复合煤层露天矿多采区配采推进度模型优化

刘光伟，张 靖，于秋宇，宋佳琛，董瑞荣

（1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.华能伊敏煤电有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021134；3.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司，内蒙古 通辽 028000）

我国煤炭资源丰富，但地质条件复杂程度高[1]，随着我国对安全和环保的不断重视，以及露天开采安全高效环保的特点，其在煤炭资源开采中所占比例越来越高[2-3]。在露天开采过程中，采区的推进度过小，使工作线长度过长，运距过大，推进度过大，使胶带移设步距过大。因此，合理推进度的确定一直都是露天矿生产的关键问题[4-5]。霍林河南露天矿境界形状复杂，且有多种采排工艺并存，经过多年的发展，现有南采区、北采区和配采区并行开采。随着矿山工程的发展，只有南内排和中内排能够释放内排空间，内排空间不足，采排接续困难；南采区面临到界问题，将急剧释放内排空间，而在后期的开采过程中，因受工作线长度的变化、运输连接桥拆除、采剥工程降深等因素影响，间歇性遇到剥离洪峰，造成内排空间释放与剥离量产生在时空上不能较好地匹配，会形成多采区并行开采的情况，这种复合煤层露天矿多采区配采的问题是露天开采理论中的重点问题之一。

随着技术水平的提高，可以通过数字化建模的方法解决矿山在开采过程中的相关问题[6-7]。对于复杂地质问题，武强等[8-9]根据断层的基本属性，运用单一平面或者多个平面拟合断层面的方式，推演未知断点，对断层的空间几何形态进行数学描述，并且提出了基于体分割的层次三维拓扑结构和基于面向对象的框架模型，同时结合矿山数据特点及数字矿山建设目标，提出了多源数据耦合、多种构模方法集成、多分辨率可视化与检测以及多维数据分析与应用的理论体系，针对建模流程各环节中不确定性等问题进行了分析，实现了复杂地质构模、资源储量模拟评价和采掘工程开挖等关键技术方法，随着矿山勘探、开发和复垦等进程的推进，三维地质建模历经“构建-模拟-修正”的动态更新与完善过程；朱良峰等[10-11]全面而系统地研究了地质断层三维可视化构模的原理、方法及实施过程，针对地质断层三维构模的特点与要求，设计了一种基于边界表示、面向地质实体并兼顾拓扑关系的三维数据模型，以有效地组织和描述包含断层的复杂地质体几何结构模型，提出了断层与地层的统一构模技术，并解决了在其实现过程中所遇到的问题，同时基于基础GIS 软件平台MAPGIS，利用功能强大的三维可视化开发平台MAPGIS-TDE，设计、开发具有自主版权的三维地质建模及可视化系统；查振高等[12]根据影响采区接续的主要因素，选取了生产剥采比稳定性与大小、累计剥采比、内排空间、采区协调性和运输功5 个指标建立了露天矿采区接续优选指标体系，构建了基于Delphi-TOPSIS 法的采区接续优选模型，针对霍林河露天煤矿采区划分特点，提出了采区接续方案并采用Delphi-TOPSIS 模型进行优选，确定了最佳采区接续转向方案并证明了方法的准确性；刘桐等[13]研究了霍林河南露天矿的采区划分和开采顺序问题，优化了采区划分方式和开采程序，基于模糊数学方法的采区过渡方式优选模型，结合采区划分与开采顺序优化结果，确定了缓帮方式，针对南矿南采区过渡优化研究，论分析了南采区过渡闭坑期间面临的问题；王威钦等[14]为解决煤层群合理配采的需求及对煤质稳定的要求，分析了煤层赋存条件和开采方式对各煤层生产原煤煤质灰分的影响，通过大量地质钻孔统计，分盘区分析计算了现有综采条件下各煤层的煤质灰分预测值，得出配采灰分，为煤层群配采提供参考依据，根据矿井开拓和发展规划，按照合理错距，设计出合理的工作面配采方案，达到为选煤厂按优化配采方案提供均质原煤的目的；曹兰柱等[15]为探究弱层赋存位置及形态对复合煤层露天矿边坡滑坡模式的影响，采用剩余推力法与FLAC3D数值模拟法，结合露天矿采场自上而下逐水平形成的特点，提出一种新的复合煤层露天矿边坡参数逐阶段优化方法，将该方法应用于霍林河南露天矿，分3个阶段优化设计了该矿顶帮复合煤层边坡空间形态，避免了霍林河南露天矿顶帮未降深至坑底时就沿17 煤底板弱层发生滑坡；徐勇超等[16]基于如何能够在设计及实际生产组织过程中优化运距，减少柴油成本，对整个煤业的节支降耗、压降成本、对标管理及利润增长都具有相当重大的意义，从配采区与三采区之间的“鼻梁”道，一号矿矿内排运输系统的优化，以及二号矿一、二采区验收房改造这3 个方面进行分析与讨论，以此对整个煤业生产和压降成本产生积极的影响。专家学者们的研究成果对于解决复合煤层露天矿问题有重要的指导意义，但目前在露天矿多采区配采方面的研究成果较少，尤其是针对复杂地质条件下复合煤层的露天矿。

