安家岭露天矿东南部采掘境界优化

屈 亮

（中煤平朔集团有限公司 安家岭露天矿，山西 朔州 036000）

露天矿生产过程中，最终开采边界直接决定着整个矿山的采剥总量、剥采比、生产能力以及经济效益，对露天矿生产有着重大影响，决定着矿山开拓方法的选择、运输系统布置以及成本与效益等技术经济指标，合理的露天矿采掘边界是露天开采基础[1-4]。针对露天矿采掘境界优化问题，国内外学者对境界优化相关理论进行了广泛的探讨。白润才[5]等提出1 种使露天矿提前实现内排、缩短剥离运距、增大合理经济剥采比、消除斜复合煤层露天矿公共边帮优化开采境界的方法，使得相邻倾斜复合煤层露天矿转向期间能够根据矿山自身特点优化开采境界；胥孝川等[6]根据地表构筑位置，以矿体赋存条件和技术经济为指标，基于椎体排除法生成利润值最大的无约束境界，建立了矿山开采生态成本计算模型；孙杰[7]针对安家岭露天矿东帮开采边界中存在重要建（构）筑物问题，通过分析安家岭露天矿东帮端帮优化影响因素，结合矿山开采现状，对东帮优化的技术指标分析和经济指标进行分析，最终确定了安家岭露天矿东帮采掘边界；贾明涛等[8]通过应用改进的最大流最小割算法，以净现值最大为优化目标，利用C＋＋编程实现了对露天矿进行境界优化；赵明等[9]为解决3DMine 矿业软件境界优化中块体体积和纯煤密度计算与实际煤岩量不符问题，提出块体价值和附加运输费用计算方法，并通过对块体属性等进行参数设置使得境界优化更加准确可靠；曹博等[10]为了优化烧变岩侵蚀条件下倾斜煤层露天矿分区境界，通过构建黑山露天煤矿三维仿真境界，提出建立煤、岩层块体模型，用块量反验方式校验三维境界的方法，并揭示了境界剥采比与平均剥采比随分区境界外扩的变化规律，确定了烧变岩侵蚀露天矿分区境界。

上述学者对露天矿境界优化都是侧重于境界优化理论或整体端帮境界的优化，但对生产中矿山局部端帮境界优化较少。为此，针对安家岭矿东南部区域局部采掘境界的优化问题，根据现场生产实际条件、生产剥采比及经济效益等，提出采掘边界设计方案，通过比较其煤炭损失、经济效益、现场实施条件等，进行最终采掘边界优选。

1 矿山工程概况

安家岭露天矿田位于平朔矿区中南部，其深部境界东西长度为4.35～7.26 km，南部宽度为0.85～4.1 km，为经济合理开发矿田。将矿田划分为3 个采区，矿山主采煤层为4＃、9＃、11＃煤层，核定年生产能力2 000 万t/a。

目前，矿山工程位于首采区，首采区北部工作线目前已经处于靠界状态，南部表层剥离工作线正逐步进行靠界，而安家岭露天矿东部矿界附近由北向南依次存在后安变电室、后安矿临时停车场、后安矿工业广场、平陶公路、白芦矿工业广场等，所以首采区东部采掘边界考虑到采场构筑物以及爆破安全距离等因素，采掘边界相对矿权向内缩界200 m，南部采掘边界仍采用矿权界，东部采掘边界与南部矿权界相交形成拐角，要回收该区域煤层则需要布置相应的运输系统及到界端帮，延深到露天矿底部境界时，拐角区域剥离量较大，从经济上来说并非最佳的端帮布置方案，所以有必要综合考虑各种因素，对安家岭露天矿东南部境界进行优化，以实现矿山收益最大化，达到降本增效的效果。

2 边界优化影响因素及优化参数

2.1 边界优化影响因素

1）露天矿矿权界。露天矿最终采掘位置不应超出矿权界。

2）永久采掘边界处的端帮对其周围地面建筑物不能造成破坏性影响。根据《煤炭工业露天矿设计规范》相关规定：露天矿开采深度小于200 m 时，地表采掘边界与周边重要构筑物安全距离不宜小于最大开采深度；露天矿采掘深度超过200 m 时，地表采掘边界与周边重要构筑物距离不宜小于200 m。

3）露天矿最终帮坡角度应不大于边坡稳定所允许的最大角度，从而保证采场安全。

4）开采成本。对于露天煤矿来说，采出的煤炭获得利润，采煤、剥离岩石等采矿过程产生费用。

2.2 采掘边界优化参数

以安家岭露天矿近期生产成本、煤炭坑口价格、矿山合理边坡角度等为计算参数，对安家岭矿东南部最终采掘边界方案进行综合计算比较。用于采掘边界优化主要参数：原煤售价300 元/t；单位采剥成本15.3 元/m3；单位煤炭运输成本2.28 元/（m3·km）；资源回收率95%；边坡角30°～32°。

