河曲露天煤礦采區轉向方式研究

劉 震,王曉民,呂貴龍,李瑞行,王恒榮,馬 力

(1.山西焦煤集團山煤國際河曲露天煤業有限公司,山西 忻州 036500;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054)

0 引言

露天煤礦一般由于生產規模、設備型號、現場生產情況等因素將礦田分成若干個獨立的采區進行開采[1-2],在轉向過渡期間,采區轉向方式等因素對礦山生產成本與生產穩定性有很大的影響,可能會造成工作線長度過長、初期投資較大、原煤接續緊張、運距加大等問題,進而影響工作面布置、采排成本與剝采比等因素[3-4],所以露天礦在面臨采區轉向時應提前對轉向方式進行論證與研究。由于二采區首采工作面布置方式在很大程度上取決于首采區向二采區轉向方式,因此,研究最佳采區轉向接續方式是確定二采區首采工作面的基礎。

目前,國內對露天煤礦的采區轉向研究頗為重視,如紅沙泉煤礦、東露天礦、黑岱溝露天礦、天池能源南露天礦、安家嶺露天礦、安太堡露天礦等都曾經研究采區轉向這一重要課題。對于露天煤礦采區轉向方面的現狀與存在的問題,根據河曲露天煤礦的工程地質條件,展開首采區向二采區轉向方式的研究。基于經濟上合理、工程上適用的原則對3種轉向方式進行適用性評價,使用集值迭代法對外排量、采區轉向過渡的時間、平均工作線的長度變化、剝離物的綜合運距、轉向期間的平均剝采比、轉向期間煤質的變化、開采工藝的適應性等因素進行指標權重評價[5-6],結合TOPSIS評價法確定最優的轉向方案[7]。

1 研究區概況

河曲露天煤礦開采深度達到200 m左右,首采區臨近開采終了并進入二采區開采。首采區與二采區相鄰布置,首采區采空區壓幫內排增加了二采區的二次剝離成本[8]。首采區采空區形成的內排土場采用留溝內排方式,在首采區西端幫鄰近二采區位置預留深度達200 m的深溝。該溝的預留可以有效地減少首采區內排土場壓幫對二采區開采的二次剝離影響,節省二次剝離成本。但該溝的預留卻致使首采區的內排空間不能完全釋放,增加首采區內排土場的負擔以及剝離物料轉排的剝離運輸成本[9]。如何協調首采區與二采區間轉向接續關系,對河曲露天煤礦開采成本控制以及經濟效益具有重要意義。

基于露天采區過渡的2種基本方式,提出3種轉向方案,從經濟與開采技術等方面確定最佳的轉向方案,在最佳轉向方案基礎上確定二采區首采工作面的布置方式[10-11]。大型露天礦相鄰采區過渡方式主要有連續式和間斷式2類。根據河曲露天煤礦工程地質條件及現場實際情況,提出首采區過渡至二采區3種基本方式。

河曲露天煤礦共劃分4個采區,將首采區西部區域作為二采區。由于中部區域、南西部區域圈定的露天開采境界不連續,故將其分別作為三采區、四采區,采區劃分如圖1所示。

圖1 采區劃分

2 轉向方式分析評價

連續式過渡方式主要分為直角緩幫過渡方式與扇型過渡方式,其特點是根據工程實際使用的工作幫和存在或者正在形成的端幫向著新采區進行轉向過渡工作。其過渡方式較為自然,并不需要進行二次拉溝,基礎工程建設量小,運輸設備的運輸距離比較經濟合理。間斷式過渡方式的特征主要是在前一個采區開采工作結束之前,在新生成的采區內開始重新拉溝并布置新的開拓運輸系統,前一個采區與新采區之間不存在互相干擾與影響的情況。

2.1 重新拉溝

重新拉溝是指在上一個采區開采工作全部結束前,在新的采區開始重新拉溝并開發布置開拓運輸系統。本方案從二采區北側溝谷處重新拉溝,從北向南推進,平均工作線長度1 300 m,每階段沿13號煤底板推進,經過4個階段后完成露天礦二采區轉向工程,與首采區推進方向形成180°轉向,重新拉溝間斷式轉向方式示意如圖2所示。

