再论露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术

赵红泽，郭锦桦，刘元旭，杜海瑞，林泽辰

（1.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院，北京 100083；2.中国矿业大学（北京） 深部岩石力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083）

0 引 言

露天开采由于采出率高、安全性好等优点成为我国近几十年来煤矿开采优先选择的开采模式，在山西、内蒙古等地相继开发了平朔、胜利、准格尔等大型露天矿区［1］。 露天煤田划分为若干独立露天矿开采，是提高资源高效开发的有效途径，但大型露天煤田多露天煤矿同时开发必然面临一系列问题，协调作业、协同规划是解决资源配置有效手段。 将同一露天矿区矿权位置上相邻、开采时间同步的多个露天矿称之为露天矿群［2］。

针对露天矿群背景下，相邻露天矿间所遇到的边帮压煤严重、排土空间不足等问题，近些年来，文献［3-4］提出了“露天矿协调开采技术”、从理论层面上证明了相邻露天矿压帮煤协调开采的可行性；刘闯等［5-6］基于“露天矿协调开采技术”提出了“相邻露天矿开采程序优化方法”；曹春杰［7］提出了“露天矿群开采空间共享和时间协调”的概念并运用鄂尔多斯地区；赵博深［2］提出了“露天矿群开发及设计理论”、对相邻两矿开采程序进行了具体研究；常治国等［8］针对采剥工程不同步的相邻露天矿，提出超前露天矿采用留沟内排，在留沟处搭建临时排土桥连通端帮与内排土场开拓运输道路，以减少内排运距；吴多晋等［9］提出了“横采内排-尾随压脚”方案。 上述这些研究只针对露天矿群开采所涉及的采煤和排弃环节提出了解决思路和方法。 在露天矿土地复垦方面，胡振琪等［10-13］提出了“边采边复”，注重露天矿复垦的时效性，一边开采一边开展复垦工作，为露天矿开采和复垦协同作业提供了新思路；杨海春等［14］重点研究了“表土剥离与复垦一体化”；栗嘉彬［15］提出了“露天矿采排复一体化技术效果评价”。 但就目前来看，露天矿群在实施协调开采后，复垦模式仍然是传统的单一露天矿山复垦。

因此，开展协同露天矿群采剥环节及复垦工程相互关系的研究对实现露天矿群矿产资源［16］高效高采出率开采和资源协同效应，以及地质环境的科学保护恢复［17］都具有重要指导意义和应用价值。

1 技术理念、架构及评价指标

1.1 技术理念

矿群协调开采理论是化解露天矿群生产环节间的矛盾，优化资源配置而提出的一种技术手段，笔者于2017 年发表名为《露天矿群协调开采模式研究》一文中，提出了露天矿群协调开采［18］是指根据相邻或相近露天矿的开采工艺、开采程序、排土系统、基建系统、管理模式等特点，充分考虑相邻矿山的相关性和关联性，从露天矿群的角度实现资源开发的整体效益和生产系统的优化协调。 而目前所流行的采排复一体化技术更多是协调单一露天矿生产环节与复垦的关系，没有从露天矿群的角度去系统研究。所以笔者基于已有研究，充分考虑露天矿群的特点，提出露天矿群采排复一体化协同采矿技术。

露天矿群采排复一体化协同采矿技术，其技术理念正是突破传统模式，强调露天矿群开采工艺与复垦工艺间具有的协调、合作、同步的协同属性以及产生的协同效果［18］，将露天矿群的开采和复垦融为一体，考虑露天矿群剥、采、排等环节与复垦工程的时-空关系，建立时间、空间和层次上的有序结构，统一规划，平行作业，形成“同一个煤田或矿区内位置相邻、开采时间同步的多个露天矿协同开采、协调复垦”的工艺系统。

1.2 技术架构

按照工程具体实施的先后顺序，将露天矿群采排复一体化协同采矿技术划分为3 个时期，即前期、中期和后期。 每个时期研究任务不同，对应的工作需求也不同。

前期的工作重点就是准确掌握露天矿群的各种基本信息和属性。 露天矿群各矿山的地质资料、开采工艺、设备型号、边坡角度、开采参数、开采程序、开拓运输系统、总平面布置等信息是实施协同采矿技术的现实基础。 利用收集到的资料可借助3DMine 等矿山建模软件，准确地建立起露天矿群的三维可视化模型，在此基础上就可以进一步测定矿群的排土空间，压煤区范围，压帮煤储量等数据，为中期、后期的矿群协同采矿和协调复垦提供有利条件。

