河曲露天煤矿采区转向方式研究

2023-11-14王晓民吕贵龙李瑞行王恒荣

陕西煤炭 2023年6期

刘震,王晓民,吕贵龙,李瑞行,王恒荣,马力

(1.山西焦煤集团山煤国际河曲露天煤业有限公司,山西忻州 036500;2.西安科技大学能源学院,陕西西安 710054)

0 引言

露天煤矿一般由于生产规模、设备型号、现场生产情况等因素将矿田分成若干个独立的采区进行开采[1-2],在转向过渡期间,采区转向方式等因素对矿山生产成本与生产稳定性有很大的影响,可能会造成工作线长度过长、初期投资较大、原煤接续紧张、运距加大等问题,进而影响工作面布置、采排成本与剥采比等因素[3-4],所以露天矿在面临采区转向时应提前对转向方式进行论证与研究。由于二采区首采工作面布置方式在很大程度上取决于首采区向二采区转向方式,因此,研究最佳采区转向接续方式是确定二采区首采工作面的基础。

目前,国内对露天煤矿的采区转向研究颇为重视,如红沙泉煤矿、东露天矿、黑岱沟露天矿、天池能源南露天矿、安家岭露天矿、安太堡露天矿等都曾经研究采区转向这一重要课题。对于露天煤矿采区转向方面的现状与存在的问题,根据河曲露天煤矿的工程地质条件,展开首采区向二采区转向方式的研究。基于经济上合理、工程上适用的原则对3种转向方式进行适用性评价,使用集值迭代法对外排量、采区转向过渡的时间、平均工作线的长度变化、剥离物的综合运距、转向期间的平均剥采比、转向期间煤质的变化、开采工艺的适应性等因素进行指标权重评价[5-6],结合TOPSIS评价法确定最优的转向方案[7]。

1 研究区概况

河曲露天煤矿开采深度达到200 m左右,首采区临近开采终了并进入二采区开采。首采区与二采区相邻布置,首采区采空区压帮内排增加了二采区的二次剥离成本[8]。首采区采空区形成的内排土场采用留沟内排方式,在首采区西端帮邻近二采区位置预留深度达200 m的深沟。该沟的预留可以有效地减少首采区内排土场压帮对二采区开采的二次剥离影响,节省二次剥离成本。但该沟的预留却致使首采区的内排空间不能完全释放,增加首采区内排土场的负担以及剥离物料转排的剥离运输成本[9]。如何协调首采区与二采区间转向接续关系,对河曲露天煤矿开采成本控制以及经济效益具有重要意义。

基于露天采区过渡的2种基本方式,提出3种转向方案,从经济与开采技术等方面确定最佳的转向方案,在最佳转向方案基础上确定二采区首采工作面的布置方式[10-11]。大型露天矿相邻采区过渡方式主要有连续式和间断式2类。根据河曲露天煤矿工程地质条件及现场实际情况,提出首采区过渡至二采区3种基本方式。

河曲露天煤矿共划分4个采区,将首采区西部区域作为二采区。由于中部区域、南西部区域圈定的露天开采境界不连续,故将其分别作为三采区、四采区,采区划分如图1所示。

图1 采区划分

2 转向方式分析评价

连续式过渡方式主要分为直角缓帮过渡方式与扇型过渡方式,其特点是根据工程实际使用的工作帮和存在或者正在形成的端帮向着新采区进行转向过渡工作。其过渡方式较为自然,并不需要进行二次拉沟,基础工程建设量小,运输设备的运输距离比较经济合理。间断式过渡方式的特征主要是在前一个采区开采工作结束之前,在新生成的采区内开始重新拉沟并布置新的开拓运输系统,前一个采区与新采区之间不存在互相干扰与影响的情况。

2.1 重新拉沟

重新拉沟是指在上一个采区开采工作全部结束前,在新的采区开始重新拉沟并开发布置开拓运输系统。本方案从二采区北侧沟谷处重新拉沟,从北向南推进,平均工作线长度1 300 m,每阶段沿13号煤底板推进,经过4个阶段后完成露天矿二采区转向工程,与首采区推进方向形成180°转向,重新拉沟间断式转向方式示意如图2所示。

图2 重新拉沟间断式转向原理及现场平面布置示意

重新拉沟主要特点:①需重新拉沟,基建剥离工程量较大,需建外部排土场;②采区间可采用全面压帮进行内排[12],实现双环运输[13],运输距离短;③发生较大的二次剥离量,采深越大,重复剥离量越大;④新采区的重新拉沟与原有采区的收尾工程不发生干扰。

