红沙泉露天煤矿首采区转向研究

张子光，韩 勇，白继元

（国家能源集团新疆能源公司 红沙泉一号露天煤矿，新疆 昌吉 831100）

为了减少露天矿基建投资及排土场占地面积，缩短内排运距，一般大型露天煤矿都采用分区开采方式，然而分区开采必然面临采区过渡接续的问题，其中采区工作线长度、采区转向方法以及采区转向期间排土方案等是影响露天矿年生产能力、经济效益的重要因素。为此，针对新疆能源公司红沙泉露天煤矿实际开采面临东部即将到界，不能保证内外排空间的接续，采场东帮坑底工作线长度仅为600 m，不能保证8 Mt/a 生产能力的情况；通过研究分析工作线长度与红沙泉露天矿年生产能力、煤层厚度、煤层回采率、平均密度及推进度的关系，确定出技术上可行的工作线长度；考虑剥离运距、剥离成本与工作线长度关系，确定经济上合理的工作线长度；比较分析不同工作线长度下平均剥采比变化情况，综合以上3 方面因素，确定最终工作线长度；提出向东扇形转向方案。结合红沙泉露天煤矿实际生产情况比较并分析压帮内排方式，并在此基础上运用数学模型计算出合理内排压帮高度。经实际工程应用表明，提出的方法有效提高了矿山生产能力，对保证矿山生产接续和降低生产成本具有理论指导意义和实际应用价值。

1 红沙泉露天矿工作线长度确定

红沙泉露天矿属于近水平缓倾斜露天矿，采剥作业主要以水平方向的推进为主，目前坑底工作线长度仅为600 m，继续推进不能保证8 Mt/a 生产能力及生产剥采比的均衡，需重新确定技术可行、经济合理的工作线长度。根据生产规模、市场变化和采矿技术的调整，对露天矿工作线长度进行了规划和调整。同时，在优化工作线长度时，应考虑到社会效益和经济效益。红沙泉露天矿开采东部即将到界工程图如图1。

图1 红沙泉露天矿开采东部即将到界工程图

1.1 技术可行的工作线长度

红沙泉露天矿首采区内主要有2 个煤层，从上到下分别为B2′煤、B1 煤。根据矿山生产能力、推进度、煤层平均厚度、煤的密度，可以确定技术可行的采煤工作线长度：

式中：Lg为采煤工作线长度，m；Ap为露天矿年生产能力，t/a；hB1为B1煤层平均厚度，m；ηB1为B1煤层回采率；hB2为B2煤层平均厚度，m；ηB2为B2煤层回采率；ρ 为煤的平均密度，t/m3；VH为水平推进速度，m/a。

得出的Lg为生产能力扩大后技术上可行的工作线长度，计算结果优于根据煤层厚度和端帮角度计算的采煤工作线长度。

根据红沙泉露天矿地质资料分析可得，红沙泉露天矿首采区B1煤厚为6.5 m，B2煤厚度为14.5 m，煤层平均密度1.3 t/m3，含煤率0.73，B1煤回采率0.9，B2煤回采率0.95，当露天矿生产能力设计为10 Mt/a 时，对应的技术可行工作线长度Lg取值范围为1 300～1 700 m。工作线长度与水平推进度对应关系见表1。

表1 工作线长度与推进度对应关系

1.2 经济合理的工作线长度

露天煤矿的生产成本主要是剥离成本，主要包括采矿、爆破、运煤和剥离成本。在内排的前提下，工作线长度越短，采场端帮剥采比越大，平均剥采比相应增加[1-3]；另一方面，工作线长度越短，内排运输距离越小，运输成本越小。这2 个因素存在相互矛盾关系，需要进行对比均衡。使工作线长度达到经济合理的要求，应考虑最低的剥离成本。计算方法如下：

式中：C 为推进1 m 时的总剥离费用，元；Q 为推进1 m 时所采出的煤量，t；h 为煤层平均厚度，m；η 为煤层回采率。

因此吨煤剥离成本C′为：

经济合理工作线长度改变引起吨煤剥离成本变化，工作线长度与剥离成本关系如图2。

图2 工作线长度与剥离成本关系图

1.3 工作线长度与平均剥采比的关系

从经济上考虑，合理的工作线长度应是剥离费用较低的工作线长度，即吨煤剥离成本较小。也就是当首采区向南推进平均剥采比较小时对应的工作线长度为经济合理的工作线长度[4-5]。为了清晰的表达不同工作线长度平均剥采比的变化情况，工作线长度以100 m 为单位增量，选取1 000～2 000 m 范围，设计了11 种方案。并通过算量模拟计算出各阶段的煤岩量。工作线方案布设如图3。

图3 工作线方案布设

根据采剥工程方案模拟结果，得到不同工作线长度下首采区向南推进的平均剥采比变化情况，得出，平均剥采比在1 500 m 工作线长度前后有较大幅度波动。不同工作线长度的平均剥采比曲线如图4。

