相邻露天矿边帮压煤协调开采技术

白润才,刘 闯,薛应东,刘光伟,曹 博

(1．辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;2．国电蒙东能源控股有限责任公司,内蒙古锡林浩特 026000)

相邻露天矿边帮压煤协调开采技术

白润才1,刘 闯1,薛应东2,刘光伟1,曹 博1

(1．辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新 123000;2．国电蒙东能源控股有限责任公司,内蒙古锡林浩特 026000)

为了解决相邻露天矿独立开采时存在的边帮压煤与边坡安全问题,通过理论计算与分析,提出相邻露天矿边帮压煤协调开采技术。分析实施该技术的条件与基础,给出边帮压煤剥采比的概念及计算方法;研究相邻露天矿采剥工程位置的协调衔接,排土空间的合理分配与利用,开拓运输系统的优化布置等关键技术内容。在国电蒙东公司旗下的2个露天煤矿进行了实践,结果表明：此技术能够使相邻露天矿边帮压煤得到安全、经济地回采,有效提高煤炭资源采出率,实现经济效益最大化。

露天矿;协调开采;边帮压煤;排土场;运输系统

煤炭是不可再生资源,露天煤矿边帮压煤的开采问题,多年来一直是世界各国关注的焦点。国内外关于露天矿边帮压煤回采技术的研究与应用从未间断过,其中比较成熟的技术有露天-井工联合开采技术与端帮采煤机开采技术[1-7]。上述两种露天矿边帮压煤开采技术都以单一露天矿为研究对象,改造了原有的露天开采工艺,工艺系统复杂度高,边帮压煤采出率低,存在边坡安全隐患。而对于同一煤田中的相邻露天矿,通过联合协调开采,消除相邻边帮,安全、高效地回采边帮压煤,目前国内外还没有成熟的理论和技术[8]。我国大多数近水平露天煤田都存在2个相邻露天矿边帮压煤问题,如内蒙古的白音华煤田、胜利煤田、准格尔煤田、东胜煤田,山西的平朔煤田等,因此,开展相邻露天矿边帮压煤协调开采技术研究对于实现煤炭资源的科学开采有着十分重要的意义[9-10]。

相邻露天矿边帮压煤的协调开采,是指通过联合协调布置相邻两露天矿剥、采、排工程位置,优化布置开拓运输系统,消除相邻边帮,同步开采边帮压煤,实现相邻边帮下压煤经济、高效、安全回采的技术。实施相邻露天矿边帮压煤协调开采,应该具备以下条件：①相邻露天矿矿山工程在时间、空间上具备实施协调开采的可能性,这是实现边帮压煤协调开采的必要条件。②实施边帮压煤协调开采必须要取得经济效益,即分析其经济是否合理是决定相邻边帮压煤协调开采的基础。

1 相邻露天矿边帮压煤剥采比

由于露天矿稳定帮坡角的存在,露天矿地表境界与深部境界并不一致。而国土资源部门在划分采矿权界时,没有考虑稳定帮坡角,地表境界与深部境界在平面上是一致的。这一开采条区划分方式,必然造成相邻露天矿采场之间边帮压煤,形成边帮压煤区。边帮压煤区是指2个相邻露天矿以矿权界确定的地表境界为基准,按照稳定帮坡角确定深部境界形成的相邻边帮与最下煤层底板所构成的区域。

相邻露天矿边帮压煤剥采比是指相邻露天矿边帮压煤区的剥离物体积与原煤质量之比。可见,相邻露天矿边帮压煤剥采比越小,回采边帮压煤的经济效益越好。

确定相邻露天矿边帮压煤剥采比,必须确定边帮压煤区范围内剥离物体积与原煤体积,即相邻露天矿边帮压煤剥采比为

式中,n为相邻露天矿边帮压煤剥采比,m3/t;ρ为原煤密度,t/m3;Vt为剥离物体积,m3;Vc为原煤体积,m3。

(1)单一煤层。

假设相邻露天矿A和B为单一煤层近水平露天矿,煤层赋存稳定,如图1(a)所示。单一煤层条件下相邻露天矿边帮压煤剥采比为

式中,ns为单一煤层条件下边帮压煤剥采比,m3/t;H为剥离物平均厚度,m;h为煤层平均厚度,m。

图1 相邻露天矿边帮压煤剥采比计算示意Fig．1 Sketch map of stripping ratio calculation of coal underlying the slopes between two adjacent open pits