2.2 扇形转向

扇形转向过渡是指在旧采区终了前,工作线的回转中心为新旧采区接续位置,向单一方向旋转推进[14]。本方案从现有内排土场西侧与二采区留沟处最南端为转轴点,进行扇形转向推进生产,工作线平均长度1 400 m,以工作线南端小幅度推进北端每阶段推进200 m,扇形转向原理及平面布置如图3所示。

图3 扇形转向原理及现场平面布置示意

2.3 缓帮留沟

缓帮留沟过渡是利用原采区端帮的一部分缓帮建设成新采区工作帮的过程[15]。该方案从首采区推进时就开始在西端帮边界处缓帮留沟,直至首采区推进结束通过所留设的沟在二采区向西推进,共分为4个阶段转向推进生产,工作线平均长度1 100 m,转向原理与平面布置效果如图4所示。

图4 缓帮留沟转向原理及现场平面布置示意

缓帮留沟过渡的主要特点:①由于原采区留沟内排,导致内排卡车单环运输,增加卡车内排运距,从而增加运输费用。②由于留沟,内排空间减少,相应的剥离量需加高内排高度或通过外排解决,增加卡车运距和相应的运输费用。③转向过程中,采运排设备无需大迁移,因而管理相对简单,过渡期无需另建外部排土场。

3 转向方式优选

3.1 转向过渡优选评价指标

开采工艺的适应性:河曲露天矿采用的单斗-卡车开采工艺对3种转向方式的适用性皆较好。

转向期间的外排量:在河曲露天煤矿转向期间重新拉沟方式的外排量最大,缓帮留沟转向方式次之,扇形转向方式最少。

转向期间煤质的变化:扇形转向比其他转向方式的煤质变化要大,缓帮留沟煤质变化最小。

采区转向过渡时间:对于河曲露天煤矿生产而言,转向过渡的时间越小,对露天矿生产的不利影响就越小。间断式拉沟需要重新拉沟,转向时间最长,扇形转向时间要比留沟缓帮的时间要长,缓帮留沟转向所用时间最短。

转向期间的平均剥采比:转向期间的平均剥采比直接决定了河曲露天煤矿的经济效益。间断式转向方式需要重新拉沟,因此它的平均剥采比最大;在河曲露天煤矿,缓帮留沟转向方式的平均剥采比扇形转向方式的平均剥采比略小。

平均工作线长度:平均工作线长度是决定河曲露天煤矿产量的一项重要因素,它直接影响了采掘效率和运输设备的效率,间断式重新拉沟转向方式和缓帮留沟转向方式在转向期间的工作线长度变化不大。

剥离物的综合运距:河曲露天煤矿每年都会投入大量资金用于剥离物的运输,加之每年剥离物的总量巨大,所以减少剥离物的综合运距对河曲露天煤矿的经济效益提高明显。缓帮留沟转向方式由于存在内排留沟,综合运距要高于扇形转向。

采区转向方式影响指标评价见表1。

表1 转向方式的影响指标评价

3.2 转向方案对比分析

3种转向方案剥采工程量分析:重新拉沟初期剥离排弃空间较紧张,生产接续较复杂,待完成拉沟推进,工作面正常推进时采排关系会趋于合理。该方案平均水平剥离运距3.31 km。重新拉沟分阶段采剥关系见表2。

表2 重新拉沟分阶段累计采剥

扇形转向推进过程中,初期剥离排弃空间相对较紧张,其次,扇形转向过程中,同一工作面由于两端推进强度的不同,造成较多的三角工程量,对爆破、采装效率影响较大。该方案平均水平剥离运距2.54 km。扇形转向分阶段采剥关系见表3。

表3 扇形转向分阶段累计采剥表

缓帮留沟推进过程中,转向过程中,采运排设备无需大迁移,因而管理相对简单,过渡期无需另建外部排土场。其次,相比于扇形转向,三角工程量较少,对爆破、采装效率影响较小。该方案平均水平剥离运距2.87 km。缓帮留沟转向分阶段采剥关系见表4。

表4 缓帮留沟转向分阶段累计采剥

3种转向方案平均运距分析:重新拉沟平均水平剥离运距3.11 km,扇形转向平均水平剥离运距2.54 km,缓帮留沟转向平剥离运距2.87 km,缓帮留沟方案运距最小。

转向方案技术评价:扇形转向相比重新拉沟方案在工作面逐渐打开的过程中,内排空间随着采剥工作面推进打开较快,一定程度上缓解初期排土压力,缓帮留沟转向的推进过程中各个阶段的采排关系均合理可行,相比扇形转向过程中,同一工作面由于两端推进强度的不同,造成较多的三角工程量,对爆破、采装效率影响较大,缓帮留沟推进工作面更灵活,生产更易组织。

转向方案经济评价:通过对河曲露天煤矿工程实际运距、剥采比、工作线以及外排量等多因素对3种方案进行综合对比分析,见表5。