中期工作要针对以解决露天矿群中普遍存在的压帮煤开采、排土空间不足及相邻边帮维护困难等问题，通过开采程序优化等手段为露天矿群寻找一种安全、高效、经济、合理的协调开采方案。 并对相邻露天矿在独立开采和协调开采模式下的综合经济效益进行分析，确保矿山在生产和效益实现系统最优。

图1 矿群采排复一体化技术流程Fig.1 Technical roadmap for integration of open-pit group mining-dumping-reclaiming

针对不同的露天矿群协调开采方案，后期工作要重点对矿群采-排-复环节互相作用关系进行模拟分析，针对采-排-复环节协同作业的特点，统一规划剥、采、排环节和复垦工程，得出最优的时-空协调次序，建立露天矿群采排复一体化时空模型，并根据现场的实际情况制定对应的矿群采排复一体化技术。

1.3 评价指标

露天开采最大的缺点就是占用和破坏土地资源，而在矿群开采模式下，矿区范围内内势必会形成多个采坑、排土场，且在开采过程中，采坑位置不断改变，排土场面积不断增大，土地资源破坏较露天独立开发模式更严重。 根据国家政策要求：“在矿产资源开发全过程，要确保矿山的存在、发展直至终结，始终与周边环境相协调”，为控制矿群开采对土地的破坏，保持矿群与周围环境相协调，必须对露天矿群土地利用现状进行动态展示。 综合考虑露天矿群土地利用种类、面积、占用时间等因素，选取矿群现状土地利用率作为评价指标。 矿群现状土地利用率表示矿群在某一时间段内某种土地利用现状的情况，计算公式如下：

式中，Pn为矿群在某一时间段内某一类土地面积占矿群总面积的比率，称为矿群现状土地利用率；Sn为矿群土地在某一时间段内某一类土地面积，m2；S为矿群土地总面积，m2。

通过分析露天矿群开采不同时间段某一类土地现状利用率，可以直观地了解到矿群内部某一类土地受扰动情况，也便于以矿群土地开采扰动最小为目标，确定破坏土地的恢复方向并及时修复，达到矿群生态环境损伤最小化，确保采矿活动朝着绿色、环保的方向发展。 表1 是卡布其矿群不同年份的现状土地利用率。

表1 不同年份现状土地利用率Table 1 Ratio of land use status in different years

由表1 中可以清晰地看出随着资源开发，十年间卡布其矿群自然地貌的变化：矿群内林地完全消失，草地占比大量减少，采矿用地大量增加。 究其原因，卡布其露天矿群是典型的末端治理，在矿群开采完毕之后才进行复垦作业，开采作业和复垦工程是间断、孤立的。 而在运用露天矿群采排复一体化技术后，露天矿群开采和复垦工程是动态、连续的，通过科学合理地安排矿群开采工艺与复垦工程，在保证正常采矿作业的前提下，实现开采破坏和土地恢复同步，保持矿群与周边环境相协调，达到资源开发与环境保护双赢［20］。

2 面临问题及解决策略

露天矿群采排复一体化技术的实质是矿群在协调压帮煤开采、解决排土空间紧张问题的同时“边采、边排、边复垦”。 它在实施过程中受矿群生产各环节［21］的影响较大，其实施的关键在于解决“如何开采”“如何排土”“如何复垦”及“如何协同作业”4个问题，如图2 所示。

图2 露天矿群采排复关系Fig.2 Relationship diagram of open-pit mine group mining-dumping-reclaiming

2.1 矿群开采

露天矿群各矿虽然在地质条件方面相似，但受多露天矿独立开发模式的影响，容易造成制约生产正常进行、降低开发效益和设备效率等不利情况。所以要对在时空关系上不具备协调开采条件的露天矿群进行开采程序优化研究，打破传统的矿与矿归属界限。 分析研究相邻露天矿的开采条件、生产现状、生产布局及空间关系的基础上，以提高煤炭资源采出率、减少煤炭损失、缩短运距、降低生产成本等为目标，采取消除两矿相邻端帮，回收相邻帮压煤，贯通采场等手段实施联合协同开采，使矿群内露天矿整体经济效益最大化。

