新疆天池能源南露天煤礦轉(zhuǎn)向方式優(yōu)化研究

王韶輝，才慶祥，周 偉，劉福明，陸 翔

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.特變電工股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院，新疆 昌吉 831100)

根據(jù)世界范圍內(nèi)的開采經(jīng)驗(yàn)，水平、近水平及緩傾斜埋藏的礦床采用露天開采時，考慮到年產(chǎn)量、開采強(qiáng)度、設(shè)備尺寸及經(jīng)濟(jì)性等因素，往往采用分區(qū)開采。結(jié)合礦床的地質(zhì)地形條件，依據(jù)技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的原則將礦權(quán)范圍內(nèi)的礦田分為若干采區(qū)，按照一定順序依次開采，直至全礦田開采結(jié)束[1-3]。我國大型露天煤礦多采用分區(qū)開采，例如我國內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾礦區(qū)哈爾烏素露天煤礦、山西平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦、新疆準(zhǔn)東礦區(qū)天池能源南露天煤礦等[4-6]。

在分區(qū)開采的露天礦中，采區(qū)過渡方式的選擇，直接影響到露天礦過渡期間剝離物排量大小、礦物和剝離物運(yùn)距的遠(yuǎn)近、產(chǎn)量的接續(xù)和設(shè)備的調(diào)度，對過渡期間露天礦的總體經(jīng)濟(jì)效益有著根本性的影響[7]。如何綜合評價(jià)采區(qū)過渡方案一直以來是一個技術(shù)難題。

1 工程概況

天池能源南露天煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州吉木薩爾縣準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)，隸屬于天池能源公司。目前，南露天礦首采一區(qū)的剝離工作已經(jīng)接近尾聲，工作幫上部臺階已經(jīng)局部到界，下一步的工作以降段采煤和工作幫陡幫作業(yè)為主。首采一區(qū)開采完成之后向首采二區(qū)轉(zhuǎn)向，推進(jìn)方向由東南轉(zhuǎn)向東北，具體的采區(qū)劃分如圖1所示。

圖1 南露天礦采區(qū)劃分

露天煤礦采區(qū)間轉(zhuǎn)向過渡期間，會出現(xiàn)2個采區(qū)同時進(jìn)行剝采作業(yè)的情況，生產(chǎn)組織較為復(fù)雜，管理相對困難，如果過渡期間采剝工程進(jìn)度計(jì)劃布置不當(dāng)，還將導(dǎo)致因采煤接續(xù)不順而減產(chǎn)，甚至停產(chǎn)。此外，露天煤礦轉(zhuǎn)向過渡期間的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)也較為復(fù)雜，如果組織管理不當(dāng)，將會使運(yùn)距增大，運(yùn)輸系統(tǒng)混亂，影響露天礦的正常生產(chǎn)。

2 轉(zhuǎn)向方式選擇

2.1 采區(qū)轉(zhuǎn)向的基本形式

露天煤礦采區(qū)過渡方式分為連續(xù)式和間斷式兩類[8，9]。連續(xù)式過渡方式的特點(diǎn)是利用現(xiàn)有的工作幫和已形成的端幫向新采區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)向過渡，過渡自然緩和，不需要重新拉溝開拓，運(yùn)距較短，基建量小。具體可分為直角緩幫過渡、扇型過渡、L型轉(zhuǎn)向過渡。間斷式過渡方式的特點(diǎn)是舊采區(qū)開采結(jié)束前，在新采區(qū)內(nèi)重新拉溝布置開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，新、舊采區(qū)之間無干擾影響。四種轉(zhuǎn)向方式如圖2所示。

圖2 采區(qū)過渡示意圖

2.2 轉(zhuǎn)向方式選擇的影響因素

露天煤礦采區(qū)間過渡方式的確定將直接影響轉(zhuǎn)向期間和新采區(qū)的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的布置、煤質(zhì)指標(biāo)、生產(chǎn)剝采比，運(yùn)輸距離等指標(biāo)，對露天礦的經(jīng)濟(jì)效益影響巨大。4種轉(zhuǎn)向方式優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 轉(zhuǎn)向方式優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 南露天礦轉(zhuǎn)向方案研究

