安太堡露天矿过背斜期间陡帮开采方案

2020-03-25薛万海

露天采矿技术 2020年1期

薛万海

（中煤平朔集团有限公司安太堡露天矿，山西朔州 036006）

安太堡露天矿位于山西省宁武煤田的北部，是在平朔矿区西北部最早建成的露天矿山，于1987年9月建成投产，为节省初期投资和降低开采成本，建矿以来一直实行分区开采[1]。采区转向时采用直角和扇形转向，已完成2个采区的开采，自2003年开始在三采区开采。剥离采用单斗-卡车间断工艺，采煤采用单斗-卡车-移动式破碎机-带式输送系统-选煤厂的半连续开采工艺[2]。主要可采煤层有4＃煤、9＃煤和11＃煤。

安太堡矿遇到芦子沟背斜以来，由于煤层倾角大幅增加，由原来的3°～10°增加为11°～22°，3层煤层同时普遍下降270 m左右，黄土及岩石的覆盖层变厚，自然剥采比相应增加，全矿剥离物和原煤的加权运距、高差都大幅上升[3]，采掘和运输设备的能力下降严重，生产组织非常困难，原煤产量过背斜期间持续低迷，导致矿坑剥离欠量情况加剧，矿坑露煤时常处于即露即采状态，采露煤接续困难。为缓解背斜及剥离欠量带来的系列不利影响，有必要对陡帮开采方案进行探讨。

1 采区基本情况

目前采区工作帮坡角8.5°，土场帮坡角13°，北端帮帮坡角21°，南端帮帮坡角20°。受北岭村购地滞后的影响，矿坑剥离工作线长度为1.3 km，采煤工作线长度为1.2 km。目前露煤量为130万t，可采量为95万t。共有内排土场（1300～1450平盘）、南部缩界土场（1180～1330平盘）、南寺沟土场（1450～1510平盘）3个排土场。北部物料主要通过端帮道路（共5条）及土场折返到达土场，南部年底形成南帮3号路、南帮1号路和并帮区1180干线。原煤经坑下及中部土场折返到上部，经原煤运输道路到达破碎口和1420煤堆。本矿剥离欠量情况为：

1）为满足9＃煤的生产任务，在9＃煤顶板拉沟，提前将9＃煤采出。4＃煤开采水平和9＃煤开采为同一个水平，均为1 135 m水平。恢复4＃煤和9＃煤之间的2个台阶，剥离欠量为3 594万m3。

2）由于北岭村征地原因，北帮不能及时扩帮靠界，扩帮量为2 764万m3。

综合以上2方面考虑，安太堡矿剥离量欠量为6 358万m3。剥离欠量情况见表1。

表1 剥离欠量情况

由于安太堡矿过芦子沟背斜时只有南寺沟外排土场1450、1480、1510 3个排土平盘可排弃，再无合适的位置购置新的外排土场，绝大多数剥离物均需运往背斜前的内排土场排弃，剥离物运距大、提升高度大，因而对陡帮开采方案进行探讨，以减少过背斜时的剥离量，从而达到优化开采方案和均衡生产剥采比的目的。

2 陡帮开采方案

2.1 陡帮开采方案组合

使用陡帮开采，就是通过增大工作帮坡角来减少剥离量，降低开采成本，增加露煤量[4-6]。结合煤矿实际，陡帮开采方案以全长工作线为例，按工作帮正常布置、每2个剥离台阶合并、每3个剥离台阶合并、每4个剥离台阶合并等4种不同组合台阶方案进行对比分析。同时为了更准确的计算过背斜期间剥离物的排弃运距及提升高度，将过背斜实现全内排之前的采掘工作区域划分为4个阶段。由于过背斜期间年下延台阶数最大3个，故划分阶段的标准为每个阶段下延3个台阶直到过背斜实现全内排。由于过背斜时可以释放出较大的内排空间，故方案认为过背斜时即可达到全内排条件。经过模型计算，当采场完全过背斜时，按照内排标高1 270 m、排土工作帮坡角14°计算，背斜影响区释放出的排弃空间有6 751万m3，按照松散系数1.15计算，可排弃剥离量5 800万m3。

2.2 方案技术指标

安太堡直接向东推进至东露天境界内，剥离及采煤最小工作平盘取80 m。不进行台阶合并计算采掘工作帮坡角约9.9°，合并2台阶计算采掘工作帮坡角约13.31°，合并3台阶计算采掘工作帮坡角约15.39°，合并4台阶计算采掘工作帮坡角约16.39°。背斜上排土工作帮角度按14°计算，排土终帮角度按22°计算。过背斜各方案各阶段技术指标见表2。

2.3 方案经济指标

采、运、排和征地是露天矿生产成本的主要组成部分，设计主要就这4个方面对各推荐方案的经济指标进行分析。

开采成本主要包括穿爆和采装，根据安太堡露天矿生产经验，岩石的穿爆单价为2.9元/m3，采装单价松散层为2.25元/m3，岩石为2.5元/m3。运输成本受运输方式以及运距和提升高度的影响，统一按照汽车运输方式计算。排土成本受排土方式和辅助作业设备类型的影响，统一按照汽车排弃、推土机辅助作业的方式计算，安太堡的排土成本约为0.7元/m3。征地成本按照统一价格150万元/hm2计算。

方案各组合分阶段生产成本计算见表3。

2.4 陡帮开采方案分析

由不同陡帮组合方案的计算对比发现，采取陡帮的技术手段起到了优化的作用。

1）有利影响。减小了剥离物排弃的综合运距，降低了吨煤生产成本。

2）不利影响。不同程度的限制了生产规模，不能降低剥离物排弃的提升高度。

Aim: to make a comparative assessment of the use of various reconstructive methods in the atherosclerotic lesions of the femoro-tibial segment.

