曹 博，汪 帥，黃云龍，劉光偉，張東旭，石廣洋，孫 磊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113000；3.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引 言

露天礦開采程序與礦體埋藏條件、露天礦形狀、開采工藝以及開拓運輸系統(tǒng)等密切相關(guān)。對于近水平和緩傾斜礦床，無論是縱采還是橫采，一般具備內(nèi)排空間就可以進(jìn)行內(nèi)排；傾斜礦床和急傾斜礦床一般不能進(jìn)行內(nèi)排，即使能排土也僅能排棄很少量一部分[1]。傾斜煤層露天礦在生產(chǎn)過程中，為盡快實現(xiàn)內(nèi)排、降低剝采比，在一定的生產(chǎn)時期內(nèi)，開采方式由縱采過渡為橫采，從而實現(xiàn)降低露天礦生產(chǎn)成本、產(chǎn)能穩(wěn)定接續(xù)、合理開發(fā)的目的。因此，優(yōu)化橫采內(nèi)排時期合理的采區(qū)寬度，對實現(xiàn)煤炭資源安全高效利用及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

露天煤礦采區(qū)寬度是影響露天礦的生產(chǎn)投資、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)能力以及采區(qū)劃分的重要因素之一[2]，因此確定經(jīng)濟(jì)合理的采區(qū)寬度具有十分重要的意義。露天煤礦采區(qū)寬度的確定需要慎重對待和科學(xué)分析，以使得優(yōu)化后的采區(qū)寬度滿足經(jīng)濟(jì)上合理及技術(shù)上可行[3]。傳統(tǒng)確定采區(qū)寬度的方法主要包括從剝離總費用最小的角度運用計算公式及圖解方法[4]；通過數(shù)學(xué)模型確定合理采區(qū)寬度[5]；從露天礦設(shè)計規(guī)模、主要開采工藝等多個方面綜合考慮確定合理的采區(qū)寬度。目前確定采區(qū)寬度的方式主要有2種：①經(jīng)濟(jì)合理性確定采區(qū)寬度，即經(jīng)濟(jì)分析法，該方法的實質(zhì)是使露天礦田內(nèi)的剝離費用最小[6]。②技術(shù)可行性確定采區(qū)寬度，該方法的實質(zhì)是按照《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的最大允許推進(jìn)度，求得采區(qū)寬度[7]。以上2種方法各有優(yōu)缺點，存在顧此失彼的缺陷。

按照傾斜煤層露天礦橫采過程中剝離物流向流量的變化，可將礦山工程劃分為3個時期，即：全部外排期、部分內(nèi)排期、全部內(nèi)排期[8]。由于外排土場位置及發(fā)展方式的不確定性，使得全部外排期和部分內(nèi)排期剝離運距變化規(guī)律不明確。為進(jìn)一步優(yōu)化采區(qū)寬度的確定方法，針對傾斜煤層露天礦橫采過程中，全部內(nèi)排時期的露天采場特點，建立傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型，分析橫采采區(qū)寬度與剝采比、剝離運距、生產(chǎn)能力的關(guān)系，來確定采區(qū)寬度優(yōu)化原則及適用條件，并以準(zhǔn)東露天煤礦為實例進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型

對于橫采的傾斜煤層露天礦，工作線垂直煤層走向布置，沿煤層走向推進(jìn)。為分析計算傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度與各影響因素之間的關(guān)系，以含一層可采煤層的露天礦為例，建立傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型如圖1所示。其中可采煤層為傾斜煤層，煤層厚度為m，煤層傾角為θ，端幫幫坡角為α，采區(qū)寬度為B。

圖1 橫采內(nèi)排示意

2 傾斜煤層露天礦合理橫采采區(qū)寬度

確定露天礦采區(qū)寬度實質(zhì)是圈定露天礦深部境界。一般以境界剝采比、平均剝采比或生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比作為圈定露天礦深部境界的基本原則。平均剝采比與經(jīng)濟(jì)合理剝采比的變化必然影響采區(qū)寬度的確定。本節(jié)通過分析傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度與平均剝采比、經(jīng)濟(jì)合理剝采比的關(guān)系，從經(jīng)濟(jì)合理角度分析確定合理的采區(qū)寬度。