通過對地質(zhì)資料和開采作業(yè)的研究分析，南露天礦西高東低的傾斜煤層賦存條件決定了該礦不適宜采用扇形轉(zhuǎn)向技術(shù)，同時設(shè)計(jì)提出4種轉(zhuǎn)向方案，其中方案一為直角轉(zhuǎn)向過渡方案，基本特征為首采一區(qū)各工作線平行推進(jìn)，到界后逐一轉(zhuǎn)向二采區(qū)側(cè)端幫，進(jìn)行緩幫作業(yè)，逐漸形成新的工作線，當(dāng)所有的工作線到界并在二采區(qū)側(cè)緩幫形成新工作線后，轉(zhuǎn)向完成。方案二：折線推進(jìn)西段先到界東段后到界，逐一轉(zhuǎn)至二區(qū)；方案三：西段快速推進(jìn)，到界后轉(zhuǎn)為橫采繼續(xù)開采東段；方案四：西段快速推進(jìn)，到界后L形開采東段。

3.1 方案一

該方案的指導(dǎo)思想是“首采一區(qū)盡早推至南幫，盡可能提前實(shí)現(xiàn)內(nèi)排”，具體程序?yàn)椋洪_采首采一區(qū)時工作線推進(jìn)方式采用平行推進(jìn)，推至南部分區(qū)境界后轉(zhuǎn)向開采首采二區(qū)，首采一區(qū)向首采二區(qū)的轉(zhuǎn)向接續(xù)采取緩幫過渡的方式，接續(xù)推進(jìn)進(jìn)入二采區(qū)進(jìn)行開采，如圖3所示。首采一區(qū)南部剝離工程位置推至首采一區(qū)地表，需從首采一區(qū)緩幫過渡到首采二區(qū)，“到一緩一”，即首采一區(qū)上部剝離臺階到界后，開始緩東部地表上部剝離臺階，逐臺階完成轉(zhuǎn)向。

圖3 轉(zhuǎn)向方案一示意圖

3.1.1 方案一主要優(yōu)點(diǎn)

1)工作線平行推進(jìn)，臺階完整，運(yùn)輸線路通暢。

2)坑底工作線東西兩側(cè)同步向下延伸，同步到達(dá)南部境界，同步，工作線整體移設(shè)，生產(chǎn)組織簡單。

3.1.2 方案一的主要缺點(diǎn)

1)首采一區(qū)西側(cè)向西南方向突出，導(dǎo)致平行推進(jìn)過程中工作線延長，剝采作業(yè)量逐漸增大，而內(nèi)排的起始點(diǎn)就在西幫，影響內(nèi)排時間。

2)首采一區(qū)的內(nèi)排空間利用率不足。主要表現(xiàn)在首采一區(qū)的剝采作業(yè)基本結(jié)束前，內(nèi)排空間被占用，不能內(nèi)排，需要外排出坑；而剝采作業(yè)結(jié)束后，內(nèi)排空間突然釋放，此時的剝采作業(yè)工作線在首采區(qū)二區(qū)，而排土作業(yè)工作線在首采區(qū)一區(qū)西幫，運(yùn)距較遠(yuǎn)，這是由于相當(dāng)部分的剝離物之前被外排到坑外，導(dǎo)致剝離運(yùn)距增加和內(nèi)排空間利用率降低。

3)平行推進(jìn)直角轉(zhuǎn)向?qū)е聝?nèi)排空間的利用時間推遲了約1年時間，按照30Mt/a的煤炭產(chǎn)量和2m3/t的剝采比計(jì)算，增加外排量60Mm3，經(jīng)濟(jì)條件較差。

3.2 方案二

方案一的主要缺點(diǎn)在于內(nèi)排空間需要等待首采一區(qū)剝采作業(yè)基本結(jié)束才能釋放，若加快首采一區(qū)西側(cè)作業(yè)的推進(jìn)強(qiáng)度，使西側(cè)提前到達(dá)坑底境界，則可以提前實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，基于該思路提出方案二，即首采一區(qū)工作線折線推進(jìn)，西側(cè)先到界東側(cè)后到界，逐一轉(zhuǎn)至二區(qū)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向方案二示意圖

由于該礦煤層為傾斜煤層，該優(yōu)化方案的實(shí)施將導(dǎo)致首采一區(qū)工作線東西兩段的降深速度不一樣，西部快速推進(jìn)會更早的到達(dá)底部境界，形成一個較深的坑，東西兩段的作業(yè)不再同步，作業(yè)組織上的復(fù)雜度會上升。