由各方案组合技术指标表可知陡帮方案过背斜后进行缓帮的缓帮量分别为：合并2台阶方案为5 741万m3，合并3台阶方案为7 668万m3，合并4台阶方案8 621万m3。而过背斜时背斜影响区释放的内排空间可排弃剥离量5 870万m3，可知合并2台阶方案过背斜后进行缓帮时不存在内排空间不够的问题，合并3台阶、4台阶方案过背斜时直接进行缓帮则内排空间不足[7]。

表2 各方案过背斜时技术指标

表3 各方案过背斜时经济指标表

由于过背斜期间是矿山生产的困难时期，可适当降低矿山的生产规模能力，从经济最优的角度出发，结合内排空间的发展趋势，综合以上分析，具体陡帮开采方案应采用合并2台阶方案。2台阶方案自然生产剥采比及均衡结果如图1。

2.5 开采规模论证

由于本方案继续向东推进会立刻遇到芦子沟背斜，煤层埋深随开采推进逐渐变大，开采的推进速度以及生产能力同时受到采场向下延伸的速度和矿山设备的剥挖能力两方面的限制。煤层急剧下倾，下延速度将严重制约生产规模，当采场延深到芦子沟背斜以下，继续向东推进时采场底板起伏较小，规模将主要受设备能力的限制。

就采场下延速度和矿山设备能力2个方面对矿山的规模进行论证。

图1 自然剥采比及均衡结果

2.5.1 下延速度对规模的限制

采场的下延速度主要由下延掘沟设备的能力、数量以及下延工程量决定。根据安太堡露天矿的实际生产情况，掘沟设备为PH2800XP电铲，台年装载能力5.4 Mm3/（台·a）。由于背斜区域煤层倾角较大，首采区背斜区段煤层倾角经测算平均为11.5°，电铲作业时能力必然有所下降。电铲在背斜段掘沟能力计算示意图如2。

图2 电铲在背斜区段掘沟能力计算示意图

综合区域一、区域二计算，电铲在背斜区段掘沟时的实际能力系数Q为：

式中：S1为区域1的面积；S2为区域2的面积；Q1为区域1的能力系数；Q2为区域2的能力系数。

经计算Q=85.9%。掘沟设备的数量主要由电铲的最小工作线长度和实际掘沟工作线决定。PH2800XP电铲的年能力为540万m3／a。作业分区为采装、待爆、穿孔3个区。采掘带宽度为40 m，台阶高度为15 m，每一区按照挖掘机10 d爆破量来确定，则计算挖掘机的工作线长度为1 000 m。

根据所得的电铲能力及工作线长度，再计算出每下延1个台阶的出入沟及开段沟工程量，就可计算出每个台阶的下延速度。

此方案每年可以下延的台阶数量平均为2.64个，通过分析过背斜期间各个台阶的下延速度可知，从1 195 m水平降深到1 075 m水平这8个台阶的下延速度受背斜影响最大，该阶段每个台阶下延需要的时间都超过4个月，年下延台阶数小于3个。故按照工作帮坡角计算该区段年降深的出煤量就能确定出下延速度对开采规模的限制，过背斜时按照3个台阶的下延速度的下延，每3个台阶下延的出煤量见表4，陡帮方案能力及过背斜时间计算见表5。

由上表可知合并2台阶方案的受限最大规模可达16.36 Mt／a。

表4 3个台阶下延水平速度计算表

表5 陡帮方案能力及过背斜时间计算

2.5.2 设备能力对规模的限制

根据安太堡生产现状，安太堡露天矿穿孔设备在用14台，DMH90钻机8台，CDM75E电钻机1台，DML油钻机1台，D245S钻机台，外包小钻4台，自营采装设备在用12台，运输设备在用98台，PH2800XP7台，994前装机1台，685E卡车11台，730E卡车27台，789C卡车9台，R190卡车11台；PH4100XPC电铲4台，还有与之配套的930E卡车40台。

根据安太堡矿提供的数据，根据安太堡矿提供的数据，截止2014年9月份，安太堡自营设备的年穿爆能力约为144.30 m3，年采装能力约为128.00 Mm3，年运输能力在运距2.61 km、提升高度103 m的情况下约为120.26 Mm3。

由于受运距及提升高度变化的影响，年运输能力受到影响较大。方案平均运距为5.02 km、提升高度229.30 m，故较2014年运输能力平均将下降约50%。故年运输能力平均为6 000万m3。

由于一定程度的运输能力不足可以通过外包的途径解决，故设备对开采规模的限制优先考虑穿爆能力和采装能力。安太堡的采装能力小于穿爆能力，故优先计算年采装能力下的开采规模。

由方案的剥采比均衡结果图可知经过均衡后正常生产时期的最大剥采比为6.91 m3/t。又剥离量中的岩石属于自营剥离，而松散层则外包处理，按照均衡剥采比6.91 m3/t，则有：

式中：Y为最大生产规模，Mm3/a；Qb为2014年自营和外包采装设备的年能力，取128 Mm3／a。

计算得最大生产规模为Y=16.95 Mm3／a。

由下延速度对规模的限制和设备能力对规模的限制2方面进行计算论证，可本方案生产规模受下延的速度影响超过受设备能力的影响，最大规模为16.95 Mt／a。

安太堡现处于过背斜区最困难期间，在此期间补欠量需增加大量矿用自卸卡车及采装设备，同时土场空间将进一步紧张，生产成本增加。因此不太现实，计划剥离欠量在4＃煤走平后，在2020年开始开始均衡前期的剥离欠量[8]。2019年欠剥离1 300万m3；2020年补剥离180万m3；2021年补剥离583万m3；2022年补剥离3 450万m3；2023年补剥离2 145万m3。