2.1 橫采采區(qū)寬度與平均剝采比關(guān)系

平均剝采比是露天采礦的一項重要指標(biāo)，決定露天礦境界內(nèi)剝巖總量的重要因素，也是影響露天礦基建投資和生產(chǎn)成本的重要因素。

對于傾斜煤層橫采內(nèi)排露天礦來說，在已知煤層厚度、煤層傾角及端幫幫坡角的情況下，平均剝采比與露天礦橫采采區(qū)寬度的大小有關(guān)[9]。為確定傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度與平均剝采比的關(guān)系，根據(jù)建立的傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型，分析兩者之間的聯(lián)系，并用數(shù)學(xué)計算式進(jìn)行表達(dá)，傾斜煤層露天礦橫采斷面如圖1所示。

由圖1幾何關(guān)系，經(jīng)分析可知

(1)

(2)

式中：S1為單位推進(jìn)度采出煤量，m3；S2為單位推進(jìn)度剝離巖量，m3。

平均剝采比為剝離巖土量與采出礦石量之比，即

(3)

式中：np為平均剝采比，m3/t；v為年推進(jìn)速度，m/a；γ為原煤密度，t/m3；μ為采出率，%；p為采區(qū)服務(wù)年限，a。

將式(1)、式(2)代入式(3)，即可算出平均剝采比np，為方便分析將其記作函數(shù)g(B)：

(4)

2.2 經(jīng)濟(jì)合理剝采比優(yōu)化分析

經(jīng)濟(jì)合理剝采比是圈定露天礦境界的重要指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)合理剝采比的大小直接影響礦山儲量、勞動定員、生產(chǎn)規(guī)模等生產(chǎn)指標(biāo)的確定[10]。經(jīng)濟(jì)合理剝采比(即盈虧平衡剝采比)的確定方法基本上可分2類：成本相等法和價格法[11]。前者適用于露天和地下開采的貧化損失相同或近似，礦石資源豐富且不貴重時。但從實際生產(chǎn)看，露天開采和地下開采在貧化損失方面相差很大，露天開采采出率可達(dá)90%以上，而地下開采采出率僅為50%左右。因此采用價格法，計算公式為

(5)

式中：nj為經(jīng)濟(jì)合理剝采比，m3/t；dL為原煤售價，元/t；ε為考慮銷售產(chǎn)品收入中扣除生產(chǎn)成本、盈利等的系數(shù)；a為采煤成本，元/t；b為剝離成本，元/m3。

通過分析式(5)可知，原煤售價與經(jīng)濟(jì)合理剝采比成正比關(guān)系，采煤成本、剝離成本與經(jīng)濟(jì)合理剝采比成反比關(guān)系。其中原煤售價取決于市場條件，采煤成本主要取決于采煤運輸費用，剝離成本主要取決于剝離運輸費用。剝離物流量流向是影響剝離運輸費用的關(guān)鍵因素，其中剝離成本相對于其他參數(shù)對經(jīng)濟(jì)合理剝采比的影響更加明顯。

對于傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排程序而言，工作線沿煤層傾向布置，走向推進(jìn)，初期剝離物排至外排土場。隨著采場降深及采煤工作線推進(jìn)，內(nèi)排空間逐步釋放。當(dāng)降深到最下一層可采煤層底板并具備內(nèi)排條件時，采場剝離物開始內(nèi)排，外排量減少。剝采工程進(jìn)入完全內(nèi)排期之后，剝離運距保持相對穩(wěn)定，如圖2所示。上述剝離物料流量流向的變化，主要體現(xiàn)在剝離運距的變化。因此，對于傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度，不能簡單地按照一個固定的經(jīng)濟(jì)合理剝采比進(jìn)行確定，需按照經(jīng)濟(jì)合理剝采比動態(tài)優(yōu)化確定采區(qū)寬度。

圖2 傾斜煤層露天礦縱采向橫采過渡示意

2.3 橫采采區(qū)寬度與經(jīng)濟(jì)合理剝采比關(guān)系

經(jīng)以上分析，無法直接獲得經(jīng)濟(jì)合理剝采比與采區(qū)寬度的關(guān)系。露天礦剝離成本由剝離物的流量流向決定，即與剝離物運距有關(guān)。而內(nèi)排剝離運距與采區(qū)寬度之間存在關(guān)系。因此，可以通過剝離運距與采區(qū)寬度的關(guān)系來間接確定經(jīng)濟(jì)合理剝采比與采區(qū)寬度的關(guān)系。

