准东露天煤矿靠帮开采过程中高段内排运输系统优化

2021-06-23王登龙

煤矿安全 2021年6期

王登龙，陈涛

（1.神华新疆吉木萨尔能源有限责任公司，新疆昌吉831700；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116）

露天矿采场是一个随时间协调变化的有限空间，其内部的时空演化规律是露天矿开拓运输系统定线的重要基础[1-3]。运输系统是否合理将直接影响露天矿整个生产系统的生产效率和经济效率[4-5]。解决端帮运输道路重车下行问题，传统方法是增加运输水平[6-7]，将每条运输道路取平，达到减小剥离物料的运输高差作用，可有效避免重车下行现象；对于压煤问题，一般采用靠帮开采技术[8]，取消部分运输道路，改为保安平台，从而提高了端帮角度，增加资源回收量[9]。

对于我国北方的露天矿，由于主采煤层较多且厚度大多为10～30 m，煤台阶划分为1个或2个，靠帮开采时只需取消煤层顶板上第1条运输道路，降低第2条运输道路的水平，从而加大部分运输道路服务水平，但不会导致剥离物料的高差过分增加[10]，端帮运输道路保持水平亦可满足剥离物料运输。对于准东露天矿首采区由于煤层的特殊的赋存条件，煤层平均厚度72.58 m，煤层顶板到排土场最下部台阶高差巨大，若采用水平运输道路，就必须在煤台阶上建立端帮运输通道，这样会有大量煤炭资源无法回收；若仍然采取煤层顶板与内排土场最下部台阶搭接，势必会形成长距离下坡的端帮运输道路。在此条件下实现靠帮开采，若按照传统方法，取消顶板第1条运输道路后，高差再次增加，导致重车下行问题更加严重。因此对于准东露天矿的煤层赋存特点，这2个问题是存在矛盾的，使用常规方法无法同时解决。为此，针对准东露天矿首采区西端帮进行靠帮开采条件下高段内排运输系统优化研究。

1 靠帮开采下内排运输系统分析

准东露天煤矿由于成煤条件的差异和地质构造的影响，其煤层赋存条件为倾斜和缓倾斜煤层，首采区由东向西推进，采深逐渐加大，导致首采区无法进行压帮内排。随着转向的完成，准东露天矿具备了一定的内排空间，内排作业跟进减小了西端帮暴露面积，提高了西端帮边坡稳定性，此时，西端帮具有进一步加陡的条件。为了提高资源回收率、实现节地减损开采[11]，可在准东露天矿西端帮（首采区工作帮）进行靠帮开采作业。靠帮开采的核心是提高端帮的帮坡脚，从而降低生产剥采比，达到提高经济效益的目的。为达到这一目的，可采用的靠帮开采方式为上部境界不动，下部境界向外推进，采用的手段是将现存于端帮布置的运输道路剥离，将西端帮的煤台阶在现状的基础上每隔50 m依次降段加陡靠帮并进行稳定性分析，确定西端帮最佳陡帮角度为26°。准东露天煤矿西端帮靠帮开采示意图如图1。

图1 准东露天煤矿西端帮靠帮开采示意图Fig.1 Schematic diagram of steep end-slopem ining by the west end wall of Zhundong Open-pit Coal M ine

准东露天煤矿首采区西端帮靠帮开采资源回收方案与内排运输系统设计过程中面临的问题如下：

1）矿岩赋存的特殊性。准东露天煤矿位于区域性褶曲构造，帐篷沟背斜的西翼，矿区内的侏罗系地层呈向西北向倾斜的单斜构造，地层产状，倾向270°～295°，倾角4°～31°，一般8°～20°，露头段11°～31°，表现为浅部陡，深部缓，因此转向后工作帮剥离物料重心将位于工作帮西侧，且随着工作帮的推进，剥离物料重心水平向西同时垂直向下移动。露天矿煤层赋存状态为单斜构造厚煤层，平均厚度达72.58 m，转向后选采较为简单，且能够实现内排，节约生产成本，但在向南推进的过程中，煤层厚度逐渐增大，顶板剥离物重心与排土场下部台阶重心相对高差较大，且不可避免。

2）西端帮重车下行问题。由于煤层赋存状态的特殊性，工作帮剥离物运移至内排土场进行内排时，现行运输方案为从▽430～▽398 m水平重车下坡，实现了工作帮煤层顶板与内排土场底部台阶的搭接，但下坡高差超过30 m，下坡长度达到1 km，长距离的重车下坡问题减小了运输设备的运输速率，增大了车辆安全间距，从而降低了运输设备的运输能力，同时不利于运输设备的稳定性，增加了运输设备的维修成本，更为重要的是对露天矿安全生产构成严重威胁。

