伊敏露天矿排土空间优化研究

胡鹏飞,袁金祥

（华能伊敏煤电有限责任公司 伊敏露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021134）

露天煤矿的生产过程，伴随着大量剥离物的产生，这些松散的表土与岩石通过运输至特定区域建设成为排土场[1]，而对于露天矿，排土空间的接续问题是非常重要的，它直接影响露天矿的生产是否能够正常接续。但是对伊敏露天矿采掘近水平煤层的露天矿来说，在满足排土空间的条件下，尽早实现内排、尽可能地增大内排量，是露天矿减少外排量和提高经济效益和生产环境效益的重要途径[2]，所以伊敏露天矿除2 次产能核增外，没有使用外排土场。但是在2020 年产能核增至2 700 万t/a 后，伊敏露天矿内排空间紧张问题显现，2021 年的剥离强度增加，凸显了该问题，所以2021 年，为保证排土空间接续，伊敏露天矿再次启用了外排土场。但是相比于内排土场，运输距离增加，由于运输排土费用占剥离费用的50%[3]，导致成本大幅上升。同时根据相关政策，2022 年开始，剥离外排在政策上将出现较大困难。那么如何在满足排土空间接续的条件下，减少外排甚至不外排，降低生产成本，已成为伊敏露天矿必须解决的问题。根据伊敏露天矿未来的地质条件，单纯依靠采掘方式调整，降低剥离强度已经无法解决问题，必须从采掘环节的调整工作线降低剥离强度、运输环节的线路优化减少空间占用以及排土环节的扩容等多个方面进行技术优化，才能彻底解决问题。

1 内排空间不足原因

根据相关研究，快速释放与充分利用内排空间是露天矿实现安全、降本、增效、绿色开采的重要途径[4]，所以伊敏露天矿在生产过程中，始终尽最大可能减少外排。在核增产能至2 700 万t/a 后，为了最大限度使用内排土场，仅经过1 年过渡，外排1 500万m3后，就再次实现剥离全部内排。这就导致了采掘、排土平盘关系在产能增加后没有实现均衡，导致内排空间较为紧张。同时还存在下述各方面的原因，进一步加剧了排土空间紧张。

1）煤层底板揭露受限，排土空间释放晚于预期。一方面，伊敏露天矿进入三采区后，受到地质条件影响，煤层裂隙不发育且含水，导致底板煤炭采掘回收效率低，底板揭露晚于预期；另一方面，伊敏地区5月份就开始出现了连续、频繁的降雨，较往年提前了1 个月，且持续到9 月中旬。连续的降雨，让生产现场产生了大量雨水，全部通过引水通道汇流至底板超降防洪系统，底板水降深受限，进一步限制了底板揭露速度。2 个方面原因共同导致底板揭露进度晚于预期，排土空间未能得到及时释放。

2）雨季提前且持续时间长，剥离产量不均衡。伊敏露天矿由于物料性质原因，在雨雪天气，运输道路湿滑的原因将临时停产。2021 年长时间的降雨，导致停产时间较长，5—9 月份剥离欠量严重。在10 月份开始，为完成年度产量，现场剥离设备增加，剥离量出现激增。而在雨季，排土空间释放受限，导致雨季过后，排土空间更加紧张。

3）运输系统复杂，占据大量排土空间。伊敏露天矿拥有连续系统、半连续系统以及单斗卡车工艺，同时存在外委剥离单位，这就导致了现场生产单元多。各个生产单元需要进行分区隔离作业，不能存在交叉。这就导致了每个生产单元从采场到排土场均有运输系统，排土场联络坡道过多，运输线路占据排土空间。与此同时，露天矿位于内排土场东帮和南帮交界处的出入沟数条联络坡道，始终未能有效置换，排土跟进受限，加剧了运输道路对排土空间的占用。

4）连续系统产量受限导致排土跟进受限，占据部分排土空间。伊敏露天矿2020 年投入连续系统，但是受到系统运行不稳定，采掘台阶地质条件变化等多方面影响，产量始终受限，未能完成预期产量目标。导致连续系统的排土胶带移设跟进的速度晚于计划，导致705 m 水平及以上水平的排土空间没有得到有效使用。

5）受到地质条件影响，需要一定超前剥离。伊敏露天矿在三采区推进方向前方，存在F6断层，该断层位于采区中央，沿推进方向分布，最大断距60 m。断层导致2024 年以后的煤层底板急剧下降，台阶数量增加，为保证台阶布置的空间条件，需要超前剥离，加大了剥离强度。

综上所述，结合2021 年排土空间紧张的实际条件，经过长期规划后，得出在2024 年左右将出现排土接续问题。为了伊敏露天矿生产接续稳定，必须提前采取各项措施，保证排土接续正常。

2 解决方案及措施

伊敏露天矿首先试图通过征地外排的方式解决该问题，但是随着征地政策逐步完善，征地贵、林草土手续多、用地耗时长[5]，且内蒙古自治区目前政策不支持剥离外排。以同在呼伦贝尔地区的宝日希勒露天煤矿为例，生产受到征地影响多年。所以在内排土场空间的解决方案中，外排征地不作为可选方案，应当通过技术手段，从设计出发，寻求解决思路。