3.2.1 方案二主要優(yōu)點(diǎn)

1)相比方案一，本方案首采一區(qū)西部能更早的到達(dá)坑底境界，更早的釋放內(nèi)排空間，將內(nèi)排起始時間提前。

2)縮短了剝離物的運(yùn)輸距離，降低了運(yùn)輸成本。

3)減少了必須的外排量，減少了外排占地，從初設(shè)看計(jì)劃的外排空間在三采區(qū)，將來開采三采區(qū)時需要重復(fù)剝離外排土場，這樣也減小了未來的重復(fù)剝離量。

3.2.2 方案二主要缺點(diǎn)

1)首采一區(qū)東西兩段降深速度不同步，導(dǎo)致西側(cè)出現(xiàn)較深的坑，形成兩個不同的采礦區(qū)域，生產(chǎn)組織的難度加大。

2)東側(cè)順序推進(jìn)使得東西側(cè)結(jié)合位置的內(nèi)排需要留溝，即內(nèi)排工作線不能壓煤，而由于該礦煤層較厚，這樣的留溝規(guī)模較大，將對內(nèi)排土場建設(shè)形成顯著影響。

3.3 方案三

方案二東側(cè)順序推進(jìn)導(dǎo)致礦坑內(nèi)東西兩段結(jié)合位置剝離滯后，幾乎等于一區(qū)內(nèi)全部剝離作業(yè)結(jié)束的時間，這樣西側(cè)采煤受到影響，而內(nèi)排土也需要留溝，直到最后時刻才能繼續(xù)向前發(fā)展排土工作線，極大的影響內(nèi)排土場的建設(shè)，因此可以考慮西段到界后，東段轉(zhuǎn)為橫采，即工作線沿煤層傾向布置，沿走向推進(jìn)，這樣?xùn)|西段結(jié)合位置可以及時推進(jìn)，既不會壓煤，也不影響內(nèi)排土場的建設(shè)。基于該思路提出方案三和方案四。方案三如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向方案三示意圖

方案三的主要技術(shù)特點(diǎn)是首采一區(qū)西段到界后，東段轉(zhuǎn)為橫采，東西段結(jié)合位置可以直接向東推進(jìn)，形成的空間都是內(nèi)排空間，可以直接內(nèi)排，進(jìn)一步增加內(nèi)排空間，降低運(yùn)距和生產(chǎn)成本。東段剝離物可以通過南幫直接運(yùn)輸?shù)絻?nèi)排土場進(jìn)行排棄，運(yùn)輸系統(tǒng)簡單。

3.3.1 方案三主要優(yōu)點(diǎn)

1)相比方案一，本方案首采一區(qū)西部能更早的到達(dá)坑底境界，更早的釋放內(nèi)排空間，將內(nèi)排起始時間提前。

2)東段的剝離物通過南幫直接運(yùn)輸?shù)絻?nèi)排土場，縮短了排土運(yùn)距，降低了生產(chǎn)成本。

3)減少了必須的外排量，減少了外排占地，從初設(shè)看計(jì)劃的外排空間在三采區(qū)，將來開采三采區(qū)時需要重復(fù)剝離外排土場，這樣也減小了為了的重復(fù)剝離量。

4)相比方案二，首采一區(qū)東段橫采布置工作線將解除東段覆蓋巖土對西側(cè)煤炭開采和內(nèi)排的限制，更多的釋放內(nèi)排空間。

5)隨著東段橫采工作線向東推進(jìn)，下部自然達(dá)到坑底境界，不斷的釋放內(nèi)排空間，如果剝采作業(yè)協(xié)調(diào)妥當(dāng)，剝離物直接內(nèi)排，能顯著改善礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.2 方案三主要缺點(diǎn)

1)首采一區(qū)東西兩段降深速度不同步，導(dǎo)致西側(cè)出現(xiàn)較深的坑，形成兩個不同的采礦區(qū)域，生產(chǎn)組織的難度加大。

2)首采一區(qū)東側(cè)完全轉(zhuǎn)入橫采會導(dǎo)致一區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的煤炭開采受到制約，因?yàn)橄蚰贤七M(jìn)的剝離臺階停止向前推進(jìn)，將制約下部采煤作業(yè)的向南發(fā)展。

