伊敏露天矿采掘台阶高度优化研究

胡鹏飞,李月强

（华能伊敏煤电有限责任公司 伊敏露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021134）

露天矿采场台阶高度是一个重要参数，国内不少学者对此参数从不同角度进行了分析与论述[1-3]。这是由于其不仅影响着露天矿的基本建设、开拓开采、生产能力、生产过程的各个工艺环节[4-6]，也是露天矿损失率及贫化率的关键指标[7]，还影响着露天矿边坡稳定、台阶数量等。其中最重要的是采掘台阶高度的优化，在一定条件下可以减少露天矿的剥离量[8]，进而提高露天矿的经济效益，所以在露天矿生产中，对台阶高度的优化至关重要。

1 研究背景

伊敏露天矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗伊敏河镇境内，由于短期内的产能大幅增长，伊敏露天矿近年剥离量增长明显，内排土场空间出现紧张。同时随着三采区逐步推进，未来煤炭赋存深度整体上呈现下降趋势。这将导致最大开采深度由现在的160 m 增加至225 m，台阶数量将至少增加7 个。如果再考虑煤层分层导致的非全高台阶，台阶数量将增加更多。这就使得在一段时间内，上部台阶推进必须考虑新台阶所占用的空间，超前推进，导致年剥离量增加，内排土场空间紧张的问题更加显著。

伊敏露天矿在产能核增后，为了提高生产能力，已经进行了采掘设备大型化升级。购置数台WK－35型电铲，代替现有的WK－12B 型电铲。虽然电铲型号增大，但是目前伊敏露天矿所采用的台阶高度，仍然以WK－12B 型电铲设备能力为依据确定的12 m。未来在WK－35 型电铲全部投产后，伊敏露天矿将以WK－20 型电铲作为最小采掘设备，其最大挖掘高度已经超过14 m。鉴于上述情况，重点研究伊敏露天矿工作帮台阶高度的优化调整，在确保设备作业安全的条件下，适当增加台阶高度，减少台阶数量，进而提高工作帮坡角，减少工作帮空间占用，降低伊敏露天矿的年剥离量。

2 台阶高度调整方案

露天矿采掘台阶高度的确定，既要使电铲安全作业，又要使电铲能发挥较大的效能，还要综合考虑多种因素。根据伊敏露天矿的实际情况以及电铲作业效率分析等研究成果，电铲作业的台阶高度主要参考以下几方面因素。

1）为了提高电铲作业效率，保证电铲单循环挖掘满斗率，应当保持台阶高度不低于电铲推压轴高度的2/3。否则，电铲的满斗率将较差，进而增加电铲的作业循环次数，导致装车时间延长。

2）伊敏露天矿的剥离物料均为软岩，电铲采用直接挖掘的方式，没有爆破环节，所以台阶高度不能高于电铲的最大挖掘高度，以保证电铲作业安全。

3）台阶高度应当在安全的条件下，尽量达到最大，以提高电铲可采量，减少设备走铲、退铲等环节占用的时间，提高电铲的生产效率。

4）台阶高度应当综合考虑各个采掘设备的能力后，实现全矿台阶高度统一。避免台阶高度不一，给后续电铲工作面的调整造成不必要的困难。同时台阶高度统一，有利于满足安全生产标准化的要求。

5）台阶高度还应实现优化调整目的。对伊敏露天矿这类已经生产多年的露天矿来说，台阶高度调整需要实现减少台阶数量的目的，降低推进帮空间占用，降低年剥离量，提高经济效益；如果调整后台阶数量没有变化，则失去调整价值。

6）调整后电铲最大推进能力应当大于露天矿总体推进度需求，避免电铲推进度不足对整体推进造成不利影响。

2.1 方案选择

露天矿一般台阶高度按照式（1）确定[9]：

式中：Ht为电铲推压轴高度，m；H 为台阶高度，m；Hwmax为电铲最大挖掘高度，m。

伊敏露天矿采掘设备为1 台EX－8000 液压正铲、4 台WK－35 电铲、6 台WK－20 型电铲和1 台WK－10B 型电铲，其中WK－10B 型电铲仅作为其他电铲大修时的备用设备，可以布置在煤层顶板台阶等非全高台阶，所以针对实际情况，本次研究不再考虑WK－10B 型电铲。仅考虑WK－20、WK－35、EX8000 3 种型号电铲。

通过对各个型号的电铲作业参数进行整理，伊敏露天矿电铲型号主要有：①WK－20 型电铲：最大挖掘高度14.4 m；②WK－35 型电铲：最大挖掘高度16.2 m；③EX－8000 液压正铲：最大挖掘高度20.5 m。可知，伊敏露天矿的主要采掘设备中，WK－20 型电铲的最大挖掘高度最小，为14.4 m。所以伊敏露天矿的采掘台阶高度的应当以WK－20 电铲为准。