對于傾斜煤層露天礦，橫采采區(qū)寬度與剝離運距成正比關(guān)系。同時，剝離運距越大，剝離成本越高，經(jīng)濟(jì)合理剝采比越小，即采區(qū)寬度越大，經(jīng)濟(jì)合理剝采比越小。為此，建立采區(qū)寬度與剝離運距關(guān)系模型，傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排剝離運距如圖2所示。

根據(jù)已建立的橫采內(nèi)排模型，結(jié)合剝離運距示意，分析其幾何關(guān)系，可知：

(6)

(7)

(8)

內(nèi)排土場重心與采場工作幫的重心高差為Δh，由幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出Δh，即

(9)

式中：Δh為內(nèi)排土場重心與采場工作幫的重心高差，m。

剝離物內(nèi)排運距如圖3所示，采取雙翼內(nèi)排。剝離物內(nèi)排平均運距l(xiāng)為

圖3 橫采內(nèi)排剝離運距示意

(10)

式中：K為系數(shù)，當(dāng)單翼內(nèi)排時，K=2；當(dāng)雙翼內(nèi)排時，K=4。

由以上關(guān)系可以推導(dǎo)出剝離內(nèi)排運距l(xiāng)為

(11)

全部內(nèi)排時期的剝離成本即內(nèi)排成本，與剝離物內(nèi)排運距有關(guān)，這里引入系數(shù)σ，剝離成本可以表示為

b=σl

(12)

為方便說明，引入函數(shù)f(B)為

(13)

根據(jù)已確定的函數(shù)g(B)、f(B)，見式(4)、式(13),繪制函數(shù)g(B)、f(B)曲線，如圖4所示。以平均剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比為原則，可以確定2個函數(shù)曲線相交，左側(cè)陰影部分為在經(jīng)濟(jì)合理條件下的橫采采區(qū)寬度范圍，以此可以確定經(jīng)濟(jì)合理條件下的最大采區(qū)寬度。

圖4 采區(qū)寬度與平均剝采比、經(jīng)濟(jì)合理剝采比關(guān)系

3 技術(shù)可行的傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度確定

為保證露天礦采用橫采方式開采能夠滿足露天礦的產(chǎn)能需求，對傾斜煤層露天礦橫采生產(chǎn)能力進(jìn)行分析。根據(jù)建立的傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型，采煤工作線沿煤層走向推進(jìn)，生產(chǎn)能力主要取決于年推進(jìn)度和露煤高度，傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型斷面如圖1所示。

傾斜煤層露天礦橫采生產(chǎn)能力Ap計算公式為

(14)

根據(jù)已確定的露天礦年生產(chǎn)能力，得出采區(qū)寬度與年推進(jìn)度的關(guān)系函數(shù)z(B)為

(15)

繪制函數(shù)z(B)曲線如圖5所示。由于開采技術(shù)、開采條件及開采程序的限制，在露天礦生產(chǎn)中存在極限推進(jìn)度，分析曲線可知，小于極限推進(jìn)度vmax對應(yīng)的采區(qū)寬度為技術(shù)可行的橫采采區(qū)寬度，即圖5中陰影部分，進(jìn)一步可以確定出最小的采區(qū)寬度Bmin。

圖5 采區(qū)寬度與推進(jìn)度關(guān)系

4 傾斜煤層露天礦橫采合理采區(qū)寬度的優(yōu)化

上述分析從經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的角度，分別確定了傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度與平均剝采比、經(jīng)濟(jì)合理剝采比、推進(jìn)度的函數(shù)關(guān)系。通過分析函數(shù)關(guān)系，可以確定合理的橫采采區(qū)寬度范圍如圖6所示。合理的采區(qū)寬度應(yīng)在滿足技術(shù)可行條件下使經(jīng)濟(jì)效益最大，即理想狀態(tài)下合理的采區(qū)寬度為Bmin。