图4 不同工作线长度的平均剥采比曲线

根据上述计算分析可以确定矿山计划产量为10 Mt/a 时，技术可行的工作线长度为1 300～1 700 m，经济合理的工作线长度为1 508 m，结合不同工作线长度与平均剥采比的关系。考虑技术可行、经济合理等因子，确定转向之后工作线长度为1 500 m。

2 采区划分

采区划分方案综合考虑煤层走向、采剥工程推演及均衡剥采比划分采区，整个矿区分为5 个采区。一采区位于矿区西北部，延煤层倾向划分；二采区位于矿田北部，延北部矿权界向东划分，三采区位于矿田中部，基本延煤层倾向划分；四采区位于矿田西南部，岩煤层走向划分，五采区位于煤田东部，延煤层走向划分[6]。采区划分及开采顺序示意图如图5。

图5 采区划分及开采顺序示意图

开采方案中，为了减少排土运距，降低采矿成本，会在当前生产采区揭露最下层煤底板后开始内排，由于向东扇形转向方案的内部排土场空间相对较小，所以需要压帮内排来尽可能地利用内排土场空间[7-8]。根据内排压帮高度，压帮方案分为全压帮内排、留沟压帮内排及全留沟内排，全压帮指压帮高度为露天矿采深H，留沟压帮指压帮高度在0～H m，全留沟内排指不进行压帮内排，即压帮高度为0 m。

3 内排压帮高度优化

3.1 内排压帮量的确定

2019—2031 年红沙泉露天矿首采区排弃及压帮量见表2。

表2 2019—2031 年红沙泉露天矿首采区排弃及压帮量

经分析计算，红沙泉露天矿2019—2031 年首采区排弃量为38 437.88 万m3，外排量4 415 万m3，内排量34 026.88 万m3，压帮量8 598.18 万m3。

根据已确定的采区划分，即首采区采剥工程完成后，进入二采区，二采区经转向进入三采区，随着三采区采剥工程位置的推进，将进行首采区压帮量的二次剥离，首采区压帮二次剥离工程位置平面图如图6。

图6 首采区压帮二次剥离工程位置平面图

3.2 内排压帮高度优化模型

根据留沟压帮内排模型计算红沙泉露天矿端帮水平留沟深度，端帮水平留沟示意图如图7。BKIJ 为留沟部分，IGJ 为压帮二次剥离部分。

图7 端帮水平留沟示意图

留沟部分剥离费用C1为：

排土征地及剥离物料外排增加的费用C2为：

式中：H 为露天矿开采深度，m；△H 为留沟深度，m；∂为实体边坡最终帮坡角，（°）；β 为二次剥离边坡最终帮坡角，（°）；a 为露天矿年推进度，m/a；A为单位剥离费用，元/m3；B 为排土征地及剥离物料外排增加的单位费用，元/m3。

红沙泉露天矿采用留沟压帮方式进行内排，在留沟处可以构建连通端帮与排土场运输路，因此压帮高度以下剥离岩石物料，可走两端帮运输路形成双环排土，压帮高度以上剥离岩石物料，只能单侧端帮运输形成单环排土[9-10]。

通过简化计算，得到剥离岩石物料单环运输比双环运输增加费用C3为：

式中：l 为坑底长度，m；ρb为剥离物料的密度，t/m3；Ck为卡车运输单位费用，元/（t·km）

式中：J 为采用留沟内排方式回收三角煤的总效益，元；ω 为银行年利率，%；i 为二次剥离滞后时间，a。

将式（5）、式（6）、式（7）代入式（8），化简可得总效益关于 留沟深度△H 的三次函数，即：

式中：I1、I2、I3为常数项。

对式（9）中△H 求导，并令其等于0，求解可得方程2 个极值点，并根据实际情况0≤△H≤H，来确定压帮内排最佳留沟高度。红沙泉露天矿各项参数指标取值见表3。

表3 红沙泉露天矿各项参数指标取值

将红沙泉矿具体参数代入式（9），计算可得2 极值点分别为48.63 和－65.82，根据约束条件0≤△H≤85 m 可知，最佳的留沟高度为48.63 m，即内排压帮高度36.37 m。最终压帮高度定为36 m。

4 结语

1）根据年生产能力、推进程度、煤层平均厚度和煤体密度，确定红沙泉露天矿技术上可行的工作线长度取值范围为1 300～1 700 m。

2）考虑工作线长度对剥离成本与生产能力相互制约的关系，确定1 508 m 为经济合理工作线长度。通过11 组方案开采模拟，得到了不同工作线长度下的平均剥采比，确定1 500 m 为最优工作线长度。

3）在向东扇形转向的开采方案中，根据红沙泉露天矿实际生产条件确定了了端帮水平留沟内排方案，建立了端帮水平留沟方案数学模型，并通过计算首采区压帮量及三采区压帮的二次剥离量，结合红沙泉露天矿首采区的实际情况，得出最佳压帮高度为36 m。