3）西端帮压煤问题。随着转向的完成，准东露天矿具备了一定的内排空间，内排作业跟进减小了西端帮暴露面积，提高了西端帮边坡稳定性，此时，西端帮具有进一步加陡的条件。为了提高资源回收率、实现节地减损开采，可在准东露天矿西端帮（首采区工作帮）进行靠帮开采作业。当前西端帮边坡角为23°，没有达到极限稳定边坡角26°，端帮下部还留有可以回收的煤炭资源，若直接内排压帮，会降低矿山企业的收益，造成了资源浪费。

2 靠帮开采下内排运输系统方案

考虑到重车下行问题对准东露天矿安全生产带来严重威胁，而靠帮开采只会减少经济效益，因而得出方案设计的原则：必须解决重车下行问题，同时尽可能的实现靠帮开采，多回收煤炭资源；采取其他方法或工艺解决重车下行和靠帮开采问题所需成本必须小于靠帮开采后多回收煤炭资源所产生的收益。

由于采区的划分，准东露天矿首采区转向后西段帮并非平行于煤层走向，导致端帮不平直，这种条件下端帮每个位置的压煤量都是不同的，运用传统的剖面算量法不能准确的计算出整个端帮的压煤量，而在首采区西端帮靠帮开采资源回收方案与内排运输系统设计过程中，压煤量作为重要的设计依据，要求其计算准确，因此需要对首采区进行3DMine建模，利用块体模型对压煤量进行准确计算。

2.1 煤层靠帮单环内排方案

本方案将▽430 m和▽398 m水平运输通道取消，在▽414 m水平建立新的端帮水平运输道路，内排土场2个排土台阶水平高度由▽430、▽398 m分别调整为▽414、▽382 m，取消最下部▽376 m水平排土台阶，使其与▽382 m水平排土台阶并段，该排土台阶的排弃物料由▽414 m水平运输至▽414 m水平排土场台阶，然后由溜槽运至▽382 m水平排土台阶水平排弃，实现了▽414 m水平运输道路与▽414 m水平排土场台阶的同水平搭接，避免了高差过大引起的重车下行问题，而且减少了1条煤层上的端帮路，增加了煤炭资源的采出，实现了靠帮开采。煤层靠帮单环内排方案如图2。

图2 煤层靠帮单环内排方案Fig.2 The coal seam by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作帮▽430 m水平剥离物料由▽430 m水平运输道路改为▽462 m水平运输道路运输至排土场，因此这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为32 m；工作帮▽398 m水平以下至煤层顶板的剥离物料由▽398 m水平运输道路改为▽414 m水平运输道路运输至排土场，这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为16 m。由3DMine软件建模求出增加的煤炭资源量、增加的剥离量、需要加大剥离折返运距为32 m和16 m的物料量分别为460.15万t、112.92万m3、101.13万m3/a、38.06万m3/a。煤层靠帮单环内排方案增加的采煤量和剥离量如图3，图中块体表示量的变化。

图3 煤层靠帮单环内排方案增加的采煤量和剥离量Fig.3 Increased coalm ining volume and overburden volume in the coal seam by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dum p scheme

2.2 岩层靠帮单环内排方案

本方案将▽462 m水平和▽430 m水平运输通道取消，在▽446 m水平建立新的端帮水平运输道路，内排土场1个排土台阶水平高度由▽430 m水平调整为▽446 m水平，取消▽376 m水平排土台阶，▽398 m水平排土台阶与▽382 m水平排土台阶并段，该排土台阶的排弃物料由▽382 m水平运输至▽382 m水平排土场台阶后排弃。本方案实现了▽446 m水平运输道路与▽446 m水平排土场台阶、▽382 m水平运输道路与▽382 m水平排土场台阶的同水平搭接，避免了高差过大引起的重车下行问题，而且减少了1条煤层上的端帮路，增加了煤炭资源的采出，实现了靠帮开采。岩层靠帮单环内排方案如图4。

图4 岩层靠帮单环内排方案Fig.4 The rock formation by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作帮▽462 m水平剥离物料由▽462 m水平运输道路改为▽494 m水平运输道路运输至排土场，因此这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为32 m；工作帮414～446 m水平剥离物料由▽430 m水平运输道路改为▽446 m水平运输道路运输至排土场，因此这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为16 m；工作帮▽398 m水平以下至煤层顶板的剥离物料由▽398 m水平运输道路改为▽382 m水平运输道路运输至排土场，这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为16 m。由3DMine软件建模求出增加的煤炭资源量、增加的剥离量、需要加大剥离折返运距为32 m和16 m的物料量分别为232.13万t、156.48万m3、57.57万m3/a、377.11万m3/a。岩层靠帮单环内排方案增加的采煤量和剥离量如图5，图中块体表示量的变化。