当开采煤层的数量多、地质构造的复杂程度高且多采区同时开采时，简单的数学计算无法满足生产规划需求，若要满足产能，剥采比等要求，构建符合实际的数学模型至关重要。为此，在其他学者研究的基础之上[17-18]，针对复杂地质条件下的露天矿多采区配采问题展开研究，并通过模拟开采构建多采区推进度数学模型，以数学模型为露天矿的采区发展规划理论基础。

1 霍林河南露天矿概况

霍林河南露天矿断层多，煤层为复合煤层，开采煤层数多，倾角变化大且构造发育，个别煤层局部发育，并非全区发育，可采煤层共计9 层，为6、8、10、11、14、17、19、21、24 煤层，其中14、17、19、21 为主要可采煤层；煤层倾角大，约为5°～15°，向斜两翼倾角不一。断层数量多，落差较大，而且相互切削。

霍林河南露天矿为大型生产矿山，最新产能核定为18 Mt/a。经过多年发展以及当时历史局限性，现有3 个采区并行开采，分别是南采区、北采区和配采区。

按照现有工作线布置方式，南采区工作线东西布置，向北推进；北采区和配采区工作线南北向布置，向西推进。采区发展方式示意图如图1。

图1 采区发展方式示意图

2 采区模拟开采与回归分析

霍林河南露天矿煤层数量多，煤层厚度变化较大，在露天开采过程中，由于断层的影响，采剥量往往会发生较为剧烈的变化。当变化较为剧烈时，原有的通过工作线长度和煤层厚度确定采剥量的方法无法精确反映工作帮推进过程中采剥量的变化规律。因此，采用模拟开采与回归分析的方法，研究露天矿中采剥量随推进距离的变化规律，分别对各个采区发展变化规律进行研究（研究露天矿中各个采区的采剥量随推进距离的发展变化规律）。为了表示模拟开采过程的连续性，采用累积采煤量、累积剥离量和剥采比表示模拟开采中各阶段的采剥情况，并通过曲线拟合的方法构建采区发展的数学模型。

南采区的南帮和东帮已经形成内排台阶，推进方向为由南向北，南采区范围内主要开采17 煤和21 煤，局部区域存在19 煤，主要剥离物为17 煤与21 煤之间的夹矸。南采区17 煤以上覆岩已经全部完成剥离，且已露出17 煤顶板。南采区范围内剩余煤量990 万t，剥离量1 054 万m3，平均剥采比为1.06 m3/t，整体剥采比较小。

以工作平盘宽度60 m，台阶坡面角70°，台阶高度12 m 为开采参数创建工作帮推进模板，采区按照步距60 m 沿工作线推进方向推进，对累积采煤量和累积剥离量与推进距离的关系进行函数拟合。南采区逐阶段累积采煤和剥离量见表1，南采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图如图2。

表1 南采区逐阶段累积采煤和剥离量

图2 南采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图

随着南采区由南向北推进，采煤量和剥离量总体呈上升趋势，到后期趋于平缓，原因是采区即将到界之时工作帮靠帮到界，采煤量和剥离量逐渐减少。将工程位置与工程量用散点图拟合出的线性方程来描述，累计剥离量和采煤量均近似符合一次多项式的分布，故采用一次函数对累积采煤量和累积剥离量进行曲线拟合，拟合度分别为R2=0.995 6 和R2=0.984 3，较为接近1，表明对于南采区推进距离与累积采煤量和剥离量的回归分析较为可靠。

北采区的推进方向为由东向西，北采区范围内主要开采10 煤、14 煤、17 煤和21 煤，局部区域存在6 煤、8 煤、11 煤和六号路下的24 煤，主要剥离物为各层煤之间的夹矸。北采区内剩余煤量2 709 万t，剥离量10 263 万m3，采区范围内平均剥采比为3.62 m3/t，整体剥采比大于目标剥采比3.4 m3/t。北采区与南采区以Fd17断层为界，北采区与配采区以六号路为界。为了实现3.4 m3/t 的优化目标，需要研究北采区剥采比的变化情况。

