胜利一号露天矿扇形转向过渡位置优化

杨 日，肖 兵，黄月军，李永生

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

大型露天煤矿由于受到基建投资、产量规模、设备能力、地质条件等因素制约多采用分区开采，而随着大多数露天矿的生产推进，都正在或即将面临着采区转向过渡的问题。扇形转向过渡作为采区间的传统过渡方案，也逐渐被众多露天矿所应用[1-3]。在露天矿采区扇形转向过程中，转向位置的不同会导致工作线长度发生明显变化。工作线作为露天矿生产作业的范围指标，影响着设备布置、设备生产作业、生产剥采比和年推进度等环节[4]。因此需要对转向过程中的过渡位置进行优化选取，保证采区工作帮扇形转向过程中具备合理的作业条件，实现生产的协调布置和经济效益的最大化。

1 矿区概况

胜利一号露天矿位于锡林浩特市北郊，处在胜利煤田的西南部，露天矿矿权范围南北宽4.58 km，东西长7.50 km，总面积34.360 8 km2，储量为18.42亿t。矿山设计年产量28.00 Mt/a，首采区工作线长度约为1 500 m，年推进度约300 m，胜利一号露天矿开采现状如图1。

图1 胜利一号露天矿开采现状

胜利一号露天矿煤层呈东西走向，南北倾向，倾角约为1°～3°，首采区位于煤层浅埋侧，南北方向拉沟，东西方向推进，二采区位于首采区末端北侧。目前胜利一号露天煤矿首采区已开采过半，正面临后续采区生产接续、转向过程中内排空间紧张等一系列问题。

2 扇形过渡过程中工作线演化规律

扇形过渡是指剥采工作线分别沿着各自的回转中心向着同一方向旋转推进，这一过程中需要调整工作帮两侧的作业强度，改变推进过程中工作线布置方向，最终达到整体转向的目[5]。扇形过渡具有无需重新拉沟、无需移设作业设备、内排跟进效果好、运距短等优点。

在首采区开采即将到界时，剥采工作线需要沿着回转中心顺时针旋转90°向北旋转推进过渡到二采区。由于二采区范围较小，因此需要连续转向，剥采工作线继续沿着各自的回转中心顺时针旋转90°向东旋转推进，将二采区过渡到三采区。整体的扇形转向过程计划完成年限为20 年，扇形转向角度为180°，地区跨度为首采区末端、整个二采区和部分三采区。

采区180°扇形转向过渡过程中，工作线长度会随着旋转角度的变化而改变，具体变化与一、三采区工作线长度、转向位置和旋转角度有关。除此之外，工作线的轴部和端部开采强度差异明显，转向期间扇形端部工作帮的推进度约为650 m，轴部的工作帮推进度约为40 m，工作线的一端基本处于不作业状态，有效工作线长度要小于设计工作线长度。

如果在保持原有产量不变的前提下完成转向，则需要保持充足的有效工作线长度和合适的年推进度。目前工作帮坡顶线距离矿权界边界距离约为2 km，尽早确定转向位置，保证转向期间生产设备具有充足的作业环境以满足年度生产计划的需求是亟待解决的问题。扇形转向过程中工作线变化如图2。

图2 扇形转向过程中工作线变化

扇形转向期间的工作线长度变化较大，具体变化与原工作线长度、转向开始位置、转向角度等因素有关，具体可通过式（1）计算：

式中：x 为工作线长度，km；l1为一采区宽度，km；l3为三采区宽度，km；la为转向位置距首采区末距离，km；ω 为采区转向角度，（°）。

通过式（1）可知，转向过程可以分为4 个阶段，其中2 个阶段的工作线长度与转向位置直接相关，其余2 个扇形转向阶段内的工作线长度分别由首采区和三采区的工作线长度决定。在扇形转向过程中的各个阶段，每个阶段的工作线长度始终大于其基础工作线长度（l1、l2、la），但是由于有效工作线长度只占实际工作线的一部分，因此在实际生产过程中需要综合考虑有效工作线部分。

