急倾斜煤层矿山合理开采规模的确定

窦 勇

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

木里四井田煤矿位于青海省东北部聚乎更煤矿的西南部，隶属天峻县木里镇管辖，东起F3断层与一井田连接，西至F7断层与哆嗦公马井田相连，井田东西长约5.6 km，南北平均宽度约2.5 km，面积约14.09 km2。矿田地貌西高东低，东部为沼泽湿地，海拔相对较低，地表水系和高原草甸发育；西部为高山区，地形切割较大，海拔+4 043～+4 300 m，高差257 m。哆嗦河西支流在矿田中央从西向东流过，最低侵蚀基准面位于矿田东侧的上哆嗦河与西支流分叉地带，海拔高度+4 043 m。

木里四井田的露天开采区可采煤层主要集中在木里组下含煤段地层中，仅上13煤层在上含煤段中存在，且煤层厚度小，在东井田内为大部可采煤层，自上至下依次为上13、下1、下中和下2煤层。下1、下中和下2煤层为全区可采煤层，浅部较陡倾角为35°～45°，向深部逐渐变缓倾角为5°～20°，煤层可采平均厚度22.73 m，覆盖层厚度215～272 m。根据木里四井田地质勘探报告，该矿田由2个独立赋煤区域组成，即北区和南区。北部赋煤区域由F5断层分为2块，F5断层以东为东采区，F5断层以西为西采区。由于购地限制，该矿可选择的外排土场有限，可外排弃量为257.5 Mm3(实方)。为此，根据本煤田自然剥采比、地形条件、外排土场选择情况，结合北部东采区剥采比小、地形简单、外排土场条件好的实际，确定北部东采区作为露天煤矿的首采区，进而探究其合理的开采规模。

1 拉沟长度

1.1 拉沟长度的范围

外排量及运距计算：根据露天开采理论，露天煤矿拉沟长度与露天煤矿的基建工程量、开采规模、外排量、内排时间、剥离和采煤运输距离密切相关，同时也直接关系到露天煤矿的经济效益[1-2]。拉沟长度短，基建工程量小、生产剥采比相对较大、外排量小、运输距离小，拉沟长度大则与其相反，这就需要寻找出一个最佳的拉沟长度，使其达到最优的经济效益。为此，采用计算机模拟方法对首采区不同拉沟长度的可采煤量、首采区平均剥采比、可达到产量、外排运距、内排运距进行模拟计算，结果见表1。

表1 北区不同拉沟长度对应的外排量及运距

拉沟长度的选取范围：该矿有2个外排土场，北排土场可排弃量123 Mm3(实方)，南排土场可排弃量为134.5 Mm3(实方)。从表1可知，随着拉沟长度的增加，外排量逐渐增加，运输距离也逐渐增加，拉沟长度达到或者超过3 km时，露天煤矿的外排土场就不能够满足外排要求，因此露天煤矿最大拉沟长度不能超过3 km。另外，可以看出拉沟长度在1.3～1.7 km时，随着拉沟长度的增加，剥采比逐渐减小，拉沟长度1.7 km时剥采比达到最小；而后由于地形条件的变化，特别是拉沟长度超过2.1 km时剥采比急剧增加。从前期生产剥采比来看，露天煤矿拉沟长度不宜超过1.7～2.1 km。

1.2 拉沟长度的确定

综合当量运输功计算：不同拉沟长度方案中，外排量及外排运输距离变化较大，因此运用当量运输功(当量运输功=剥离量×当量运距)来表示生产成本指数。所消耗的当量运输功越大，其运输成本越高，经济效益越差。不同拉沟长度对应的整个北采区剥离运输功见表2。

表2 北区不同拉沟长度对应的综合当量运输功

经济效益分析：从表2可知，随着拉沟长度的增加，综合当量运输功逐渐增加，开采成本逐渐增加，经济效益越来越差。拉沟1.3 km时，因为外排量较小，内排早，其综合当量运输功最小，且总的当量运输功仅比1.5 km拉沟长度当量运输功低1.0%，经济效益优势不明显。1.3 km拉沟长度开采规模仅能达到1.5 Mt/a，开采规模偏小，且初期生产剥采比较大。拉沟长度1.5 km时当量运输功较小，且生产剥采比小，初期的开采成本较低。通过综合比较后，设计推荐1.5 km拉沟方案。随着拉沟长度的增加，露天煤矿的当量运输功在增加，当拉沟长度达到3.0 km时其露天煤矿的当量运输功达到拉沟长度1.5 km时的1.79倍，效益比较差。

拉沟长度选取：综上，通过综合比较推荐拉沟长度为1.4～1.6 km，此时能够较早实现内排，且外排量及运输距离小，综合当量运输功相对较小，初期剥采比较低，能够实现较好的经济效益。

2 开拓延深

2.1 工作线长度及沟底宽度计算

工作线长度计算：矿山的开发强度受到矿床赋存条件的限制，不可能是无限的。露天煤矿开采强度受采区工作线的推进速度和延深速度的制约[3-6]。由于本露天煤矿煤层为急倾斜煤层，露天煤矿的开采强度和开采规模主要受延深速度的限制。在计算挖掘机工作线长度时，需要保障挖掘机具有一定的工作时间，即保障挖掘机的工作效率。工作线长度L计算见式(1)