图5 岩层靠帮单环内排方案增加的采煤量和剥离量Fig.5 Increased coalm ining volume and overburden volume in the rock formation by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

2.3 双环内排方案

本方案将西端帮的▽430 m水平和▽398 m水平运输通道取消，在西端帮▽414 m水平建立新的端帮水平运输道路，同时在距离西端帮400 m处平行于走向搭建▽382 m水平运输桥，在此位置搭桥，既能满足工作帮▽398 m水平剥离物料的运输，又能避免重心偏移条件下东端帮内排造成的运距大的问题，而且煤层倾斜赋存，搭桥水平与底板高差小，二次剥离费用低。内排土场2个排土台阶水平高度由▽430、▽398 m水平分别调整为▽414、▽382 m水平，取消最下部▽376 m水平排土台阶，使其与▽382 m水平排土台阶并段，该水平的剥离物料由▽382 m水平搭桥水平通道运输。本方案实现了▽414 m水平运输道路与▽414 m水平排土场台阶、▽382 m水平搭桥与▽382 m水平排土场台阶的同水平搭接，避免了高差过大引起的重车下行问题，而且减少了1条煤层上的端帮路，增加了煤炭资源的采出，实现了靠帮开采。双环内排方案如图6。

图6 双环内排方案Fig.6 The double loop in internal dum p scheme

工作帮▽430 m水平剥离物料由▽430 m水平运输道路改为▽462 m水平运输道路运输至排土场，因此这部分剥离物料的折返运距将变大，增加量为32 m；工作帮▽398 m水平以下至煤层顶板的剥离物料由▽398 m水平运输道路改为▽382 m水平桥运输至排土场，这部分剥离物料的折返运距不发生改变。由3DMine软件建模求出增加的煤炭资源量、增加的剥离量、需加大剥离折返运距为32m的物料量分别为460.15万t、112.92万m3、101.13万m3/a。双环内排方案增加的采煤量和剥离量如图7，图中块体表示量的变化。

2.4 经济效益

按照准东露天矿剥离物提升高程运输单价、吨煤利润、单位剥离成本、设备投资算出该方案的经济效益Fa。当Fa为正值时表示该方案解决了重车下行问题的同时还增加了矿山企业的收益，且数值越大经济效益越好；当Fa为负值时表示该方案解决了重车下行问题的但减少了矿山企业的收益，且数值越小表示为解决安全生产问题付出的代价越大。

图7 双环内排方案增加的采煤量和剥离量Fig.7 Increased coalm ining volume and overburden volume in the double loop in internal dum p scheme

式中：Fa为煤层靠帮开采过程中内排方案经济效益，万元；Hi为端帮改进方案后i水平折返高程，m；Qb为端帮位置变化剥离的物料量，m3；Qi为采场各水平的剥离量，m3；Qc为端帮位置变化采出的煤量，m3；Fb为单位体积物料提升费用，1元/m3；Fm为吨煤利润，20元/m3；Fs为单位剥离成本，元/m3；Fc为二次剥离费用，万元。

将以上3种方案得到增加的煤炭资源量和剥离量代入式（1）中分析，得出各个靠帮开采过程中高端内排运输系统优化方案的经济效益,经济效益比较见表1。

表1 经济效益比较Table 1 Com parison of econom ic benefits

3 靠帮开采过程中高端内排运输系统方案优选

采区完成首次转向后工作面将完全垂直于煤层走向，转向后一定时间内煤层赋存稳定，优化方案仍适用。但因为受采区划分方式限制，按年产量1 200万t，年推进度220 m计算，开采10年后将再次转向，转向后继续推进10年，首采区到界。转向前，工作帮将与煤层走向线斜交，随着工作帮的推进，西端帮煤层底板不断下降，导致西端帮运输道路距离底板距离加大，煤层靠帮单环内排方案中▽414 m水平运输道路将不再适用于生产要求，下行问题会再次出现，根据顶底板等高线与端帮交线分析，按照每年煤层下降3 m趋势计算，预计岩层靠帮单环内排方案开采8年后不再适用。煤层靠帮单环内排、双环内排这2个方案由于最下部运输水平较低，二次转向后仍然适用。

通过综合效益的分析，确定双环内排方案可以给矿区带来更多的综合效益，平均每年增加煤炭资源回收量为153.38万t，按首采区可继续服务20年计算，首采区共增加煤炭资源回收量为3 527.8万t，经济效果显著。