圖2 重新拉溝間斷式轉向原理及現場平面布置示意

重新拉溝主要特點:①需重新拉溝,基建剝離工程量較大,需建外部排土場;②采區間可采用全面壓幫進行內排[12],實現雙環運輸[13],運輸距離短;③發生較大的二次剝離量,采深越大,重復剝離量越大;④新采區的重新拉溝與原有采區的收尾工程不發生干擾。

2.2 扇形轉向

扇形轉向過渡是指在舊采區終了前,工作線的回轉中心為新舊采區接續位置,向單一方向旋轉推進[14]。本方案從現有內排土場西側與二采區留溝處最南端為轉軸點,進行扇形轉向推進生產,工作線平均長度1 400 m,以工作線南端小幅度推進北端每階段推進200 m,扇形轉向原理及平面布置如圖3所示。

圖3 扇形轉向原理及現場平面布置示意

2.3 緩幫留溝

緩幫留溝過渡是利用原采區端幫的一部分緩幫建設成新采區工作幫的過程[15]。該方案從首采區推進時就開始在西端幫邊界處緩幫留溝,直至首采區推進結束通過所留設的溝在二采區向西推進,共分為4個階段轉向推進生產,工作線平均長度1 100 m,轉向原理與平面布置效果如圖4所示。

圖4 緩幫留溝轉向原理及現場平面布置示意

緩幫留溝過渡的主要特點:①由于原采區留溝內排,導致內排卡車單環運輸,增加卡車內排運距,從而增加運輸費用。②由于留溝,內排空間減少,相應的剝離量需加高內排高度或通過外排解決,增加卡車運距和相應的運輸費用。③轉向過程中,采運排設備無需大遷移,因而管理相對簡單,過渡期無需另建外部排土場。

3 轉向方式優選

3.1 轉向過渡優選評價指標

開采工藝的適應性:河曲露天礦采用的單斗-卡車開采工藝對3種轉向方式的適用性皆較好。

轉向期間的外排量:在河曲露天煤礦轉向期間重新拉溝方式的外排量最大,緩幫留溝轉向方式次之,扇形轉向方式最少。

轉向期間煤質的變化:扇形轉向比其他轉向方式的煤質變化要大,緩幫留溝煤質變化最小。

采區轉向過渡時間:對于河曲露天煤礦生產而言,轉向過渡的時間越小,對露天礦生產的不利影響就越小。間斷式拉溝需要重新拉溝,轉向時間最長,扇形轉向時間要比留溝緩幫的時間要長,緩幫留溝轉向所用時間最短。

轉向期間的平均剝采比:轉向期間的平均剝采比直接決定了河曲露天煤礦的經濟效益。間斷式轉向方式需要重新拉溝,因此它的平均剝采比最大;在河曲露天煤礦,緩幫留溝轉向方式的平均剝采比扇形轉向方式的平均剝采比略小。

平均工作線長度:平均工作線長度是決定河曲露天煤礦產量的一項重要因素,它直接影響了采掘效率和運輸設備的效率,間斷式重新拉溝轉向方式和緩幫留溝轉向方式在轉向期間的工作線長度變化不大。

剝離物的綜合運距:河曲露天煤礦每年都會投入大量資金用于剝離物的運輸,加之每年剝離物的總量巨大,所以減少剝離物的綜合運距對河曲露天煤礦的經濟效益提高明顯。緩幫留溝轉向方式由于存在內排留溝,綜合運距要高于扇形轉向。

采區轉向方式影響指標評價見表1。

表1 轉向方式的影響指標評價

3.2 轉向方案對比分析

3種轉向方案剝采工程量分析:重新拉溝初期剝離排棄空間較緊張,生產接續較復雜,待完成拉溝推進,工作面正常推進時采排關系會趨于合理。該方案平均水平剝離運距3.31 km。重新拉溝分階段采剝關系見表2。

表2 重新拉溝分階段累計采剝

扇形轉向推進過程中,初期剝離排棄空間相對較緊張,其次,扇形轉向過程中,同一工作面由于兩端推進強度的不同,造成較多的三角工程量,對爆破、采裝效率影響較大。該方案平均水平剝離運距2.54 km。扇形轉向分階段采剝關系見表3。