WK－20 型电铲推压轴高度为8 m，那么伊敏露天矿的台阶高度H 必须满足H≤14.4 m；而且应当尽量满足

因此，台阶高度建议在5.3～14.4 m，考虑目前的台阶高度已经为12 m，本次调整的目的是增加台阶高度，减少台阶数量。最终提出了3 个方案，分别为12、13、14 m。

2.2 方案对比

2022 年以后，通过地质资料分析，在伊敏露天矿三采区范围内，15 号煤层顶部剥离物厚度在轮斗连续系统下部72～125 m。16中煤层至15 煤之间夹矸层厚度24～28 m。16下煤层至16中煤层之间夹矸厚度在0～56 m。结合各部分剥离物厚度，对台阶高度选取的合理性进行分析。

15 煤和16中夹矸层厚度24～28 m，当台阶高度为12～13 m 时，局部需要划分3 个台阶，采用14 m时，仅需要划分2 个台阶；针对16中和16下煤之间的夹矸层，其厚度在0～58 m 之间，当采用12～14 m时，均为5 个台阶；针对15 煤以上的剥离部分，厚度在72～125 m 之间，在引入轮斗连续系统后，顶部剥离一台阶高度为18 m 的情况下，当台阶高度为12 m 时，剥离台阶最多为10 个，台阶高度为13 m 时，剥离台阶最多为9 个，台阶高度为14 m 时，剥离台阶最多为8 个。

综上可知，台阶高度为12 m 时，剥离台阶总数18 个；台阶高度为13 m 时，剥离台阶总数为17 个；台阶高度为14 m 时，剥离台阶总数为15 个。同时在台阶高度12 m 时，15 号煤层上部剥离物的推进帮坡角为9°，台阶高度在调整至14 m 时，15 号煤层上部剥离物的推进帮坡角为10.44°。由于帮坡角增加，可以降低年剥离量，有效提高经济效益。所以台阶高度增加至14 m 是有必要的。采场剥离台阶数量及帮坡角对比见表1。

表1 采场剥离台阶数量及帮坡角对比

2.3 可行性分析

台阶高度调整后，电铲的推进度将有所变化，现结合电铲最大推进度和伊敏露天矿整体推进度，对调整后的可行性进行分析。WK－20 型电铲在伊敏露天矿作业条件下，平均生产能力约为500 万m3/a。电铲后部电缆长度最大为400 m，所以实际生产中，选取的最小工作线长度约为350 m。依据上述参数，WK－20 型电铲的最大推进度为：

式中：D 为年推进度，m；Q 为WK－20 电铲年剥离量，500 万m3；L 为工作线长度，350 m；H 为台阶高度，14 m。

经计算，WK－20 电铲年最大推进度为1 020 m，而伊敏露天矿年推进度约为400～450 m，远远小于电铲可实现的最大推进度。所以台阶高度调整至14 m 后，电铲的推进能力仍然能够适应露天矿的整体推进需求。

同时当采掘台阶高度调整至14 m 后，主要采掘设备WK－20 和WK－35 型电铲完全能够满足安全生产条件，且效率不受影响。对于EX8000 型液压正铲，其最大采掘高度远大于14 m，且根据露天矿实际生产总结，该电铲台阶高度大于8 m 时，满斗率就可以满足生产需要。

3 调整后的优势

根据伊敏露天矿采掘规划研究，2026 年后，伊敏露天矿的台阶总数量将达到22 个，其中剥离台阶18 个。如果台阶高度调整至14 m，在考虑煤层分层赋存导致的不整台阶因素，可以减少台阶数量3 个。结合伊敏露天矿的设备型号及参数，采掘最小工作平盘宽度为72 m。按照减少3 个台阶计算。调整后，伊敏露天矿推进帮占据的空间可以减少216 m，能够有效减少推进帮的空间占用，缩小露天矿采场、排土场的间距，缩短露天矿的运输距离。

另外调整台阶高度后，推进帮帮坡角可以提高近1.5°，预估可以减少年度剥离量约为1 000 万m3，可以有效地降低伊敏露天矿的年剥采比，提高经济效益。同时随着三采区逐步推进，伊敏露天矿煤层将进一步降深，最大采深将达到225 m。在煤层降深期间，台阶高度增加至14 m 能够延缓新台阶的出现时间，减少煤层降深带来的影响。

4 结语

由于伊敏露天矿进入三采区后，煤层赋存深度逐年增加，台阶数量将有所增多。在产能核增至35.0 Mt/a 后，伊敏露天矿完成了设备型号的大型化升级。升级完成后，已经具备了增加台阶高度的条件。对伊敏露天矿台阶高度调整的方案进行了详细论述，最终确定台阶高度为14 m。且研究发现，调整后，伊敏露天矿推进帮坡角增加，年剥离量减少，台阶数量减少，能够切实提高经济效益，同时能够使露天矿更好的应对煤层降深带来的问题。