胜利一号露天煤矿采区过渡方式研究

2022-08-19蔡忠超

露天采矿技术 2022年4期

张洪，蔡忠超

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

近几年，我国煤炭露天开采比重逐步提升，约占全国开采量的20%。根据不同的区域煤岩赋存状况，从技术和经济2 个角度考虑将露天矿开采境界范围内划分若干个分区，在分区进行开采时要按照已经确定好的顺序和采区进行开采，直到矿田开采全部结束，大多数的露天大面积水平及缓倾斜矿区在开采时均采用这种类似方法[1]。露天矿“采区过渡方式”是指一个采区开采即将终了时，转向其它采区继续进行开采，其过渡时应该保证生产接续，因此，各采区之间的过渡方式不仅决定着矿山工程的发展衔接是否顺利，又决定着矿山生产的经济效益[2]。采区过渡方式的选择通常应考虑开采工艺、各年度生产剥采比、内排土场建立容量的及时性，外排土场选择、平均工作线长度、设备的调动、剥离（采煤）的综合运距及年度生产规模等因素，对过渡期间露天矿总体的经济效益有着根本性的影响[3]。

1 胜利一号露天矿生产现状

1.1 开采顺序

胜利一号露天煤矿坑底境界[4]东西长6.14～7.35 km，南北宽4.79～5.50 km，露天矿采区划分为首采区、二采区、三采区，采区划分示意图如图1。

图1 采区划分示意图

南部境界以采矿权边界为地表境界，按19°帮坡角下推至6＃煤底板确定深部境界；首采区范围内西部境界以采矿权边界作为地表境界，按18°帮坡角下推至6＃煤底板确定深部境界；二采区西部境界以采矿权边界作为地表境界，按5＃煤之上13°、5 号煤之下17°帮坡角下推至6＃煤底板确定深部境界；北部境界以采矿权边界作为地表境界，按5＃煤之上13°、5＃号煤之下17°帮坡角下推至6＃煤底板确定深部境界；东部境界三采区部分以采矿权边界作为地表境界，按5＃煤之上14°、5＃煤之下16°帮坡角下推至6＃煤底板确定深部境界。

1.2 过渡区煤层赋存状况

目前露天开采区域在首采区，涉及转向过渡区域为二、三采区，过渡区开采煤层为5＃、5 下、6－1、6＃，煤层厚度分别为5＃煤13.66 m，5 下煤4.05 m，6－1煤1.08 m，6＃煤31.10 m，煤层倾角均小于5°。各采区煤岩赋存情况见表1。

表1 各采区煤岩赋存情况

1.3 开采工艺

露天矿采煤采用单斗－卡车－半固定式破碎站（地面）－带式输送机半连续工艺，剥离采用单斗－卡车间断工艺，2020 年核准工程规模为28.0 Mt/a。按内蒙古自治区煤炭工业发展“十四五”规划、国家能源关于根据国家、地方政府的煤炭工业政策及未来的发展趋势，考虑露天矿钻爆、剥离业务逐步实现全部自营的文件精神要求，结合本矿剥离工艺建立智能、连续、低碳、清洁生产示范工程角度考虑，剥离工艺亦采用半连续（或局部连续）为主、间断工艺为辅的综合开采工艺。

2 采区过渡形式及影响因素

采区过渡方式如图2。

图2 采区过渡方式

一般根据在采区转向过的程中是否要重新拉沟，将露天矿采区过渡方式可分为连续式和间断式2 类[5-6]：①连续式为在原有采掘场作业空间内对新的接续开采采区进行演化发展，具有剥离和采煤工作连续作业；②间断式为在作业采区的剥离工作帮即将到达开采境界时，依据赋存条件的优越比较，在另外一采区重新拉沟，形成新的剥离区域，原采区接续靠帮作业，与新采区的拉沟作业互相独立、不干扰。