单一煤层条件下边帮压煤区柱状剥采比为

式中,n1为单一煤层条件下柱状剥采比,m3/t。

由式(3)可知,相邻露天矿边帮压煤剥采比不到该区域柱状剥采比的一半,开采相邻露天矿边帮压煤,具有较高的经济效益。

(2)复合煤层。

假设相邻露天矿A和B为复合煤层近水平露天矿,煤层赋存稳定。剥离物平均厚度与煤层平均厚度自上而下分别为H1,h1,H2,h2,…,Hk,hk,相邻边帮稳定帮坡角分别为α,β,如图1(b)所示。则复合煤层条件下相邻露天矿边帮压煤剥采比为

式中,nm为复合煤层条件下相邻露天矿边帮压煤剥采比,m3/t;Sy为所有岩层断面面积之和;Sm为所有煤层断面面积之和。

设煤层为k层,从地表向下各煤岩界面所形成的三角形断面面积分别为

2 相邻露天矿边帮压煤协调开采关键技术

同一煤田中的相邻露天矿从独立开采状态过渡到两矿协调开采边帮压煤状态,存在如下关键技术问题：①采剥工程位置的协调衔接;②排土空间的合理分配与利用;③开拓运输系统的优化布置。上述问题的解决,应以相邻露天矿实施边帮压煤协调开采产生的综合技术经济效益为标准。

2.1 采剥工程位置的协调衔接

虽然同一煤田中相邻露天矿的地质条件相近,但受多种因素综合影响,相邻露天矿确定的开采程序并不一定能够满足实施边帮压煤协调开采对采剥工程位置的需求,因此,需要对相邻露天矿开采程序进行调整。

(1)采区划分及开采顺序调整。

相邻露天矿实施边帮压煤协调开采的前提条件是贯通两矿采场,消除相邻端帮。因此,协调开采边帮压煤时相邻露天矿作业采区应平行布置在重合矿权界的两侧。对于在时空关系上不具备协调开采条件的,通过调整相邻露天矿双方或一方的采区划分与开采顺序,实现作业采区的协调布置。相邻露天矿采区划分及开采顺序调整与否,取决于对相邻露天矿在独立开采与协调开采条件下综合技术经济效益的分析比较,只有在综合技术经济效益有利时,才选择调整相邻露天矿采区划分及开采顺序。

(2)采剥工程位置的协调布置与推进。

在相邻露天矿采区划分方案具备协调开采条件的情况下开采边帮压煤,存在如下问题：①由于相邻露天矿开采边帮压煤在时间上往往存在先后差异,超前开采一方进入滞后开采一方的矿权范围,承担大量的越界剥离量;②超前开采一方完成边帮压煤回采以后,必然压帮内排,将给滞后开采一方造成大量的重复剥离量。因此,相邻露天矿以超前—滞后关系开采边帮压煤,在经济上是极不合理的。为了避免越界剥离量与重复剥离量的产生,以较低的成本回采边帮压煤,需要协调相邻露天矿采剥工程位置的推进。具体措施为：平行布置两矿采场工作线,调整工作线推进方向,实现同向推进,使两矿采剥工程从超前与滞后的关系逐步过渡到同步推进。

相邻露天矿贯通两矿采场,实现工作帮同步推进,即完成了由两矿独立开采到边帮压煤协调开采的过渡,边帮压煤以较低成本随工作帮推进顺利回采,如图2所示。

图2 相邻露天矿由独立开采过渡到协调开采Fig．2 Two adjacent open pits transit from independence mining state to coordination mining state

2.2 排土空间的合理分配与利用

露天矿排土工作是露天矿整个生产工艺过程中的一个重要环节。受露天矿生产成本、土地使用等影响,排土空间紧张是大部分露天矿山所共同面临的问题。相邻露天矿回采边帮压煤的同时,也增加了露天矿的排弃量,使得相邻露天矿从独立开采状态向协调开采状态过渡期间的排土空间更加紧张。此时对有限排土空间的整合、合理分配与利用,显得尤为重要。

(1)贯通两矿排土场,增加排土空间。相邻两露天矿在独立开采的前提下,由于相邻边帮的存在,以及两矿剥、采、排工程发展的时空关系不协调一致,各生产系统相互干扰,有限的排土空间很难得到充分利用。贯通两矿采场,消除两矿相邻边帮,为排土场的贯通创造了条件。排土场贯通,可最大限度地释放排土空间,实施协调排土,使排土空间得到充分利用,减少外排征地,缩短运距,降低生产成本。