3.4 方案四

考慮到方案二和方案三的優(yōu)缺點(diǎn)，主要影響因素在于首采一區(qū)東段的剝離作業(yè)會對該區(qū)域北側(cè)和西側(cè)的煤炭開采形成制約。因此，以L形工作線開采首采一區(qū)東段，即在首采一區(qū)西段到界后，東段原由北向南推進(jìn)的縱采工作線繼續(xù)推進(jìn)，同時建立橫采工作線，同步開采。由于縱采工作線和橫采工作線總體像一個橫寫的L字母，故統(tǒng)稱為L形工作線，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向方案四示意圖

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1)相比方案一，本方案首采一區(qū)西部能更早的到達(dá)坑底境界，更早的釋放內(nèi)排空間，將內(nèi)排起始時間提前。

2)東段的剝離物通過南幫直接運(yùn)輸?shù)絻?nèi)排土場，縮短了排土運(yùn)距，降低了生產(chǎn)成本。

3)減少了必須的外排量，減少了外排占地，從初設(shè)看計(jì)劃的外排空間在三采區(qū)，將來開采三采區(qū)時需要重復(fù)剝離外排土場，這樣也減小了未來的重復(fù)剝離量。

4)減小了內(nèi)排空間釋放不均勻?qū)ιa(chǎn)的沖擊，由于首采一區(qū)到界前內(nèi)排空間有但是不能使用，到界后整個首采一區(qū)的礦坑的內(nèi)排空間突然釋放，排土空間巨大且運(yùn)距較長；這是因?yàn)橹暗膭冸x量已經(jīng)外排，導(dǎo)致突然釋放的坑底長度較大，內(nèi)排需要從首采二區(qū)運(yùn)輸?shù)绞撞梢粎^(qū)西側(cè)，運(yùn)輸成本較高；而本方案先釋放首采一區(qū)西側(cè)的一部分內(nèi)排空間，則此時東側(cè)的剝離可以內(nèi)排至該位置，運(yùn)距較小；當(dāng)東側(cè)內(nèi)排空間也釋放后，排土工作線已經(jīng)推進(jìn)到首采一區(qū)中部，運(yùn)距縮小，能顯著降低運(yùn)輸成本。

5)相比方案二，首采一區(qū)東段橫采布置工作線將解除東段覆蓋巖土對西側(cè)煤炭開采和內(nèi)排的限制，更多的釋放內(nèi)排空間。

6)隨著東段橫采工作線向東推進(jìn)，下部自然達(dá)到坑底境界，不斷的釋放內(nèi)排空間，如果剝采作業(yè)協(xié)調(diào)妥當(dāng)，剝離物直接內(nèi)排，能顯著改善礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

7)相比方案三，首采一區(qū)東段原縱采工作線保留并繼續(xù)向前推進(jìn)，不會導(dǎo)致該區(qū)域北側(cè)下部壓煤。

3.5 方案評價(jià)

前文根據(jù)盡快實(shí)現(xiàn)內(nèi)排的原則優(yōu)化了初設(shè)中給出的轉(zhuǎn)向方案一，提出了方案二、方案三和方案四。綜合考慮轉(zhuǎn)向期間組織管理、設(shè)備效率、煤質(zhì)變化、剝離物的綜合運(yùn)距、剝離物外排量、轉(zhuǎn)向過渡時間、剝采比和工作線長度等因素，方案四為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

1)露天煤礦轉(zhuǎn)向方式的考慮因素主要包括開采工藝、轉(zhuǎn)向期間外排量、采區(qū)轉(zhuǎn)向時間、平均工作線長度、轉(zhuǎn)向期間的平均剝采比和剝離物的綜合運(yùn)距等。

2)新疆南露天煤礦首采一區(qū)到首采二區(qū)的轉(zhuǎn)向方案為方案四：西段快速推進(jìn)，到界后L形開采東段。

3)新疆南露天煤礦首采一區(qū)向首采二區(qū)過渡的優(yōu)化轉(zhuǎn)向方案可以較快釋放內(nèi)排空間，提前內(nèi)排時間，減少外排量，減小了內(nèi)排空間釋放不均勻?qū)ιa(chǎn)的沖擊，節(jié)省成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。