2.2 矿群排土

排土空间紧张是露天矿山普遍存在的问题，严重影响着露天矿山的生产成本及土地利用。 可以从露天矿群的角度综合考虑各个露天矿的排土问题，矿群内各矿排土场统一规划，当矿群中的某个露天矿由于特殊地质条件等客观因素导致排弃空间不足或二次剥离时，考虑制定排土场共享方案，充分利用矿群范围内的空间资源，借助相邻矿山无煤区、不采区或内排土场进行排土，如存在排土运距变长等问题，可以根据矿群具体开采条件进行优化，运用贯通采场、排土场及搭设中间桥［22］等手段缩短运距，降低露天矿群总体排土成本。

2.3 矿群复垦

矿群复垦不同于以往的单一露天矿复垦，矿群复垦通常涉及几个露天矿间开采、排土及复垦工程的交叉作业，且矿群复垦工程在实施时需要大量资金投入，容易因复垦区责任主体不明确导致利益纠葛，此外，由于矿群各排土场排土参数不一致容易影响复垦作业的连贯性。 面对这些问题，就需要对矿群复垦环节进行深入研究，站在矿群角度总体规划，以矿群生态环节效益最优为目标，建立矿群复垦模型，统一矿群排土场参数，明确复垦区范围，详细制定露天矿群复垦与经费预算方案，并使露天矿群每个露天矿均能享受到最优的复垦效果。

2.4 协同作业

露天矿群是一个由多个露天矿构成的大系统，露天矿群采排复一体化建立在每个环节高度专业化分工和有序组织的基础上。 露天矿群的各个环节彼此联系又制约，各生产环节和工序相互不协调、不合理的矛盾会严重影响露天矿群正常生产，必须找出矿群开采、排土及复垦的关键协同要素［23］，强调整体性协同，优化各环节的进度关系，以期达到安全、经济、高效的协同作业目标。

例如在采排复一体化技术实施过程中，剥离表土与复垦需土之间存在的供需平衡关系会极大地影响煤矿复垦进度，理想状态是年复垦所需表土量等于年表土剥离量；当年复垦所需表土量大于年表土剥离量时，露天矿需要根据现状适当超前剥离或外购复垦土壤；当年复垦所需表土量小于年表土剥离量时，露天矿又需要专门设置表土存放场储存暂时多余的表土；而在矿群角度实施采排复一体化技术就可以优化解决这一问题；一般情况下，由于地形地貌、开采工艺和剥离进度的不同，露天矿群各矿的年剥离表土与复垦需土之间不是理想状态，或多或少存在短缺或富裕，所以有必要建立矿群“剥离表土-复垦需土”调度机制。 在矿群表土调度的同时，由于各矿表土存放场位置的影响，存在表土运距过长问题，在具体进行复垦作业时，可以利用线性规划，从矿群角度出发，以矿群复垦表土运输功总体最小［2］为出发点进行复垦表土运距优化。

设某阶段矿群共有N1个表土存放场，每个表土存放场分为N2个区域，同时矿群待复垦区有M1个复垦平盘，每个平盘有M2个区段，矿群总体复垦表土运输功为W，则有：

式中，S（H，I，J，K）为第H表土存放场I区段到第J复垦平盘K区段运距；X（H，I，J，K）为第H表土存放场I区段到第J复垦平盘K区段表土运输量；A（J，K）为第J表土存放场K区段的表土量，m3；B（H，J）为第H复垦平盘J区段的需土量，m3。

求出X（H，I，J，K）后，就成功进行了矿群复垦表土运距优化。

3 工程实例

3.1 工程背景

温明卡布其矿、德晟二矿、海美斯高岭土矿三矿是乌海市卡布其矿区3 座相邻露天矿山，3 座矿山平面图如图3 所示。

图3 矿群位置示意Fig.3 Schematic diagram of mine group location

卡布其矿生产能力为1.2 Mt／a。 服务年限为12 a，于2019 年5 月正式投产，现处于剥离阶段，尚未达产，处于外排阶段。 开采工艺为：单斗-卡车间断工艺。 卡布其矿整体为一个采区，首采位置在剥采比较小的境界东北部，工作线由东向西推进。 现采坑面积为0.55 km2，最大采深132 m，台阶参数为台阶高度20 m，宽度40 m，边坡角33°，采坑底部无积水。卡布其矿有1 号、2 号2 个外排土场，均位于矿区西南部，最后排弃标高+1 280 m。

