王登龍，陳 濤

（1.神華新疆吉木薩爾能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉831700；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

露天礦采場(chǎng)是一個(gè)隨時(shí)間協(xié)調(diào)變化的有限空間，其內(nèi)部的時(shí)空演化規(guī)律是露天礦開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)定線的重要基礎(chǔ)[1-3]。運(yùn)輸系統(tǒng)是否合理將直接影響露天礦整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效率[4-5]。解決端幫運(yùn)輸?shù)缆分剀囅滦袉?wèn)題，傳統(tǒng)方法是增加運(yùn)輸水平[6-7]，將每條運(yùn)輸?shù)缆啡∑剑_(dá)到減小剝離物料的運(yùn)輸高差作用，可有效避免重車下行現(xiàn)象；對(duì)于壓煤?jiǎn)栴}，一般采用靠幫開(kāi)采技術(shù)[8]，取消部分運(yùn)輸?shù)缆?，改為保安平臺(tái)，從而提高了端幫角度，增加資源回收量[9]。

對(duì)于我國(guó)北方的露天礦，由于主采煤層較多且厚度大多為10～30 m，煤臺(tái)階劃分為1個(gè)或2個(gè)，靠幫開(kāi)采時(shí)只需取消煤層頂板上第1條運(yùn)輸?shù)缆罚档偷?條運(yùn)輸?shù)缆返乃?，從而加大部分運(yùn)輸?shù)缆贩?wù)水平，但不會(huì)導(dǎo)致剝離物料的高差過(guò)分增加[10]，端幫運(yùn)輸?shù)缆繁３炙揭嗫蓾M足剝離物料運(yùn)輸。對(duì)于準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)由于煤層的特殊的賦存條件，煤層平均厚度72.58 m，煤層頂板到排土場(chǎng)最下部臺(tái)階高差巨大，若采用水平運(yùn)輸?shù)缆罚捅仨氃诿号_(tái)階上建立端幫運(yùn)輸通道，這樣會(huì)有大量煤炭資源無(wú)法回收；若仍然采取煤層頂板與內(nèi)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階搭接，勢(shì)必會(huì)形成長(zhǎng)距離下坡的端幫運(yùn)輸?shù)缆?。在此條件下實(shí)現(xiàn)靠幫開(kāi)采，若按照傳統(tǒng)方法，取消頂板第1條運(yùn)輸?shù)缆泛?，高差再次增加，?dǎo)致重車下行問(wèn)題更加嚴(yán)重。因此對(duì)于準(zhǔn)東露天礦的煤層賦存特點(diǎn)，這2個(gè)問(wèn)題是存在矛盾的，使用常規(guī)方法無(wú)法同時(shí)解決。為此，針對(duì)準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)西端幫進(jìn)行靠幫開(kāi)采條件下高段內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化研究。

1 靠幫開(kāi)采下內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)分析

準(zhǔn)東露天煤礦由于成煤條件的差異和地質(zhì)構(gòu)造的影響，其煤層賦存條件為傾斜和緩傾斜煤層，首采區(qū)由東向西推進(jìn)，采深逐漸加大，導(dǎo)致首采區(qū)無(wú)法進(jìn)行壓幫內(nèi)排。隨著轉(zhuǎn)向的完成，準(zhǔn)東露天礦具備了一定的內(nèi)排空間，內(nèi)排作業(yè)跟進(jìn)減小了西端幫暴露面積，提高了西端幫邊坡穩(wěn)定性，此時(shí)，西端幫具有進(jìn)一步加陡的條件。為了提高資源回收率、實(shí)現(xiàn)節(jié)地減損開(kāi)采[11]，可在準(zhǔn)東露天礦西端幫（首采區(qū)工作幫）進(jìn)行靠幫開(kāi)采作業(yè)?？繋烷_(kāi)采的核心是提高端幫的幫坡腳，從而降低生產(chǎn)剝采比，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。為達(dá)到這一目的，可采用的靠幫開(kāi)采方式為上部境界不動(dòng)，下部境界向外推進(jìn)，采用的手段是將現(xiàn)存于端幫布置的運(yùn)輸?shù)缆穭冸x，將西端幫的煤臺(tái)階在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上每隔50 m依次降段加陡靠幫并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定西端幫最佳陡幫角度為26°。準(zhǔn)東露天煤礦西端幫靠幫開(kāi)采示意圖如圖1。

圖1 準(zhǔn)東露天煤礦西端幫靠幫開(kāi)采示意圖Fig.1 Schematic diagram of steep end-slopem ining by the west end wall of Zhundong Open-pit Coal M ine

準(zhǔn)東露天煤礦首采區(qū)西端幫靠幫開(kāi)采資源回收方案與內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的問(wèn)題如下：