按照与南采区相同的方法对北采区进行模拟开采，并根据模拟开采得出的数据进行回归分析与曲线拟合，计算出模拟开采逐阶段累积量。北采区逐阶段累积采煤和剥离量见表2，北采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图图如图3。

表2 北采区逐阶段累积采煤和剥离量

图3 北采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图

北采区累积采煤量和剥离量分别符合一次多项式和二次多项式的分布，累积采煤量和累计剥离量分别采用一次函数和二次函数拟合，拟合度分别为R2=0.999 2 和R2=0.999，拟合度较为接近1，表明对于北采区推进距离与累积采煤量和剥离量的回归分析较为可靠。

配采区的东部已经露出21 煤底板，但尚未形成内排土场，推进方向既可以由东向西纵采推进，也可以由南向北横采推进。配采区范围内主要开采10煤、14 煤、17 煤和21 煤，局部区域存在11 煤和24煤，主要剥离物为各层煤之间的夹矸以及西部的表土。配采区内剩余煤量约6 994 万t，剥离量约17 249 万m3，采区范围内平均剥采比为2.47 m3/t。

按照与南采区相同的方法对配采区进行模拟开采，并根据模拟开采得出的数据进行回归分析与曲线拟合，计算出模拟开采逐阶段累积量。配采区逐阶段累积采煤和剥离量见表3，配采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图如图4。

图4 配采区逐阶段累积采煤和剥离量散点图

表3 配采区逐阶段累积采煤和剥离量

配采区由东向西纵采推进，累积采煤量和累积剥离量分别符合一次多项式和二次多项式分布，故采用一次函数和二次函数对累积采煤量和累积剥离量进行曲线拟合，拟合度分别为R2=0.998 8 和R2=0.999 9，较为接近1，表明对于配采区纵采推进距离与累积采煤量和累积剥离量的回归分析较为可靠。

通过表1、表2、表3 中推进距离与剥采比之间的关系，得出各个采区的剥采比变化情况，各采区剥采比变化散点图如图5。

图5 各采区剥采比变化散点图

各采区累积采煤量和剥离量采用二次函数进行曲线拟合，拟合度分别为R2=0.925 5，R2=0.884 6 和R2=0.989，较为接近1，表明对于各采区纵采推进距离与累积采煤量和剥离量的回归分析较为可靠。

3 多采区推进度模型

根据对霍林河南露天矿3 个采区的模拟开采，分析各采区采剥量与推进距离之前的变化趋势，对变化趋势进行函数拟合，各个采区的采煤量A′、剥离量Vs与推进距离l 之间的函数关系如下：

1）南采区采剥量与推进距离之前的关系。

2）北采区采剥量与推进距离之前的关系。

3）配采区采剥量与推进距离之前的关系。

各采区空间发展时，剥离量、采煤量的函数关系建立后，根据矿区的采煤量、剥离量和剥采比等约束条件构建3 个采区间的推进度函数关系。按照采煤量18 Mt/a、剥离量61.20 Mm3/a、剥采比n=3.4 m3/t为约束条件，构建南采区、北采区和配采区的推进度函数关系模型。

将式（1）～式（10）联立得式（11）：

式（1）为满足年采剥量和剥采比的3 个采区年推进度的数学模型。

由于式（11）方程组，通过手工方法进行求解过于复杂，错误率高，而且MATLAB 软件具有高效的数值计算功能，能将繁杂的数学运算以简单方法计算出来，对工程中的数学问题求解有广泛的应用[19]，因此，用MATLAB 软件进行求解。

求得的8 组解中只有2 组为实根，其中第5 组解为负根，由于推进度不能为负值，所以只能取第6组解为3 个采区推进度的最终解，即当3 个采区年推进度为ln=395.19 m、lb=218.98 m、lp=253.54 m，可以满足采煤量指标、剥离量指标和剥采比约束。

4 结语

1）根据对霍林河南露天矿3 个采区的模拟开采，分析各采区采剥量与推进距离之间的变化趋势，对变化趋势进行函数拟合，以生产指标中的采煤量、剥离量和剥采比为约束条件，构建3 个采区推进度之间的数学模型，得出了南采区、北采区、配采区的剩余煤量和剥离量，进而得出平均剥采比，均符合目标剥采比的要求。

2）根据三采区模拟开采得出的累计剥采量表，南采区、北采区、配采区均采用一次函数或二次函数分别对累积采煤量和累积剥离量进行曲线拟合，拟合度均接近于1，表明对于各采区纵采推进距离与累积采煤量和剥离量的回归分析较为可靠。

3）通过MATLAB 进行模型求解，通过对多组解进行比较取舍，确定了3 个采区年推进度为ln=395.19 m、lb=218.98 m、lp=253.54 m，可以满足采煤量指标、剥离量指标和剥采比约束。