3 东南部境界优化方案

3.1 采掘境界优化方案

为达到优化东南部采掘境界优化目标，减少无效剥离，降低生产成本，提高企业效益，根据端帮稳定帮坡角、矿权界和爆破安全距离等影响采掘边界优化的因素，结合安家岭矿生产现状，提出了以下4种东南部采掘境界方案。

1）方案1。该方案为原始设计方案，东南部采场采掘境界按照矿权及原始设计边界作为最终采掘边界，直接布置最终端帮运输系统。最终端帮参数为运输平盘宽度40 m、安全平盘宽度10 m，下部煤层全部靠帮开采，仅留设5 m 安全平盘。

2）方案2。东南部采场采掘境界按照矿界拐角处端帮运输系统取直，将南帮拐角处境界向内缩界，南部端帮与东帮垂直布置，最终端帮参数为运输平盘宽度40 m、安全平盘宽度10 m，下部煤层全部靠帮开采，仅留设5 m 安全平盘。

3）方案3。在方案2 基础上将拐角处端帮回缩，地表境界拐角处向内缩界135 m，最终端帮参数为运输平盘宽度40 m、安全平盘宽度10 m，下部煤层全部靠帮开采，仅留设5 m 安全平盘。与方案2 相比，减少无效剥离，基本不损失煤量，进一步降低无效剥离和剥采比，最大限度地回收煤炭资源，提高矿山经济效益。

4）方案4。按照经济效益最大化原则在方案3的基础上进一步回缩境界，地表境界拐角处向内缩界135 m，最终端帮参数为运输平盘宽度40 m、安全平盘宽度10 m，下部煤层全部靠帮开采，仅留设5 m安全平盘。在降低无效剥离的同时考虑了煤炭回收的经济效益，实现经济利润最大化。

各方案对比示意图如图1。

图1 各方案对比示意图

3.2 优化方案比较分析

3.2.1 采剥量

根据各方案端帮设计，建立最终境界坑模型，对圈定的首采区东南部区域各方案可回收原煤及剥离量进行计算，安家岭露天矿东南部各方案最终境界煤岩量见表1。

表1 安家岭露天矿东南部各方案最终境界煤岩量

由表1 可知：与方案1 相比，后3 种方案剥离量及原煤量都有所减少，剥离量减少程度较大，煤炭损失相对较少。

3.2.2 运 距

根据安家岭露天矿长远规划，安家岭露天矿二采区东部物料经由首采区东南部端帮运输至北内排土场，而各东南部端帮设计方案在拐角处运输距离各不相同，运距大小排序为方案1﹥方案2﹥方案3﹥方案4。东南部端帮运距示意图如图2。

图2 东南部端帮运距示意图

由于各平盘端帮拐角处运距各不相同，在比较各方案运距时需要根据各平盘运输物料及运距求得各方案在该区域的综合运距L，具体计算公式为：

式中：L 为运输物料经过东南部域拐角区综合运距，m；Qk为经过首采区东南部端帮各平盘物料量（k 代表平盘），万m3；lk为东南部区域拐角处各平盘运输距离，m。

据此可以计算求出各方案在该区域加权运距：方案1 运距547.43 m；方案2 运距450.55 m；方案3运距407.30 m；方案4 运距366.27 m。

3.3 经济效益分析

通过对各方案的采剥量及运距进行分析，可知各方案中经由端帮运输物料运距和剥离量相比原始设计方案1 都有所下降，其中方案4 剥采比最小，同时形成的端帮拐角处运输距离最短，但煤炭损失较大，相比方案1 损失煤炭13 万t，方案2 和方案3 煤炭损失相差不大，方案3 剥采比和运距均比方案2小。为比较各方案经济效益，按安家岭矿近期原煤价格和生产成本，计算各方案经济效益和节省运输费用，计算公式为：

式中：Y 为单位体积剥离物料每公里运费；p 为吨煤成本，元/t；Q 为剥离量，万m3；A 为煤炭资源回收量，万t；ρ 为煤密度，t/m3；C 为采剥成本，元/m3；Qw为经由东南部端帮排弃物料量，万m3。

各境界方案经济指标见表2。

表2 各境界方案经济指标 万元

根据上述经济指标计算，可知各方案相对于原设计方案1 的原煤经济效益及节约排土运输费用情况，相比较方案4 相对最优，与方案1 相比可增加原煤经济效益5 782 万元，节省排土运费2 478 万元。

4 结语

以安家岭露天煤矿东南靠界区域为研究对象，通过对采掘境界优化影响因素分析，提出了采掘境界的4 种优化方案，通过对各方案的经济技术指标对比分析，将东南帮拐角处采掘边界缩界开采，合理优化了东南部靠界拐角处端帮形状，在减少13 万t原煤采出量的情况下，可减少剥离量633 万m3，与最初端帮设计相比可增加经济效益5 782 万元，同时可减少二采区东部排弃物料运输费用2 478 万元，有效地提升了矿山经济效益。