为解决内排土场空间不足的问题，伊敏露天矿从源头环节——设计出发，对各种方案不断地进行科学合理的优化研究，并对其经济效益进行对比分析[6]，寻求最优的解决方案。在过程中，伊敏露天矿发现了排土空间接续问题的根源，是时空演化过程中存在困难。所以在设计中，结合远期规划与近期计划，通盘考虑露天矿采掘、运输、排土各个环节，重点进行排土空间的时空优化，也就是在时间和空间的维度上，用推理的方法解决问题[7]。最终实现了设计优化，解决了排土空间紧张的问题，以下对方案中的采掘、运输、排土环节的优化方案进行介绍。

2.1 采掘工作线调整

在采掘环节，优化内排空间的手段，总结起来就是优化台阶关系，降低剥离强度。2020 年，伊敏露天矿完成了剥离台阶的扇形转向，进入三采区后计划平行推进，不考虑其他影响，应当直接压缩平盘关系，减少剥离量。但是伊敏露天矿三采区前方，受到F6断层影响，采区西侧煤层急剧下降，采深由现在的150 m 增长至200 m 以上。未来伊敏露天矿的采场台阶数量将增加3～4 个，台阶占用的空间将加大，按照设计2023 年开始需要逐年进行超前剥离，为台阶数量增加创造空间。所以伊敏露天矿不能采用简单压缩平盘关系的方案，实现降低剥离强度。

通过对重新对三采区的地质条件进行研究，对比未来和现在的煤层条件，发现虽然进入F6断层影响区域后，采区西侧虽然急剧下降，但是东侧煤层并未明显下降，未来采区两侧台阶数量并不相同。也就是说，虽然不能整个采区不能进行台阶压缩，但是三采区东侧位置，由于台阶数量少，具备工作线局部压缩的条件。据此设计了调整采掘工作线，压缩采区东侧平盘、采区西侧按计划超前剥离的方案。工作线调整示意图如图1。

图1 工作线调整示意图

具体方案就是，考虑2021 年剥离量少于煤炭生产所需，故2022 年工作线暂不调整，维持现有情况推进。从2023 年开始，采区西侧按照规划设计，正常进行超前剥离；而采区东侧进行台阶关系的压缩，减少剥离推进。将采区东西推进度设计存在差值，进行扇形推进，直至将采掘工作帮与端帮的夹角从94°调整为85°左右，完成后再进行平行推进。

通过该方案的实施，预计可以减少剥离量300万m3/a，能够有效缓解内排土场空间的需求。

2.2 运输系统优化

在运输环节，运输系统需要占用一定空间，进而影响排土空间的使用。对于伊敏露天矿而言，生产单元较多，各个生产单元都要避免交叉。导致排土场的运输系统复杂，尤其是内排土场南帮和东帮出入沟的干线坡道，占据大量内排空间。特别是进入三采区后，排土工作线短，凸显了这一问题。

针对露天矿的生产实际情况，主要对排土场的联络坡道进行优化。将同一水平的排土台阶分配给1 个生产单元使用，将减少排土场坡道数量。优化后，排土场运输系统简化，减少了坡道对于排土空间的占用。同时，将南帮和东帮2 个出入沟的各条坡道逐步进行置换，将排土场滞后的位置完成跟进。经过运输系统优化后，预计可增加内排空间1 500 万m3，大大缓解了排土接续紧张的问题。

2.3 内排土场的扩容

虽然上述方法能够缓解排土空间紧张的问题，但是由于煤层总体上不断降深，新的排土台阶随之不断出现。在时空演化中，仍将会出现一定时期的排土场推进受限，所以仍然需要从排土场入手，扩大排土场的容量。

根据伊敏露天矿煤层分布条件，煤层底板顺倾3°～5°，致使内排土场位于顺倾基底上部，易形成沿煤层底板或基底软弱层的滑动，不利于内排土场的边坡稳定[8]。基于这种顺倾条件，根据勘察设计资料，在排土场边坡角度方面，没有增加的空间。在台阶高度的调整上，在确保台阶边坡安全稳定的前提下，尽量加大台阶高度，减少台阶数量[9]。调整台阶高度，将造成短期的多台阶不能推进问题，不利于生产稳定。

基于内排土场实际条件，对内排土场的加高，尤其是在伊敏露天矿顺倾底板条件下，更要注意安全性问题。在对排土场的边坡稳定性进行校验后，认为在维持现有边坡角度的前提下，将内排土场的最终标高由现在710 m 水平提高至735 m 水平，仍然能够满足边坡安全稳定的要求。将内排土场涨高至735 m 水平，可以增加排土空间3 000 万m3，形成排土台阶后，排土空间每年持续增加，可以从根本解决内排空间紧张的问题。

2.4 优化生产组织

在技术优化的基础上，针对连续系统排土跟进受限的问题，生产组织也同步适当调整。为了避免连续系统产量受限导致排土带式输送机占据排土空间的问题，在2022 年开始的生产组织中，连续系统不再进行下排，仅进行上排作业。同时加强现场跟踪，随时调整生产计划，提前进行排土胶带机的移设，释放上部排土空间。

3 结语

对内排空间不足的原因进行了分析，并针对内排土场空间紧张的问题，从设计角度出发，结合露天矿地质条件，在采掘、运输、排土多个环节寻求解决方案；结合露天矿地质条件，提出了一些缓解内排空间紧张的措施。通过采掘工作线的调整，降低了排土空间的需求，采用运输系统优化和排土场增高扩容，增加了排土空间，保证了露天矿剥离工程所需内排空间充足，满足未来生产接续要求。