采空区及伴生矿物影响下急倾斜煤层经济合理剥采比修正

杨晓伟，罗 强，刘晨东，涂宇航，武 璟，马 力

（1.国家能源集团神华宝日希勒能源有限公司宝日希勒露天煤矿，内蒙古海拉尔 021000；2.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054）

经济合理剥采比是露天开采境界确定的重要技术，且以境界剥采比不大于经济合理剥采比这一原则为依据[1-2]。经济合理剥采比代表的含义是在露天开采范围内所限定的最大剥采比，即如果露天开采剥采比大于经济合理剥采比则经济性降低[3-4]。当前露天煤矿经济合理剥采比常用的确定方法包括比较法（与地采成本比较）和价格法（与矿石售价比较）[5-6]，而针对特殊赋存条件及受其他因素影响的矿区，伴随有其他相关成本投入和额外收益，需综合考虑露天开采范围内其他成本和收益对经济合理剥采比进行修正，以适应特殊赋存条件下露天开采境界的圈定[7]。以急倾斜煤层、上部存在井工采空区的特定矿床条件为例，分析经济合理剥采比的修正方法。

1 采空区及伴生矿物对经济合理剥采比的影响

以急倾斜煤层为例，因煤层赋存倾角大、煤层露头浅等特点，浅部煤层广泛被小煤窑开采遗留老采空区。而随着近年开采装备与技术的进步，这类急倾斜煤层尤其适用于采用露天开采方式，因采空区的存在造成矿田范围内地面塌陷并造成煤层与空气的接触，构成了煤层的自燃条件。因老采空区分布，同时造成残留煤柱无法有效回收，严重制约着资源回采率及井田作业安全。老采空区影响煤层自燃是威胁矿井安全及造成环境污染的重要隐患，采用露天开采方式使采空区煤层揭露，不仅能将老采空区周围煤柱回收，同时以露天采空区内排土方式将老采空区填埋，隔绝煤层与空气，可以有效治理老采空区煤层自燃，是含采空区急倾斜煤层采用露天开采的重要决策依据。

此外，煤炭一直作为煤矿的单一资源被开采，高品位的与煤共伴生矿产赋存于许多矿区的煤系地层中，其经济价值远超煤炭。经营理念及部门分割等因素的影响由来已久，这些有价值的共伴生矿产常被遗弃于地下，或者被作为废石排放到地面。这极大的浪费了资源，并且导致大量的土地被占用、环境严重污染。露天开采将煤层上部土岩全部剥离掉使煤层揭露，具有可同步采出煤层顶板伴生矿物资源的优势[8-9]。从露天开采剥采特点及成本投入角度来看，伴生矿物资源的开采成本已计入岩石剥离成本，而实际中伴生矿物的获得可额外增加开采的经济效益。

因此，由采空区治理成本及伴生矿物资源的开采效益也影响这经济合理剥采比的大小，并对开采深度的确定产生不同程度的影响。

2 常规经济合理剥采比确定

露天开采境界确定受众多因素影响，且矿床条件不同，其影响程度不同，应综合考虑自然、技术组织及经济等诸多因素。露天开采境界的不断延伸和扩展，使得采矿量和剥岩量相应增加，故要确定露天开采境界，其实质是控制剥采比的大小，使其不超过经济合理界限值。而这里所指的经济合理界限值就是经济合理剥采比，对于露天矿而言，开采1 t 矿石在经济上所允许的最大剥离量，即保证露天矿在不亏损的前提下，单位矿石可允许分摊的剥离量。对于实际露天开采境界圈定，其原则多是以境界剥采比不大于经济合理剥采比[10-11]。

经济合理剥采比是由市场经济因素影响的露天矿最大剥采比，与露天开采成本及原煤售价、原矿可供选择开采方式成本等技术参数密切相关。经济合理剥采比的传统计算方法主要以露天开采成本与地下开采成本比较法和露天开采成本和矿石售价比较法2 种为主[12]，其中前者是以区分露天开采和地下开采2 种方法开采同一矿床成本最小的经济优势，后者是确定保障露天开采具有盈利为目的的极限剥采比。

1）原矿成本比较法。为使露天开采的原矿成本等于地下开采的成本，在此把原矿作为计算的基础，计算方法为：

式中：nj为经济合理剥采比，m3/t；CD为地下开采单位的矿石成本，元/t；a 为露天开采纯采矿成本，元/t；b 为露天开采单位岩石剥离费用（露天开采的剥离成本），元/m3。

2）精矿成本比较法。此方法的计算基础是选矿或者冶炼后的产品的精矿量，这样就能够使露天开采后的经过选矿和冶炼得到的产品的精矿成本等于地下开采的成本，计算方法为：

式中：KL、KD为露天开采、地下开采每吨原矿的精矿产出率，t/t；DL、DD为露天开采、地下开采每吨原矿所分摊的采矿、选矿、冶炼的成本，元/t。

3）储量盈利比较法。本法的基本思想是将单位工业储量的地采盈利作为露采盈利的下限，计算方法如下：

式中：UL、UD为露天开采、地下开采每吨工业储量矿石所获得的盈利，元/t。

4）价格法。价格法基本原则是产品的销售价格要低于露天开采单位的成本，从而增加矿山的效益。原矿价格法是指原矿售价与露天开采单位矿石成本相对比，求出经济合理剥采比，计算方法为：

式中：Pa为每吨矿石的价格，元/t。

3 采空区及伴生矿物对经济合理剥采比的影响

3.1 伴生矿物开采效益

我国煤系地层中与煤共生和伴生的矿产资源丰富、种类较多，其中较普遍的、便于开发利用的主要包括：高岭土、膨润土、石膏、石墨、硫铁矿、油页岩。伴生矿物资源量与露天开采深度密切相关，则相应开采深度获得伴生矿物资源的经济效益为：