1）礦巖賦存的特殊性。準(zhǔn)東露天煤礦位于區(qū)域性褶曲構(gòu)造，帳篷溝背斜的西翼，礦區(qū)內(nèi)的侏羅系地層呈向西北向傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀，傾向270°～295°，傾角4°～31°，一般8°～20°，露頭段11°～31°，表現(xiàn)為淺部陡，深部緩，因此轉(zhuǎn)向后工作幫剝離物料重心將位于工作幫西側(cè)，且隨著工作幫的推進(jìn)，剝離物料重心水平向西同時(shí)垂直向下移動(dòng)。露天礦煤層賦存狀態(tài)為單斜構(gòu)造厚煤層，平均厚度達(dá)72.58 m，轉(zhuǎn)向后選采較為簡(jiǎn)單，且能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)排，節(jié)約生產(chǎn)成本，但在向南推進(jìn)的過(guò)程中，煤層厚度逐漸增大，頂板剝離物重心與排土場(chǎng)下部臺(tái)階重心相對(duì)高差較大，且不可避免。

2）西端幫重車下行問(wèn)題。由于煤層賦存狀態(tài)的特殊性，工作幫剝離物運(yùn)移至內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)排時(shí)，現(xiàn)行運(yùn)輸方案為從▽430～▽398 m水平重車下坡，實(shí)現(xiàn)了工作幫煤層頂板與內(nèi)排土場(chǎng)底部臺(tái)階的搭接，但下坡高差超過(guò)30 m，下坡長(zhǎng)度達(dá)到1 km，長(zhǎng)距離的重車下坡問(wèn)題減小了運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸速率，增大了車輛安全間距，從而降低了運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸能力，同時(shí)不利于運(yùn)輸設(shè)備的穩(wěn)定性，增加了運(yùn)輸設(shè)備的維修成本，更為重要的是對(duì)露天礦安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3）西端幫壓煤?jiǎn)栴}。隨著轉(zhuǎn)向的完成，準(zhǔn)東露天礦具備了一定的內(nèi)排空間，內(nèi)排作業(yè)跟進(jìn)減小了西端幫暴露面積，提高了西端幫邊坡穩(wěn)定性，此時(shí)，西端幫具有進(jìn)一步加陡的條件。為了提高資源回收率、實(shí)現(xiàn)節(jié)地減損開(kāi)采，可在準(zhǔn)東露天礦西端幫（首采區(qū)工作幫）進(jìn)行靠幫開(kāi)采作業(yè)。當(dāng)前西端幫邊坡角為23°，沒(méi)有達(dá)到極限穩(wěn)定邊坡角26°，端幫下部還留有可以回收的煤炭資源，若直接內(nèi)排壓幫，會(huì)降低礦山企業(yè)的收益，造成了資源浪費(fèi)。

2 靠幫開(kāi)采下內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)方案

考慮到重車下行問(wèn)題對(duì)準(zhǔn)東露天礦安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，而靠幫開(kāi)采只會(huì)減少經(jīng)濟(jì)效益，因而得出方案設(shè)計(jì)的原則：必須解決重車下行問(wèn)題，同時(shí)盡可能的實(shí)現(xiàn)靠幫開(kāi)采，多回收煤炭資源；采取其他方法或工藝解決重車下行和靠幫開(kāi)采問(wèn)題所需成本必須小于靠幫開(kāi)采后多回收煤炭資源所產(chǎn)生的收益。

由于采區(qū)的劃分，準(zhǔn)東露天礦首采區(qū)轉(zhuǎn)向后西段幫并非平行于煤層走向，導(dǎo)致端幫不平直，這種條件下端幫每個(gè)位置的壓煤量都是不同的，運(yùn)用傳統(tǒng)的剖面算量法不能準(zhǔn)確的計(jì)算出整個(gè)端幫的壓煤量，而在首采區(qū)西端幫靠幫開(kāi)采資源回收方案與內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，壓煤量作為重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，要求其計(jì)算準(zhǔn)確，因此需要對(duì)首采區(qū)進(jìn)行3DMine建模，利用塊體模型對(duì)壓煤量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

2.1 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案

本方案將▽430 m和▽398 m水平運(yùn)輸通道取消，在▽414 m水平建立新的端幫水平運(yùn)輸?shù)缆?，?nèi)排土場(chǎng)2個(gè)排土臺(tái)階水平高度由▽430、▽398 m分別調(diào)整為▽414、▽382 m，取消最下部▽376 m水平排土臺(tái)階，使其與▽382 m水平排土臺(tái)階并段，該排土臺(tái)階的排棄物料由▽414 m水平運(yùn)輸至▽414 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階，然后由溜槽運(yùn)至▽382 m水平排土臺(tái)階水平排棄，實(shí)現(xiàn)了▽414 m水平運(yùn)輸?shù)缆放c▽414 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階的同水平搭接，避免了高差過(guò)大引起的重車下行問(wèn)題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實(shí)現(xiàn)了靠幫開(kāi)采。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案如圖2。