德晟二矿生产能力同样为1.2 Mt／a，剩余服务年限不足2 a，因地质条件与卡布其矿相近，开采工艺、推进方向、台阶参数等均与卡布其矿相同，已全部实现内排，外排土场在矿区正东部，现已复垦完毕。

海美斯矿现为高岭土矿，正在办理煤炭生产许可证，待手续齐全后可恢复生产。

3.2 矿群三维地质建模

运用3DMine 软件将卡布其矿区三座矿山现状图进行三维DTM 化处理，如图4 所示，可以较为直观地看出卡布其矿群采排方面存在的问题：目前卡布其矿的1，2 号外排土场已经接近排满，排土空间比较紧张，即将面临排土空间不足的问题。 卡布其矿与德晟二矿现采场相邻，若两矿沿初步设计继续独立开发，公共边界端帮将沿矿权界形成梯形体，压覆公共边界下部煤炭资源。

图4 三座矿DTM 图Fig.4 DTM diagram of three mines

3.3 矿群协调开采方案

分析协调开采压帮煤是否经济合理是制定矿群协调开采方案的首要条件。 卡布其矿群相邻露天矿卡布其矿和德晟二矿，煤层赋存稳定，具有工业开采价值的煤层7 层，编号分别为9，10，14，15-2，16-1，16-2 及17-3 号煤层。 将上覆岩层平均厚度与煤层平均厚度自上而下分别命名为H1，h1，H2，h2，H3，h3，H4，h4，H5，h5，H6，h6，H7，h7，见表2，相邻边帮稳定帮坡角均为33°，煤层密度1. 26 t ／m3，边帮压煤区长约600 m。

表2 上覆岩层及煤层平均厚度Table 2 Average thickness of coal seam and overburden

卡布其矿与德晟二矿均为多煤层露天矿。 多煤层条件下压帮煤剥采比公式［3］为

式中，Nd为多煤层条件下压帮煤剥采比，m3／t；Vy为开采压帮煤需剥离岩石体积之和，m3；Vm为所有可采煤体积之和，m3。

将数据代入公式得：Nd＝12.28 m3／t。

设压帮煤量为Y，通过3DMine 软件构建边帮压煤区块体模型，模拟计算得：Y＝0.57 Mt。

由两矿设计资料得知，卡布其矿区平均剥采比为21.52 m3／t，对比可见，卡布其矿与德晟二矿开采压帮煤经济合理，相邻边帮压帮煤量大，制定矿群协调开采方案，可获得较高的经济效益。

通过三座矿现状DTM 图，可看出目前在矿权界处卡布其矿开采位置超前于德晟二矿，结合两矿生产能力及年推进速度，若继续按现有开采方案推进，卡布其矿将先于德晟二矿暴露相邻边帮，易造成重复剥离，不利于矿群协调开采。

卡布其矿尚未达产，内排空间不足，利用3DMine 软件分析计算卡布其矿近期（2021—2023年）的内排空间与剥离量，发现内排容量小于阶段剥离量，具体数据见表3。

表3 内排空间与阶段剥离量对比Table 3 Comparison of inner dump space and amount of stage stripping

针对卡布其矿与德晟二矿边帮压煤及卡布其矿排土有空间不足问题，提出以下方案：

1）协调两矿在矿权界处采剥工程进度。 目前卡布其矿与德晟二矿推进方向相同，由东向西推进，卡布其矿采剥工程位置超前于德晟二矿，所以需协调德晟二矿改变生产计划，以达到两矿同步推进的目标，平行布置工作线，让两矿逐步协同暴露相邻帮，为贯通两矿采场提供条件，以便于后期回采压帮煤。 贯通采场后，两矿剥采排工程位置示意，如图5 所示。

图5 两矿工程位置示意Fig.5 Schematic diagram of the two mines engineering location

2）共享排土场。 卡布其矿与德晟二矿消除两矿相邻边帮后，为排土场的贯通创造了条件。 排土场贯通后，卡布其矿可借助德晟二矿与海美斯矿内排土场空间进行外排，以解决卡布其矿目前排土空间不足的问题，待德晟二矿开采完毕，后续可用卡布其矿及海美斯矿剥离物对其进行回填，统一相邻露天矿间的排土参数，形成大面积的排土场。 经过优化后，矿群排土结果见表4。