式中：Vi为获得第i 中伴生矿物资源量，m3；H 为露天开采深度，m；B 为开采伴生矿物资源获得的额外经济效益，元；bi为第i 种矿产资源的经济效益，元。

3.2 采空区探测及煤自燃防治成本

井工开采过后形成的采空区为原煤提供了与氧气接触条件，首先煤表面通过物理吸附的方式吸附氧分子，氧分子在煤表面被活性基团物理吸附，之后再被化学吸附完成煤氧复合反应。，导致自燃。煤火灾害是矿井的五大灾害之一，造成大量的人员伤亡和设备损坏，同时也产生大量的有毒有害气体、污染环境，并导致大量不可再生资源的浪费。对与煤层中存在采空区影响的矿床而言，在露天开采过程中需采用相关方法进行采空区探测和治理，以避免采空区火灾及塌陷引起的设备作业安全。

其中采空区探测成本与探测方法与探测区域大小有关，采空区煤自燃防治成本与采空区空间尺寸密切相关，则采空区探测及煤自然防治成本Cr为：

式中：ct为单位探测成本，元/m2；A 为探测区域面积，m2；cz为采空区煤自燃单位治理成本，元/m3；Vj为已探测的获得第j 个采空区体积，m3。

3.3 改进经济合理剥采比

由于伴生矿物资源量及境界内采空区数量、尺寸具有不确定性，与境界大小密切相关。因此，由伴生矿物开采效益和采空区探测及煤自燃防治成本影响的单位原煤对应成本由境界因素影响。而通常情况下，露天开采合理境界的确定以境界剥采比不大于经济合理剥采比为原则，代表每增加单位采深所采出矿量都是经济上有利可图的，以成本比较法为例，可表示为：

式中：△P 为开采境界延深单位深度后增加的矿石量；△V 为露天开采境界延深单位深度后所增加的岩石量；η 为原矿采出率；CD为地下采矿成本。

伴生矿物开采经济效益和采空区探测及煤自然防治成本发生在露天开采境界内，换算成对应的原矿单位经济效益和成本，则综合考虑境界内伴生矿物资源量和采空区尺寸影响的边界层成本关系为：

式中：P 为露天开采深度为H 时所对应的采出矿量。

式（8）变换后得修正后的经济合理剥采比n′j1：n′，显见修正后的经济合理剥采比由原经济合理剥采比和考虑伴生矿物和采空区影响因子n′之和构成，其大小与境界内伴生矿物资源量、采空区探测面积和采空区尺寸、境界内原矿量有关。

同理，以精矿成本比较法、储量盈利比较法及价格法确定的修正后经济合理剥采比可以表示为：

4 算例分析

某急倾斜煤层倾角45°、煤层厚度20 m，矿田走向长度4 km，拟采用露天开采，原煤采出系数98%，顶帮边坡角40 °。附近可供参考井工矿开采成本192 元/t，估计露天开采纯采矿成本为12 元/t，剥离成本18 元/m3。根据地质勘探报告，矿田内含有丰富的黏土矿物，可作为伴生矿物资源开采，具有客观的经济效益。另一方面，该矿床由于历史原因，上部存在零星开采采空区并引起煤层自燃，造成环境污染且是影响矿山安全开采的重要隐患。需采取必要措施进行采空区探测及火区治理，以保证露天开采正常安全生产。按照传统经济合理剥采比的成本比较法计算，有：nj1=10 m3/t。

假定勘探采空区面积400 m2，单位勘探费用48元/m3，采空区总体积1 600 m3，单位采空区煤火防治成本40 元/m3；矿田范围内伴生矿物采出量是开采深度的函数为50 Ht，伴生矿物单位售价60 元/t。按照成本比较法的修正经济合理剥采比为：

显然，根据式（11）可知经济合理剥采比随开采深度增加而增大，当H→∞时，n′j1=10 m3/t。修正后的经济合理剥采比较传统经济合理剥采比较大。

另外，依据境界圈定原则确定断面合理开采深度是经济合理剥采比确定的目的。而式（11）中存在开采深度变量。因而，从修正经济合理剥采比的应用角度分析，综合考虑境界剥采比nk和修正合理剥采比n′j1的关系有：

剥采比与开采深度关系曲线如图1。

图1 剥采比与开采深度关系曲线

从图1 中可以看出，依据境界剥采比不大于经济合理剥采比原则确定露天开采境界时，如果按照传统经济合理剥采比方法确定的最大开采深度为89 m，而按照修正的修正经济合理剥采比确定的最大开采深度可以达到132 m。修正的经济合理剥采比充分考虑了矿田开采范围内的伴生矿物效益、采空区及煤层自燃影响因素，更能充分说明开采成本与效益关系，所确定的开采深度和境界更具有经济优势。

5 结论

1）矿田范围内伴生矿物资源开采经济效益对经济合理剥采比的影响较大，在露天矿开采设计之初应充分根据地质勘探报告有效评估伴生矿物开采收益，并作为露天开采境界确定的重要因素予以考虑其中。

2）露天矿田内存在的井工采空区为煤层自燃提供了充分条件，是影响矿山正常安全开采和环境污染的重要隐患，为采空区探测及火区治理所发生的相关费用应一并计入到露天开采成本中，并作为影响经济合理剥采比要素。

3）修正的经济合理剥采比能够更充分反映露天矿田特征，依据修正经济合理剥采比所确定的露天开采深度能够满足最佳开采经济效益。