连续式又可按新采区工作面形成的位置划分“L”型缓帮和扇形转向2 种：①“L”型缓帮是把即将到开采境界的剥离工作帮的推进方向改变90°，开采到新采区工作帮的过程；②扇形转向是将剥离和采煤工作面绕某一转轴区间进行内外工作面不等幅开采，形成扇形推进，工作台阶外侧推进强度将大于内侧推进强度[7]。连续式过渡方式具有过渡自然、运距相对短、不存在重新拉沟开拓、无基建工程量（或追加工程量较小）、可保证生产规模等优点，而重新拉沟方式，在原采区和新拉沟区域之间生产干扰小或无干扰，但一般存在基建工程量大的缺点，特别是存在需要新增外排土场（需征地）的“致命”缺点。

采区过渡方式应考虑开采工艺、均衡生产剥采比、年度生产规模、内排土场总容量、平均工作线长度、煤岩综合运距及外排征地指标等因素。其中在不考虑外排征地指标（属于政策性因素）时，在外排指标相同条件下，要充分考虑上述经济指标，直接体现的是各种转向过渡方式的技术、管理、成本等的优劣。

3 过渡方案研究

3.1 间断式（重新拉沟）转向过渡

一般情况下，原作业采区和重新拉沟采区互不干扰，但重拉沟需要剥离量外排解决，且2 个采区同时作业带来设备数量增加[8]。本矿采区过渡方案如采用优化的重新拉沟方案，需新增基建工程量约450 Mm3，追加基建投资巨大，同时需要建设外排土场，且不能实现连续内排。因此，重新拉沟方案从政策、经济角度难以实现。

3.2 方案1-连续式“L”型过渡方案

首采区地表剥离工作线采用平行推进，推进至西北境界后，首采区向二采区的转向采取缓帮过渡的方式，接续推进至二采区。首采区剥离工作线上部地表剥离台阶到开采境界后，逐步缓西帮地表上部的剥离台阶，实现“即到即缓、到一缓一”，最终实现由向南推进缓帮至向西推进，完成转向并形成西部工作帮，后续内排跟进到二采区范围时，内排土场工作面与二采区端帮留沟。二采区向三采区过渡方式与首采区向二采区过渡方式基本相同，按照以上过程推进转向一次即可完成180°转向。连续式“L”型过渡方案转向演化过程如图3。

图3 连续式“L”型过渡方案转向演化过程

胜利一号露天煤矿2020 年已实现20.0 Mt/a 生产规模，2022 年为28.0 Mt/a 生产规模达产的第1年，剥离工作线现向西南推进；2026 年为转向过渡第5 年，采场形态如图3（a），2026 年采剥工作线平行向西北推进，内排土场跟进排弃，期间实现采煤140.0 Mt，累计剥离量为775 Mm3，其中内排土场跟踪排弃677 Mm3，需要外排至新增加的东排土场剥离量为98 Mm3，西北帮未向二采区实现缓帮，采掘、运输、排弃环节均在首采区作业。

2031 年为达产后第10 年，采场形态如图3（b），剥离工作线推进方向由向西北推进缓帮转向北进，采剥工作面已经全部缓帮到二采区开采，地表剥离已经延展到二采区沿帮排土场，期间实现采煤量140.0 Mt，累计剥离量为1 432.0 Mm3，内排及时跟进，全部实现内排，采掘、运输在二采区，排弃环节在首采区。

2036 年为达产后的第15 年，采场形态如图3（c），推进方向为继续向北推进，内排跟进，期间实现采煤量140.0 Mt，累计剥离量为2 137.0 Mm3，内排及时跟进累计排弃量为1 687.0 Mm3，新增沿帮排土场排弃量为450 Mm3，采掘、运输环节布置在二采区，排弃区域布置在二采区和三采区的西北部。

2041 年为达产后第20 年，采场形态如图3（d），工作帮向西北推进到北部境界后，缓帮向北推进，剥离工作线已拓展至三采区沿帮排土场之外，内排及时跟进，期间实现采煤量140.0 Mt，累计剥离量2 137 Mm3，内排跟进累计排弃为1 687 Mm3，新增沿帮排土场排弃量为450 Mm3，采掘、运输环节布置在二采区，排弃区域布置在二采区和三采区的西北部。