表3 扇形轉向分階段累計采剝表

緩幫留溝推進過程中,轉向過程中,采運排設備無需大遷移,因而管理相對簡單,過渡期無需另建外部排土場。其次,相比于扇形轉向,三角工程量較少,對爆破、采裝效率影響較小。該方案平均水平剝離運距2.87 km。緩幫留溝轉向分階段采剝關系見表4。

表4 緩幫留溝轉向分階段累計采剝

3種轉向方案平均運距分析:重新拉溝平均水平剝離運距3.11 km,扇形轉向平均水平剝離運距2.54 km,緩幫留溝轉向平剝離運距2.87 km,緩幫留溝方案運距最小。

轉向方案技術評價:扇形轉向相比重新拉溝方案在工作面逐漸打開的過程中,內排空間隨著采剝工作面推進打開較快,一定程度上緩解初期排土壓力,緩幫留溝轉向的推進過程中各個階段的采排關系均合理可行,相比扇形轉向過程中,同一工作面由于兩端推進強度的不同,造成較多的三角工程量,對爆破、采裝效率影響較大,緩幫留溝推進工作面更靈活,生產更易組織。

轉向方案經濟評價:通過對河曲露天煤礦工程實際運距、剝采比、工作線以及外排量等多因素對3種方案進行綜合對比分析,見表5。

表5 3種方案對比分析

3.3 指標權重確定

影響指標權重確定:轉向期間的外排量(w1)、采區轉向過渡時間(w2)、平均工作線長度變化(w3)、剝離物的綜合運距(w4)、轉向期間的平均剝采比(w5)、轉向期間煤質的變化(w6)、開采工藝的適應性(w7)。各評價指標對采區劃分的影響程度取決于各指標權重,并且權重是方案優選的關鍵性指標。

選取集值迭代法確定指標權重,其原理如下。

設Y={y1,y2,…,yq}為有限論域,P={p1,p2,…,pq},選初始值k(1≤k≤q),然后pj(j=1,2,3,…,n)按下完成計算。

在Y中選pi優選屬于A的R1=k個元素得Y的子集

(1)

在Y中選pi優選屬于A的R2=2k個元素,得Y的子集

(2)

在Y中選pi優選屬于A的Rt=tk個元素,得Y的子集

(3)

假設自然數t滿足q=tk+c,1≤c≤k,則在第t+1步迭代終止。

yj的覆蓋頻率

(4)

由5位專家P={p1,p2,p3,p4,p5}對采區轉向各項指標進行優先排序,最終得到權重集W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7)=(0.178,0.2,0.057,0.157,0.243,0.05,0.115)。

3.4 TOPSIS評價法

TOPSIS原理是在比選方案中選出最優指標和最劣指標,并分別組成理想方案和最劣方案,然后計算出理想方案和各比選方案貼近度,由此給各比選方案進行排序,選出最佳方案。

3.4.1 評價指標同趨勢化

3.4.2 矩陣歸一化

(5)

歸一化矩陣

(6)

3.4.3 最優值、最劣值向量

分別取歸一化矩陣每行的最大值、最小值為最優向量A+與最劣向量A-

(7)

3.4.4 各評價所有指標與最劣方案及模型理想方案的距離

(8)

3.4.5 計算各方案與理想方案的貼近度Ci

(9)

貼近度Ci越大,說明越接近模型理想方案,離最劣方案越遠,即所比選最佳方案。

3.5 轉向方式確定

通過上述TOPSIS評價法以及各比選方案評價指標參數,計算確定出各比選方案貼近度見表6。

表6 比選方案貼近度

由表6可知,Ci=0.620最大,即緩幫留溝最接近模型理想方案,因此緩幫留溝為河曲露天煤礦轉向最佳方案。

4 結論

(1)通過前期對比分析,根據河曲露天煤礦的工程地質條件,在首采區轉向至二采區過程中,提出了3種基本轉向方案,即緩幫留溝、扇形轉向、重新拉溝。

(2)重新拉溝初期剝離排棄空間較緊張,生產接續較復雜,且初期剝離運距較長。扇形轉向同一工作面兩端推進強度的不同,造成較多的三角工程量。緩幫留溝轉向的推進過程中各個階段的采排關系均合理可行,相比扇形轉向過程,緩幫留溝推進工作面更靈活,生產更易組織。

(3)基于集值迭代TOPSIS評價法確定首采區轉向至二采區最佳轉向方案為緩幫留溝轉向方法。