，运输系统简单。

3.3.1 方案三主要优点

1)相比方案一，本方案首采一区西部能更早的到达坑底境界，更早的释放内排空间，将内排起始时间提前。

2)东段的剥离物通过南帮直接运输到内排土场，缩短了排土运距，降低了生产成本。

3)减少了必须的外排量，减少了外排占地，从初设看计划的外排空间在三采区，将来开采三采区时需要重复剥离外排土场，这样也减小了为了的重复剥离量。

4)相比方案二，首采一区东段横采布置工作线将解除东段覆盖岩土对西侧煤炭开采和内排的限制，更多的释放内排空间。

5)随着东段横采工作线向东推进，下部自然达到坑底境界，不断的释放内排空间，如果剥采作业协调妥当，剥离物直接内排，能显著改善矿山的经济效益。

3.3.2 方案三主要缺点

1)首采一区东西两段降深速度不同步，导致西侧出现较深的坑，形成两个不同的采矿区域，生产组织的难度加大。

2)首采一区东侧完全转入横采会导致一区内现有的煤炭开采受到制约，因为向南推进的剥离台阶停止向前推进，将制约下部采煤作业的向南发展。

3.4 方案四

考虑到方案二和方案三的优缺点，主要影响因素在于首采一区东段的剥离作业会对该区域北侧和西侧的煤炭开采形成制约。因此，以L形工作线开采首采一区东段，即在首采一区西段到界后，东段原由北向南推进的纵采工作线继续推进，同时建立横采工作线，同步开采。由于纵采工作线和横采工作线总体像一个横写的L字母，故统称为L形工作线，如图6所示。

图6 转向方案四示意图

该方案的主要优点有：

1)相比方案一，本方案首采一区西部能更早的到达坑底境界，更早的释放内排空间，将内排起始时间提前。

2)东段的剥离物通过南帮直接运输到内排土场，缩短了排土运距，降低了生产成本。

4)减小了内排空间释放不均匀对生产的冲击，由于首采一区到界前内排空间有但是不能使用，到界后整个首采一区的矿坑的内排空间突然释放，排土空间巨大且运距较长；这是因为之前的剥离量已经外排，导致突然释放的坑底长度较大，内排需要从首采二区运输到首采一区西侧，运输成本较高；而本方案先释放首采一区西侧的一部分内排空间，则此时东侧的剥离可以内排至该位置，运距较小；当东侧内排空间也释放后，排土工作线已经推进到首采一区中部，运距缩小，能显著降低运输成本。

5)相比方案二，首采一区东段横采布置工作线将解除东段覆盖岩土对西侧煤炭开采和内排的限制，更多的释放内排空间。

6)随着东段横采工作线向东推进，下部自然达到坑底境界，不断的释放内排空间，如果剥采作业协调妥当，剥离物直接内排，能显著改善矿山的经济效益。

7)相比方案三，首采一区东段原纵采工作线保留并继续向前推进，不会导致该区域北侧下部压煤。