3.3 方案2－连续式扇形过渡方案

剥离和采煤工作线沿着首采区和三采区的中间转轴沿着同一方向（西南）内外工作面不等幅推进开采（外侧推进强度大于内侧推进强度），即首采区剥采工作线沿着回转中心范围顺时针旋转90°，向北旋转推进，逐步过渡到二采区，采煤工作线由原来向西南方向推进转到向西北推进。在二采区即将结束时，剥采工作线分别沿着各自的回转中心顺时针旋转90°，向东旋转推进，工作帮由二采区过渡到三采区，整体完成180°转向。连续式扇形过渡方案转向演化过程如图4。

图4 连续式扇形过渡方案转向演化过程

胜利一号露天煤矿2020 年已实现20.0 Mt/a 生产规模，2022 年为28.0 Mt/a 规模达产的第1 年，采掘、运输、排弃环节均在首采区作业。2026 年为达产后第5 年，采场形态如图4（a），按达产规模计算扇形轴部推进约45 m，端部按最大推进度为650 m 考虑，内排土场及时跟进，期间实现采煤量140.0 Mt，累计剥离量为768 Mm3，其中内排土场跟踪排弃量为690 Mm3，需要外排至新增设的东排土场（排土容量78 Mm3），剥离工作线已扇形过渡到二采区，5＃煤层开采已推进二采区，6＃煤层开采仍在首采区。

2031 年为达产后第10 年，采场形态如图4（b），剥离工作线推进方向已扇形转向超过90°，地表剥离已延展到二采区沿帮排土场西北部，5＃、6＃煤层已采至二采区，完成首采区向二采区扇形转向，期间实现采煤140.0 Mt，累计剥离量为1 400 Mm3，内排及时跟进，内排空间充足，采掘、运输环节布置在二采区，排弃环节布置在首采区。

2036 年为达产后第15 年，采场形态如图4（c），地表采剥工作线延展到三采区沿帮排土场，采煤工作线已扇形转向约135°，由于二、三采区煤层赋存深度增加，且三采区地表有沿帮排土场，需二次剥离，导致生产过程中剥采比增加、剥离工作线长度加大，而跟进的内排土场排土工作线减小，导致期间内排空间严重不足。在考虑新增东排土场基础上，在三采区北部（最后开采区域）增设外排土场，期间采煤量140.0 Mt，累计剥离量为2 090 Mm3，内排及时跟进累计排弃量为1 989 Mm3，新增沿帮排土场排弃量为101 Mm3，采掘、运输环节布置在三采区，排弃区域布置在二采区、首采区以及新增设的东排土场。

2041 年为达产后第20 年，采场形态如图4（d），地表剥离工作线、采煤工作线已经扇形转向180°，采煤工作线已采至三采区，完成了采区接续扇形转向过程，期间实现采煤量140.0 Mt，累计剥离量为2 137 Mm3，内排跟进累计排弃量为1 687 Mm3，新增的沿帮排土场排弃量为450 Mm3，采掘、运输环节布置在二采区，排弃区域布置在二采区和三采区的西北部。

3.4 方案对比

2 种方案技术及经济指标对比见表2。

方案2 可避免重新拉沟、不产生新增基建量，节约成本。内排土场及时跟进，可建立高效内排空间，不会造成转向过渡期内预留“沟”。转向前后避免了重复剥离的问题，从而保持了转向期间的平稳过渡。

2 个方案新增境界内外排数量均为2 个，东排土场容积均为78 Mm3，但方案2 增设沿帮排土场东侧排土场容量为1.2 亿m3，比方案1 减少排弃量约5 亿m3，占地、绿化以及二次剥离等费用也相对减少。但方案2 剥离工作线轴部和工作端推进强度不同，给生产组织管理带来一定的难度，经综合比较，方案2 比方案1 的20 年累计采煤和剥离成本低了约30 亿元。

由表2 可知，方案2 在推进强度、生产剥采比均衡、生产管理等方面均不占优势，但方案2 能最大程度的减少新增外排土场的容量，在减少排土场征地、减少二次剥离量、节约绿化成本以及降低综合运距、提高企业生产效益等多方面的优势非常突出。目前，大多数露天矿都面临着新增外排土场无征地指标的困境，外排土场征地已经成为制约露天矿生产的“瓶颈”，因此，在转向过渡方式比选中，外排征地指标是众多比选指标中最为重要的参考指标。