以扇形转向第1 阶段的5＃煤工作线为例进行分析，则在初始扇形转向过程中工作线长度变化为x＝1 500/cosω。在0～90°和90°～180° 2 个区间内，随着转向角ω 的增长，工作线长度x 都呈现出先增大然后减小的趋势，如果la不小于初始工作线长度1 500 m，则工作线长度x 在转向过程中同样不小于1 500 m。在扇形转向过程中工作线两端推进强度差异较大，存在推进度较小的死帮区域，在实际设备布置和生产作业环节中，需要区分这部分死帮区域。因此将推进度大于正常年推进度1/2 的工作线部位称为有效工作线长度，有效工作线长度反映出扇形转向过程中主要作业区域。结合设计的工作线扇形转向过程形态可知，扇形转向过程中工作线的有效长度约为总工作线长度的3/4，即3x/4。扇形转向过程中由于工作线的长短变化，使得有效工作线存在低于1 500 m 的时期。有效工作线示意图如图3。

图3 有效工作线示意图

3 合理转向位置优化

为了保证露天矿产能，当工作线长度发生变化时，年推进度、年扇形旋转角度数、剥采比等都会发生变化，不同工作线长度下条件下的年剥离费用也有所差异[6-8]。因此需要结合现场实际，通过确定合理的采区转向位置维持的经济合理的工作线长度。工作线长度短、采区资源储量少、服务年限短、转向周期短，工作线长度长、采区资源量多、服务年限长、转向周期长。

年剥离成本y 主要由爆破、采掘、运输、排土等几部分组成，具体计算方法为：

式中：AP为矿山年产量，t/a；H 为剥离层厚度，m；h 为煤层厚度，m；β 为端帮帮坡角，（°）；C1为穿孔爆破、采装、排土费用，元/m3；C2为综合运输费用，元/（m3·km）；a 为排弃路线系数，取双环时a＝1；b 为排弃影响距离，取决于端帮运输，km；ρ 为煤的密度，t/m3；x 为工作线长度，m。

其中，排弃影响距离b 公式如下：

式中：φ 为工作帮坡角，（°）；α 为内排土场帮坡角，（°）；m 为坑底安全距离，km。

年剥离成本计算的具体参数见表1。

表1 年剥离成本计算参数

目前首采区工作线长度约为1.5 km，在扇形转向过程中，工作线长度在此基础上增加，会因煤层倾向（向北倾斜下降）导致开采深度的增加，故而影响生产剥采比，进而引起剥离及采煤运输距离增加。如果首采区工作线长度在现有1.5 km 长度基础上缩短，为保证矿山年产量，需要增加首采区的推进速率，同时使首采区服务年限变短，采区转向工程提前。首采区不同工作线长度下年剥离费用如图4。

图4 首采区不同工作线长度下年剥离费用

由图4 可知首采区剥离费用随着工作线长度的增大呈现出先减小然后增大的趋势，其中年剥离费用最低点为工作线1.2 km 时，年剥离费用526 97万元。扇形转向8～10 年以后，工作帮会推进到二采区位置，二采区工作线长度一方面与扇形转点位置有关，一方面与二采区范围大小有关。二采区不同工作线长度下的年剥离费用如图5。

图5 二采区不同工作线长度下的年剥离费用

对于二采区来说，工作线长度与剥离成本之间同样呈现先逐渐减小后增大的关系。经对比分析，二采区工作线长度1.5～1.7 km 之间年剥离费用较低，转向位置距离境界的距离与二采区转向过程中的工作线长度有关，其中工作线长度为1.6 km 时二采区的年剥离费用最低。采区转向的过程需要结合首采区和二采区全工作线长度进行优化。转向点位置影响区域的年剥离费用如图6。

图6 转向点位置影响区域的年剥离费用

随着露天矿工作帮的扇形转向点的前移，扇形转向第2、第3 阶段总的平均年剥离费用表现出先减小后增大的趋势，最佳的经济效益点为1.5 km处，邻近区域内剥离费用相差较小，因此建议选取1.4～1.6 km 范围作为扇形转向工作的起始转向点。

4 结语

1）根据采区扇形转向过程中工作线的变化规律可以将其划分为4 个阶段，工作线长度在转向过程中的各个阶段都大于等于l 或la，但有效工作线长度只有实际工作线长度的3/4。

2）扇形转向位置的选择一方面影响着转向期间的开采区域，另一方面影响着转向过程中2 个阶段的工作线长度。通过结合首采区和二采区既定产量不同工作线长度条件下的年剥离费用，优化出合理的采区转向位置，可实现扇形转向期间的最佳效益。