圖2 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案Fig.2 The coal seam by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作幫▽430 m水平剝離物料由▽430 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?62 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，因此這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為32 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?14 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為16 m。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需要加大剝離折返運(yùn)距為32 m和16 m的物料量分別為460.15萬(wàn)t、112.92萬(wàn)m3、101.13萬(wàn)m3/a、38.06萬(wàn)m3/a。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖3，圖中塊體表示量的變化。

圖3 煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.3 Increased coalm ining volume and overburden volume in the coal seam by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dum p scheme

2.2 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案

本方案將▽462 m水平和▽430 m水平運(yùn)輸通道取消，在▽446 m水平建立新的端幫水平運(yùn)輸?shù)缆?，?nèi)排土場(chǎng)1個(gè)排土臺(tái)階水平高度由▽430 m水平調(diào)整為▽446 m水平，取消▽376 m水平排土臺(tái)階，▽398 m水平排土臺(tái)階與▽382 m水平排土臺(tái)階并段，該排土臺(tái)階的排棄物料由▽382 m水平運(yùn)輸至▽382 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階后排棄。本方案實(shí)現(xiàn)了▽446 m水平運(yùn)輸?shù)缆放c▽446 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階、▽382 m水平運(yùn)輸?shù)缆放c▽382 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階的同水平搭接，避免了高差過(guò)大引起的重車下行問(wèn)題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實(shí)現(xiàn)了靠幫開(kāi)采。巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案如圖4。

圖4 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案Fig.4 The rock formation by steep end-slopem ining monocyclic ring in internal dump scheme

工作幫▽462 m水平剝離物料由▽462 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?94 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，因此這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為32 m；工作幫414～446 m水平剝離物料由▽430 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?46 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，因此這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為16 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?82 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為16 m。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需要加大剝離折返運(yùn)距為32 m和16 m的物料量分別為232.13萬(wàn)t、156.48萬(wàn)m3、57.57萬(wàn)m3/a、377.11萬(wàn)m3/a。巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖5，圖中塊體表示量的變化。

圖5 巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.5 Increased coalm ining volume and overburden volume in the rock formation by steep end-slope m ining monocyclic ring in internal dump scheme

2.3 雙環(huán)內(nèi)排方案

本方案將西端幫的▽430 m水平和▽398 m水平運(yùn)輸通道取消，在西端幫▽414 m水平建立新的端幫水平運(yùn)輸?shù)缆?，同時(shí)在距離西端幫400 m處平行于走向搭建▽382 m水平運(yùn)輸橋，在此位置搭橋，既能滿足工作幫▽398 m水平剝離物料的運(yùn)輸，又能避免重心偏移條件下東端幫內(nèi)排造成的運(yùn)距大的問(wèn)題，而且煤層傾斜賦存，搭橋水平與底板高差小，二次剝離費(fèi)用低。內(nèi)排土場(chǎng)2個(gè)排土臺(tái)階水平高度由▽430、▽398 m水平分別調(diào)整為▽414、▽382 m水平，取消最下部▽376 m水平排土臺(tái)階，使其與▽382 m水平排土臺(tái)階并段，該水平的剝離物料由▽382 m水平搭橋水平通道運(yùn)輸。本方案實(shí)現(xiàn)了▽414 m水平運(yùn)輸?shù)缆放c▽414 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階、▽382 m水平搭橋與▽382 m水平排土場(chǎng)臺(tái)階的同水平搭接，避免了高差過(guò)大引起的重車下行問(wèn)題，而且減少了1條煤層上的端幫路，增加了煤炭資源的采出，實(shí)現(xiàn)了靠幫開(kāi)采。雙環(huán)內(nèi)排方案如圖6。

圖6 雙環(huán)內(nèi)排方案Fig.6 The double loop in internal dum p scheme

工作幫▽430 m水平剝離物料由▽430 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?62 m水平運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)輸至排土場(chǎng)，因此這部分剝離物料的折返運(yùn)距將變大，增加量為32 m；工作幫▽398 m水平以下至煤層頂板的剝離物料由▽398 m水平運(yùn)輸?shù)缆犯臑楱?82 m水平橋運(yùn)輸至排土場(chǎng)，這部分剝離物料的折返運(yùn)距不發(fā)生改變。由3DMine軟件建模求出增加的煤炭資源量、增加的剝離量、需加大剝離折返運(yùn)距為32m的物料量分別為460.15萬(wàn)t、112.92萬(wàn)m3、101.13萬(wàn)m3/a。雙環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量如圖7，圖中塊體表示量的變化。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