(1)

式中，Q—挖掘机日工作能力，m3/d；q—挖掘机工作线长度爆破量，m3/m；N—作业分区数(采装、待爆、穿孔区)。该矿在实际生产中，2 m3的挖掘机年能力为0.46 Mm3，对应日生产能力Q为1 394 m3/d；作业分区为采装、待爆、穿孔3个区，即N=3；采掘带宽度为15 m，台阶高度为10 m，每一区按照挖掘机7 d采掘量来确定。则计算挖掘机的工作线长度为195 m，本设计取值为200 m。

沟底宽度计算：在掘沟时采用折回式调车，其沟底宽度b的计算见式(2)

bmin=Rmin+1/2(B+L)+2e=22.56 m

(2)

式中，Rmin—汽车道路最小回转半径，取汽车最小曲线半径的1.2倍，即10.5×1.2=12.6 m；B—汽车车体宽度，取3.1 m；L—汽车车体长度，取8.82 m；e—汽车距沟道坡底线安全距离，取2.0 m。在该矿掘沟方案中取掘沟宽度为25 m。

2.2 延深速度及开拓准备时间分析

分析方法：剥采工程延深速度除与矿体赋存条件及开拓方式等有关外，主要取决于上部工作水平的工作线推进速度和下部新水平的出入沟和开段沟的掘沟时间[7-10]。为了研究各采区的延深速度，分别取下2煤层底板长度为扩帮的工作线长度和开段沟的长度计算各水平的工作线长度及各水平的挖掘机数量，并利用3Dmine地质模型计算各水平的阶段量[11-13]，分析各水平的开拓准备时间。开拓准备时间包括上一水平的扩帮时间和本水平的掘开段沟和出入沟时间。本设计中挖掘机能力取0.46 Mm3/a，由于该地区气候相对恶劣，采煤工作12个月，剥离工作12个月，掘沟挖掘机能力降低10%，为了快速掘沟，掘出入沟采用2台挖掘机工作，沟底宽度为25 m，每400 m设置一个出入沟。

分析结果：通过3Dmine计算，露天煤矿北区沿煤层走向纵向拉沟各水平延深需要的开拓准备时间及煤岩量见表3。从表3可知，露天煤矿北区东采区(首采区)计算的延深新水平的开拓准备时间为3.49个月，即年可延深台阶数为12/3.49=3.4个台阶，年延深取34 m。

3 开采规模

3.1 延深速度确定开采规模

采剥工程量：经过上述论证，北区年延深速度为34 m，不同拉沟长度的采剥工程量见表4。

开采规模确定：根据煤层的赋存情况，由表4可知，当拉沟1.3～2.1 km，从地表延深至4036水平时，煤量很小，属于基建期；从4002水平延深至3866水平时，采煤工作线是完整的，煤量变化稳定，属于正常生产时期；从3832水平延深至坑底时，煤量变小。当拉沟长度超过2.1 km时，由于断层及地表起伏变化较大，西高东低，地表在4200水平时，需要超前剥离，当从4070水平延深至3866水平时，属于正常的生产时期。因此在依据不同拉沟长度确定开采规模时，基建期和延深至坑底时不计算在内，不同拉沟长度对应的开采规模见表5。通过综合比较,推荐拉沟长度为1.5 km，此时能够较早实现内排、外排量较少，综合当量运输功较小，且初期剥采较低，能够实现较好的经济效益，则首采区开采规模为2.0 Mt/a。

表5 不同拉沟长度确定的开采规模

表4 北区不同拉沟长度与分阶段采剥工程量

3.2 可投入的生产设备数量校核开采规模

挖掘机数计算：根据以上论证，每相邻2个挖掘机之间的距离取200 m。这一距离是为了保障设备之间不相互影响，提高设备的利用率，并尽可能的进行岩石的剥离和煤炭开采。如第N个工作线上的挖掘机数为mN，则

(3)

开采规模校核结果：从4000水平至3870水平，属于正常生产时期，当拉沟1.5 km时，通过工作面长度可布置的挖掘机数量，按照表3的开拓准备时，计算可投入设备的开采规模，结果见表6。北区在拉沟长度为1.5 km时，由采场可投入的挖掘机确定的开采规模为2.21 Mt/a。

表3 东采区沿煤层走向拉沟延深至各水平量及开拓准备时间

表6 可投入设备确定的开采规模

4 结语

根据该矿田煤层赋存情况、地形条件以及其他开采条件，对该矿田北采区的拉沟长度进行了多方案优化和比选，最终推荐北区的首采区的拉沟长度为1.5 km。同时根据露天煤矿选择的开采工艺、设备，从拉沟长度、延深速度、设备安全作业长度、剥离物当量运输功等因素，确定当首采区拉沟1.5 km时，开采规模为2.0 Mt/a，此时综合吨煤剥离运距最短，剥采比较低，能够实现较好的经济效益。