安家岭露天矿二采区北帮重复剥离采深优化

2021-10-05武成权

露天采矿技术 2021年5期

威华，武成权，郭帅

（中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿，山西朔州 036006）

通常大型和特大型近水平及缓倾斜露天矿受产能、推进强度、设备能力征地费用、资源开采利用的时间价值等因素的限制，需要将露天矿田划分为若干个采区，然后依次进行分区开采。而分区以后，采区间经常要面临各采区之间压帮与重复剥离问题，即前一采区实现内排后，内排土场会将相邻采区的一侧端帮掩埋，当开采相邻采区时，如果要回收首采区压帮内排下的三角煤，就需要重复开挖内排土场，进行二次剥离[1-4]。一般而言，在首采区实现内排的同时，就会对采区间压帮方式和压帮高度进行验算，确定最佳经济效益下压帮内排高度以及相应的内排程序等[5]。国内学者目前已经对压帮内排高度即重复剥离深度进行了深入研究，顾正洪[6]等应用相关费用最小法得出了不同条件下最佳压帮高度的取值范围；赵俊[7]等人分析了近水平露天矿分区开采时全压帮、半压帮以及全留沟内排的特点，通过模型得到最佳留沟深度，其模型较为简单，未涉及重复剥离深度；赵彦合[1]等通过定义三角煤剥采比，建立了三角煤最佳采深的计算模型，确定平朔东露天矿全压帮内排条件下三角煤回收的最佳采深；蔡光琪[8]等人结合平朔东露天矿的实际地质条件建立了该矿的半压帮内排模型，对东露天矿4#和9#煤层采用半压帮内排时的运输费用和二次剥离费用进行了分析，提出了9#煤全部采出的留沟方案。但针对露天矿采区转向后回收前采区端帮压煤时的重复剥离合理采深及相应资源回收的经济合理性问题研究相对较少。安家岭露天矿首采区开采完毕转向进入二采区后，回收端帮煤量时不可避免的要对首采区内排土场进行二次剥离的问题，因此针对安家岭露天矿首采区向二采区转向以后存在的压帮二次剥离与资源回收问题，根据不同二次剥离的延深位置比较各个方案的的经济合理性，确定回收端帮煤时最佳的二次剥离采深，从而为安家岭露天矿确定在首采区压帮内排条件下二采区北帮三角煤回收的最佳采深。

1 矿山概况

安家岭露天矿矿区共划分为3 个采区，首采一采区，然后开采二采区和后备区。首采区选择在安二勘探区的西北部，与安太堡露天矿Ⅱ、Ⅲ采区毗邻；拉沟位置为安太堡露天矿Ⅰ坑东帮，首采区采场由西向东推进到界后转向进入二采区开采[9]。安家岭露天矿采区划分图如图1。

图1 安家岭露天矿采区划分图

目前安家岭露天矿工作面已经推进到首采区东部境界附近，上部表土剥离已经转移到二采区，岩石台阶也陆续靠界逐步向二采区转移，当工作面全部转移到二采区后向西推进时，二采区的北帮位置即为首采区南帮。根据安家岭露天矿首采区内排土场设计，安家岭矿南部土场排弃形式为压帮内排，压帮内排最高标高为+1 330 m。在二采区开采时，若要回收首采区压帮内排下部的端帮压煤，就需要重新开挖首采区南部压帮内排土场，进行二次剥离，产生二次剥离费用。因此需要对回收端帮压煤的经济效益进行分析验算，以确定合理的二次剥离采深位置。

2 二采区北帮重复剥离采深方案比选

2.1 方案比较模型

根据端帮压煤回收的方式可知，二采区回采时，回收的首采区端帮压煤越多，重复剥离采深越深，二次剥离量越大，煤炭损失越小。因此，比较各方案的二次剥离费用、煤炭损失的费用及内排运输费用和即可选定二采区北帮重复剥离采深方案。

式中：Y 为回收端帮煤二次剥离、煤炭损失费用与内排运输费用之和，元；Yb为首采区土场二次剥离费用，元；Ym为端帮压煤损失利润，元；Yy为内排运输费用，元。

同时根据露天矿各环节的生产成本以及近期煤炭销售价格，可以计算各方案的剥离成本以及煤炭损失利用，二次剥离费用Yb、端帮煤损失利润Cm和内排运输费用Yy计算如下：

式中：Qb为二次剥离量，m3；Cb为二次剥离成本，元/m3；Qm为煤炭损失量，t；Cy为运输成本，元/（m3·m）；l为二次剥离运距，m；P 为近期坑口煤价；根据历史数据及近期煤价，此处煤炭价格取200 元/t。

2.2 方案1

受首采区压帮内排影响，想要回收首采区南部端帮所有煤层的端帮压煤，需要从首采区南帮所压的11#煤底板处布置二采区北端帮，重复剥离采深延深到11#煤底板，由于此时北帮处于首采区内排土场，会形成散体边坡，所以考虑到安全的因素留出50 m 的安全距离，同时北帮台阶坡面角取物料自然安息角35°，运输平台宽度取40 m，最终形成21°（20.5°）的端帮角。重复剥离采深延深到11#煤底板方案剖面图如图2。