按照準(zhǔn)東露天礦剝離物提升高程運(yùn)輸單價(jià)、噸煤利潤(rùn)、單位剝離成本、設(shè)備投資算出該方案的經(jīng)濟(jì)效益Fa。當(dāng)Fa為正值時(shí)表示該方案解決了重車下行問(wèn)題的同時(shí)還增加了礦山企業(yè)的收益，且數(shù)值越大經(jīng)濟(jì)效益越好；當(dāng)Fa為負(fù)值時(shí)表示該方案解決了重車下行問(wèn)題的但減少了礦山企業(yè)的收益，且數(shù)值越小表示為解決安全生產(chǎn)問(wèn)題付出的代價(jià)越大。

圖7 雙環(huán)內(nèi)排方案增加的采煤量和剝離量Fig.7 Increased coalm ining volume and overburden volume in the double loop in internal dum p scheme

式中：Fa為煤層靠幫開(kāi)采過(guò)程中內(nèi)排方案經(jīng)濟(jì)效益，萬(wàn)元；Hi為端幫改進(jìn)方案后i水平折返高程，m；Qb為端幫位置變化剝離的物料量，m3；Qi為采場(chǎng)各水平的剝離量，m3；Qc為端幫位置變化采出的煤量，m3；Fb為單位體積物料提升費(fèi)用，1元/m3；Fm為噸煤利潤(rùn)，20元/m3；Fs為單位剝離成本，元/m3；Fc為二次剝離費(fèi)用，萬(wàn)元。

將以上3種方案得到增加的煤炭資源量和剝離量代入式（1）中分析，得出各個(gè)靠幫開(kāi)采過(guò)程中高端內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益,經(jīng)濟(jì)效益比較見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)濟(jì)效益比較Table 1 Com parison of econom ic benefits

3 靠幫開(kāi)采過(guò)程中高端內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)方案優(yōu)選

采區(qū)完成首次轉(zhuǎn)向后工作面將完全垂直于煤層走向，轉(zhuǎn)向后一定時(shí)間內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，優(yōu)化方案仍適用。但因?yàn)槭懿蓞^(qū)劃分方式限制，按年產(chǎn)量1 200萬(wàn)t，年推進(jìn)度220 m計(jì)算，開(kāi)采10年后將再次轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后繼續(xù)推進(jìn)10年，首采區(qū)到界。轉(zhuǎn)向前，工作幫將與煤層走向線斜交，隨著工作幫的推進(jìn)，西端幫煤層底板不斷下降，導(dǎo)致西端幫運(yùn)輸?shù)缆肪嚯x底板距離加大，煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案中▽414 m水平運(yùn)輸?shù)缆穼⒉辉龠m用于生產(chǎn)要求，下行問(wèn)題會(huì)再次出現(xiàn)，根據(jù)頂?shù)装宓雀呔€與端幫交線分析，按照每年煤層下降3 m趨勢(shì)計(jì)算，預(yù)計(jì)巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排方案開(kāi)采8年后不再適用。煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排、雙環(huán)內(nèi)排這2個(gè)方案由于最下部運(yùn)輸水平較低，二次轉(zhuǎn)向后仍然適用。

通過(guò)綜合效益的分析，確定雙環(huán)內(nèi)排方案可以給礦區(qū)帶來(lái)更多的綜合效益，平均每年增加煤炭資源回收量為153.38萬(wàn)t，按首采區(qū)可繼續(xù)服務(wù)20年計(jì)算，首采區(qū)共增加煤炭資源回收量為3 527.8萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）根據(jù)準(zhǔn)東露天礦現(xiàn)場(chǎng)狀況，提出煤層靠幫單環(huán)內(nèi)排、巖層靠幫單環(huán)內(nèi)排、雙環(huán)內(nèi)排3個(gè)技術(shù)可行方案，考慮方案的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，最終選定雙環(huán)內(nèi)排方案為最優(yōu)方案。

2）雙環(huán)內(nèi)排方案內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：▽462 m水平道路運(yùn)輸▽430～▽446 m水平工作幫剝離物料，▽414 m水平道路運(yùn)輸▽414～▽430 m水平工作幫剝離物料，▽382 m水平運(yùn)輸橋運(yùn)輸煤層頂板至▽414 m水平的全部剝離物料。

3）采用雙環(huán)內(nèi)排方案取消▽430 m水平道路和▽398 m水平道路，使端幫角提高約3°，平均每年增加煤炭資源回收量約為153.38萬(wàn)t，方案可服務(wù)首采區(qū)開(kāi)采全過(guò)程，首采區(qū)全區(qū)增加煤炭資源回收量為約3 527.8萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效果顯著。