(2)优化排土场几何形态,充分利用排土空间。由几何学知,排土场的几何形态决定排土场容量大小,露天矿内排土场是利用采剥工程结束后留下的采空区作为排土空间形成的[11-12],而露天矿生产能力在一段时期内保持相对稳定,所以实现完全内排以后,采剥工程位置决定了内排土场容量。因此,应当协调布置两矿采剥工作线,在保证排土场稳定的前提下,尽可能使排土工作线呈直线或圆弧形布置,使有限的排土空间得到充分利用。

2.3 开拓运输系统的优化布置

汽车运输内排时,传统的露天矿开拓运输系统通常采用单环内排和双环内排。相邻露天矿协调开采边帮压煤,贯通两矿采场,消除相邻端帮,对两矿开拓运输系统影响重大：①采用双环内排的露天矿,变为单环内排,内排运距增大,露天矿生产成本增加;②采用单环内排的露天矿,运输系统中断。

为了避免上述情况发生,在两矿采场与排土场之间修筑临时排土桥(图2),建立运输联系。临时排土桥按修筑方式分为双桥和单桥,与露天剥离作业方式有关。对于采用全年剥离作业的露天矿,需要建立双桥(排土桥迈步式发展)[13-15];对于采用季节性剥离作业的露天矿,只需建立单桥(在剥离作业期修筑临时排土桥,在非作业期部分拆除排土桥,回采桥下压煤)。排土桥一般修筑在采场中部,排土桥参数通过优化计算确定。

3 工程实例

3.1 工程背景

蒙东能源旗下的西二号露天煤矿和乌兰图嘎露天煤矿(简称西二矿、乌矿)是胜利煤田的2个相邻露天矿,西二矿与乌矿生产系统相对独立,自成体系,如图3所示。

图3 西二矿与乌矿独立开采境界及边帮压煤区Fig．3 Independence mining limits and coal area pinned underlying the slopes of West 2 and Wulantuga Open Pits

西二矿西临乌矿,主采煤层为6号煤层。生产能力为10．0 Mt/a。服务年限为35．3 a。开采工艺为：剥离采用单斗铲采装—自卸式卡车运输的间断工艺。采煤采用单斗铲采装—自卸式卡车—地面半固定破碎站—胶带运输的半连续工艺。开采方法为分区开采,采区南北划分,首采区位于剥采比较小的南部,沿煤层露头拉沟,工作线由西向东推进,如图4(a)所示。

图4 西二矿采区划分方案Fig．4 Projects of mining district partition of West 2 Open Pit

乌矿主采煤层为6-1号煤层(与西二矿6号煤层实为同一煤层),生产能力为1．2 Mt/a(实际生产能力5．0 Mt/a),服务年限42．7 a。开采工艺与西二矿相同,首采区位于境界东部(图3(a)),在其南部沿煤层露头拉沟,工作线由南向北推进。

3.2 边帮压煤量及边帮压煤剥采比计算

西二矿与乌矿相邻边帮压煤区剥离物平均厚度132 m,煤层平均厚度23 m,煤层密度1．26 t/m3,边帮压煤区平均宽度620 m,长约2．62 km。按式(2),(3)分别计算边帮压煤区柱状剥采比n1与边帮压煤剥采比ns。

可见,西二矿与乌矿相邻边帮压煤量大,边帮压煤剥采比小,开采边帮压煤经济效益显著。

3.3 西二矿与乌矿协调开采实施方案及效果分析

在西二矿与乌矿的独立开采设计中,乌矿首采区位于矿权界西侧,工作线由南向北推进;西二矿划分为3个采区,首采区位于剥采比较小的矿田南部,工作线由西向东推进,如图4(a)所示。从两矿独立开采的角度看,该采区划分方案是合理的。但该方案的缺点也是明显的,即两矿47．07 Mt边帮压煤无法顺利回采。为了给两矿实施边帮压煤协调开采创造条件,提出了西二矿西部首采区方案,该方案将西二矿划分为东西2个采区,首采区位于矿田西部,工作线东西向布置,由南向北推进,如图4(b)所示。