图2 重复剥离采深延深到11#煤底板方案剖面图

由图2 可知，方案1 北帮运输系统全部布置在首采区内排土场，需要开挖的首采区土场范围广，二次剥离量大，同时根据方案的设置，建立三维模型进行工程量计算，可知回收全部端帮煤二次剥离量为3 158 万m3，二次剥离费用为10 674 万元，二次剥离运输费用为12 401 万元。方案1 端帮压煤全部回收，无煤炭损失利润。方案1 各项费用统计为：①二次剥离量：3.16×107m3；②煤炭损失量：0 t；③剥离单位成本：3.38 元/m3；④运距：2 100 m；⑤运输成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥吨煤售价：200 元/t；⑦二次剥离费用：1.07×108元；⑧运输费用：1.24×108元；⑨煤炭损失利润：0 元；⑩费用合计：2.31×108元。

2.3 方案2

将二采区北端帮底部布置在首采区南帮所压的9#煤底板处，重复剥离采深延深到9#煤底板，可以回收首采区南端帮9#煤和4#煤的端帮压煤，类似于方案1，此时在9#煤底板以上北帮处于首采区内排土场，会形成散体边坡，同样考虑安全因素，留出50 m 的安全距离，同时北帮的散体端帮台阶坡面角取物料自然安息角35°，运输平台宽度取40 m，最终形成21°（20.5°）的端帮角。而9#煤底板以下到11#煤，此部分端帮为原始地层开挖端帮，根据安家岭露天矿采煤设计，进行靠帮开采，4#煤以下端帮只留设保安平盘，平盘宽度取10 m，台阶坡面角70°。重复剥离采深延深到9#煤底板剖面图如图3。

图3 重复剥离采深延深到9#煤底板方案剖面图

由图3 可知，重复剥离采深延深到9#煤底板，会将北端帮下的11#煤三角量损失，而在9#煤底板以上，会形成二次剥离量。通过方案建立的三维模型对方案工程量计算，可以得到首采区土场二次剥离量为2 564 万m3，煤炭损失量为24.6 万t，内排运距2 060 m；二次剥离费用为8 666 万元，煤炭损失利润为4 920 万元，运输费用为9 877.04 万元，方案2 各项费用统计为：①二次剥离量：2.56×107m3；②煤炭损失量：2.46×105万t；③剥离单位成本：3.38元/m3；④运距：2 060 m；⑤运输成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥吨煤售价：200 元/t；⑦二次剥离费用：8.67×107元；⑧运输费用：9.88×107元；⑨煤炭损失利润：4.92×107元；⑩费用合计：2.35×108元。

2.4 方案3

该方案重复剥离采深延深到4#煤底板，将二采区北端帮底部布置在首采区南帮所压的4#煤底板处，在4#煤底板以上北帮处于首采区留沟内排土场，会形成散体边坡，考虑到安全因素，留出50 m 的安全距离，散体物料端帮台阶坡面角取物料自然安息角35°，运输平台宽度取40 m，最终形成21°的端帮角。4#煤底板以下到11#煤，此部分端帮为原始地层开挖端帮，与方案2 设置相同，采用靠帮开采，4#煤以下端帮只留设保安平盘，平盘宽度取10 m，台阶坡面角70°。复剥离采深延深到4#煤底板方案剖面图如图4。

图4 重复剥离采深延深到4#煤底板方案剖面图

由图4 可知，方案3 损失的煤量较大，会将最厚煤层9#煤以及11#煤的端帮煤损失，通过建立的三维模型对方案工程量进行计算，共损失煤炭1 146万t，但是此方案下二次剥离量较少，首采区土场二次剥离量仅为574 万m3，内排运距1 760 m，二次剥离费用为1 941 万元，煤炭损失利润为229 200 万元，运输费用为1 879 万元，方案3 各项费用统计为：①二次剥离量：5.74×106m3；②煤炭损失量：1.15×107万t；③剥离单位成本：3.38 元/m3；④运距：1 750 m；⑤运输成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥吨煤售价：200 元/t；⑦二次剥离费用：1.94×107元；⑧运输费用：1.88×107元；⑨煤炭损失利润：2.29×107元；⑩费用合计：2.33×109元。

2.5 方案经济性比较

3 个方案分析对比如图5，3 个方案费用对比分析见表1。

表1 3 个方案费用对比分析表

图5 各方案对比剖面图

通过对3 个方案的分析，可知方案3 二次剥离量很少，同时剥离运距也相对较短，但是煤炭资源损失量较大，相比其他方案要损失1 000 多万t 煤，煤炭损失利润较大。而方案2 和方案1 各项指标相差不大，方案1 二次剥离费用和运输费用比方案2 多，但方案2 存在煤炭资源损失，综合费用方案2 比方案1 多388 万元，所以从经济效益方面考虑，方案1最优，即重复剥离采深延深到11#煤底板方案。