表4 矿群排土优化结果Table 4 Dumping optimization results in mine group

3.4 矿群采排复一体化方案

卡布其矿群露天矿在解决协调开采问题后，仍缺乏对土地复垦和采排工程的统一规划，目前复垦观念和复垦技术还较落后，没有考虑到复垦的时效性，不符合绿色矿山的要求，经济上也不合理。 所以要制定剥采—排土—复垦一体化方案，建立模型。 卡布其矿区复垦的最终部署如图6所示。

图6 复垦最终部署Fig.6 Final reclamation deployment diagram

结合现场实际，卡布其矿群在实行协调开采后，矿群整体已有内排条件，可以制定分期开采-内排-复垦一体化方案，该方案是将卡布其矿群整体分为3 个区段，以现状条件下可以进行复垦作业的德晟二矿与海美斯矿外排土场为一区段，以德晟二矿与海美斯矿采场、内排土场及卡布其矿现状采坑为二区段，在某一时期内针对某一区段强化开采，在本区段采矿完毕时，才进行下一区段的采矿作业，实现分区剥采，顺序回填。

卡布其分期开采-内排-复垦一体化模型如图7所示，现状条件下，卡布其矿群一区段已经具备复垦条件，可以进行复垦作业。 具体工艺流程为：①对一区段海美斯外排土场和德晟二矿外排土场进行复垦，协调卡布其矿与德晟二矿采剥工程，集中开采第2 区段，将剥离表土存放于表土存放场，并可将其剥离的废岩堆存于德晟二矿与海美斯矿内排土场（图7a）。 ②第3 区段开始剥离作业，随着第2 区段开采结束，进入第3 区段的开采，这时卡布其矿已有内排条件，可将第3 区段的剥离物回填到第2 区段卡布其矿内排土场；第1 区段进行为期3a 的监测和养护工作（图7b）。 ③开采第3 区段，待第2 区段排土场回填到设计标高时，开始利用剥离表土进行覆土、平整、复垦作业（图7c）。 ④第3 区段开采完毕，开始进行复垦，第2 区段进行为期3 a 的养护工作（图7d）。

图7 采-排-复一体化模型Fig.7 Integrated model of mining-dumping-reclaiming

3.5 综合经济效益分析

对比露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术实施方案和三矿独立开采方案，实施协同采矿实施方案后，两矿采剥工程同步推进，可顺利回采0. 57 Mt 压帮煤，压帮煤剥采比为12.28，避免了两矿独立开采压帮煤造成的重复剥离量，也降低了矿群开采的剥采比，按照两矿设计生产能力1.2 Mt／a来计算，可延长两矿生产服务年限0.25 a。 同时消除相邻边帮后，贯通采场，可以共享排土空间，优化排土场形态，减少卡布其矿355.73 万m3外排量，减少外剥离物外排占地约0.04 km2。

在定量指标之外选取6 个定性指标进行经济效益分析与比较，见表5。

表5 经济效益对比Table 5 Comparison of economic benefits

可以看出在矿群协调开采-采排复一体化协同采矿技术实施下，卡布其矿群综合经济效益显著。

4 结论与展望

1）针对目前露天矿群采剥工程与复垦工程严重脱节的问题，在露天矿群开采技术理论的基础上提出露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术，详细阐述其技术理念、技术架构及评价指标，并进行了实施问题和对策分析。

2）采排复一体化协同采矿技术应用设计关键在于矿群范围内统筹与协调相邻露天矿之间剥离、开采、排土、复垦工程，合理安排工序，达到露天矿群煤炭资源开发与生态环境保护综合效益最大化。

3）实例研究证明了卡布其露天矿群在运用了矿群采排复一体化协同采矿技术后，可多采出0.57 Mt压帮煤、降低剥采比、增加大量内排空间、减少外排占地、提高复垦效果、降低复垦成本，缩短复垦周期，取得了显著的综合经济效益。

4）但就目前来看，由于矿权政策的限制，对露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术在矿权不一致的露天矿群应用还存在一些政策方面的限制。根据《矿产资源法》规定，任何单位和个人不得进入他人依法设立的国有矿山企业和其他矿山企业矿区范围采矿。 因此，目前的研究更多的还是针对矿群资源开发与土地复垦方案所提出一些技术措施，在实施露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术的同时，还需要综合考虑如何解决因矿权政策而导致无法开展露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术实施的问题，这也是未来需要进一步研究的方向。