通过理论分析与计算,对西二矿独立开采南部首采区方案和协调开采西部首采区方案的生产剥采比、煤质、外排运距等12个方面进行综合技术经济分析与比较(表1),可以看出,在两矿实施边帮压煤协调开采条件下,西部首采区方案比南部首采区方案具有更高的综合经济益。同时,乌矿与西二矿实施边帮压煤协调开采,实现双赢。因此,确定西二矿选择西部首采区方案。

表1 西部首采区方案与南部首采区方案对比Table 1 Comparison of projects of west and south first mining area

调整西二矿采区划分方案以后,乌矿采剥工程位置在推进方向上超前于西二矿,不能同步推进。为此,协调两矿采剥工程位置及工程量,加快西二矿推进,贯通两矿采场,使两矿采剥工程逐步过渡到同步向北推进。经过模拟开采计算,两矿采剥工程同步推进,可顺利回采47．07 Mt边帮压煤,延长两矿服务年限4 a,既避免了乌矿独立开采边帮压煤承担68．44× 106m3越界剥离量,又避免了给西二矿独立开采边帮压煤造成1．2×108m3重复剥离量,经济效益显著。

在西二矿与乌矿采场贯通基础上,贯通两矿排土场(图5),增加排土场容量;协调两矿排土工程位置,合理利用排土空间。经测算,两矿实施边帮压煤协调开采,避免了两矿独立开采时增加外排量44．25× 106m3(折合征地面积0．4 km2)。

图5 两矿采场贯通后剥、采、排工程位置关系Fig．5 Relationships of stripping,mining and dumping position after unifying stopes

为恢复两矿由于消除相邻边帮而中断的内排运输通路,乌矿沿Fx1断层修筑临时排土桥,西二矿临时排土桥修筑在采场中部(图6)。两矿均采用季节性剥离作业,故排土桥均为单桥,排土桥的修筑与拆除交替进行。修筑临时排土桥,两矿内排运距大大缩短。

图6 剥离工程作业前修筑临时排土桥Fig．6 Build temporary bridges before stripping working

4 结 论

(1)相邻露天煤矿实施边帮压煤协调开采在技术上是可行的。

(2)相邻露天矿实施边帮压煤协调开采,可最大限度地回采边帮压煤,提高资源回收率,延长露天矿服务年限,消除边坡安全隐患,减少外排征地,降低环境破坏,具有较高的经济、社会和环境效益。

(3)实例研究证明了上述论断,西二矿与乌矿回采边帮压煤47．07 Mt,剥采比仅为2．05 m3/t,延长两矿服务年限4 a,减少外排占地0．4 km2。

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Coordination mining technology for coal underlying the slopes between two adjacent open pits

BAI Run-cai1,LIU Chuang1,XUE Ying-dong2,LIU Guang-wei1,CAO Bo1

(1.College of Mining Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Guodian Mengdong Energy Holdings Co.,Ltd.,Xilinhot 026000,China)

To solve the problems associated with extracting coal underlying the slope between two adjacent open pits and its safety,authors proposed a coordination mining technology to extract the coal underlying the slope between two adjacent open pits by using theoretical calculation and analysis．Authors analyzed the implementation conditions and the bases of the technology,provided a conception and calculation method of stripping ratio of coal underlying the slope,and investigated key techniques such as smooth connecting of mining and stripping engineering positions,reasonable utilization and distribution of dumping space,optimal location of in-pit haulage system development．The technology was applied in two coal open pits of Guodian Mengdong Energy Holdings Co．,Ltd．The results show that the technology makes coal underlying the slope between two adjacent open pits be mined economically and safely,enhances the recovery rate of coal resources,eventually maximizes the economic benefits of two adjacent open pits．

open pit;coordination mining;coal underlying the slopes;dumping area;transporting system

TD82

A

0253-9993(2014)10-2001-06

2013-09-05 责任编辑：王婉洁

辽宁省教育厅科学研究基金资助项目(L2011051)

白润才(1961—),男,内蒙古察右中旗人,教授,博士生导师。E-mail：bairuncai@126．com。通讯作者：刘 闯(1988—),男,江苏沭阳人,博士研究生。E-mail：lchyn2006@126．com

白润才,刘 闯,薛应东,等．相邻露天矿边帮压煤协调开采技术[J]．煤炭学报,2014,39(10)：2001-2006．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1262

Bai Runcai,Liu Chuang,Xue Yingdong,et al．Coordination mining technology for coal underlying the slopes between two adjacent open pits [J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2001-2006．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1262