圖6 合理采區(qū)寬度確定優(yōu)化模型

露天礦實際生產(chǎn)過程中，受到開采工藝、開采程序、設(shè)備數(shù)量、設(shè)備生產(chǎn)效率等因素的影響，推進(jìn)度會小于理想情況下的極限推進(jìn)度。因此，合理的采區(qū)寬度將會大于上述得到的Bmin，即合理的采區(qū)寬度應(yīng)根據(jù)露天礦實際情況，綜合各影響因素之后，介于Bmin與Bmax。

5 實例分析

準(zhǔn)東露天煤礦位于準(zhǔn)東煤田西部礦區(qū)的東部，該礦田儲量豐富、資源可靠，地層為-單斜構(gòu)造，沿走向和傾向產(chǎn)狀變化不大，無斷層破壞。主采煤層為單一巨厚煤層Bm煤層，平均可采厚度69.43 m。煤層傾角4°～31°，淺部陡、深部緩，開采條件優(yōu)越，適宜大規(guī)模露天礦開發(fā)。剝離為單斗-汽車開采工藝，采煤為單斗-汽車-坑內(nèi)半固定破碎機(jī)-井巷輸煤的半連續(xù)開采工藝,采場主要參數(shù)如下：

煤層厚度/m70煤層傾角/(°)13端幫幫坡角/(°)38工作幫坡角/(°)11內(nèi)排土場幫坡角/(°)15原煤密度/(t·m-3)1.29采出率/%97內(nèi)排最小追蹤距離/m50

根據(jù)準(zhǔn)東露天煤礦的實際情況，計算出準(zhǔn)東露天煤礦橫采采區(qū)寬度B與平均剝采比np、經(jīng)濟(jì)合理剝采比nj關(guān)系見表1及圖7。

表1 采區(qū)寬度與平均剝采比、經(jīng)濟(jì)合理剝采比關(guān)系

圖7 采區(qū)寬度與平均剝采比、經(jīng)濟(jì)合理剝采比關(guān)系

準(zhǔn)東露天煤礦設(shè)計產(chǎn)能為20 Mt/a，由已確定的傾斜煤層露天礦采區(qū)寬度與推進(jìn)度之間關(guān)系式(15)，代入準(zhǔn)東露天煤礦采場數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2及圖8。

表2 采區(qū)寬度與推進(jìn)度關(guān)系

圖8 生產(chǎn)能力為20 Mt/a時采區(qū)寬度與年推進(jìn)度關(guān)系

依據(jù)煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范，單斗-卡車工藝露天礦年推進(jìn)度不宜超過400 m。由圖8可知，要達(dá)到年生產(chǎn)能力20 Mt/a，采區(qū)寬度必須大于900 m。采區(qū)寬度小于900 m時，不能保證年推進(jìn)度小于400 m。

由上述分析可知，在經(jīng)濟(jì)方面采區(qū)寬度同平均剝采比呈正比關(guān)系，同經(jīng)濟(jì)合理剝采比成反比關(guān)系。兩條曲線相交于橫坐標(biāo)1.1 km處，即滿足經(jīng)濟(jì)合理的最大采區(qū)寬度。在技術(shù)方面，900 m為滿足規(guī)定生產(chǎn)能力的技術(shù)可行的最小采區(qū)寬度?？紤]到露天礦開采工藝、開采程序及設(shè)備效率等因素。最終確定準(zhǔn)東露天煤礦橫采內(nèi)排采區(qū)寬度為1 km，如圖9所示。

圖9 采區(qū)寬度綜合確定

6 結(jié) 論

1)通過分析傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排工作線布置及發(fā)展方式，建立了傾斜煤層露天礦橫采內(nèi)排模型。

2)在綜合分析經(jīng)濟(jì)合理剝采比與平均剝采比的情況下，對傾斜煤層露天礦橫采采區(qū)寬度進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合生產(chǎn)能力，合理確定采區(qū)寬度，使得露天礦在技術(shù)可行的前提下，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3)以準(zhǔn)東露天煤礦為實例進(jìn)行研究，經(jīng)優(yōu)化后的采區(qū)寬度為1.0 km，平均剝采比為1.89 m3/t，經(jīng)濟(jì)合理剝采比為2.11 m3/t，保證了生產(chǎn)能力、提高了經(jīng)濟(jì)效益。