伊敏露天矿半连续工艺开采参数优化研究

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）

露天矿半连续开采工艺是被世界采矿工作者公认为最具发展前景的一种开采工艺，近几十年来发展迅速，兼顾了连续工艺和间断工艺的优点，具有生产高效、生产成本低、适应性强等特点，在生产实践中展现了强大的生命力[1-3]。伊敏露天矿于2008 年引进的采煤自移式破碎机半连续系统，设计能力900 万t/a。自2011 年以来，经过不断的运行参数优化，目前平均年产煤炭已超1 000 万t，成为国内半连续工艺成功应用案例之一。

伊敏露天矿半连续系统，主要采掘16＃煤层的中下部，采用主采台阶和下分台阶组合台阶形式开采[4]。在伊敏露天矿二、三采区扇形转向过渡期间，经过优化调整，增加主采台阶矮台阶，形成了“主采台阶高台阶16 m+主采台阶矮台阶6 m+下分台阶8 m”新的组合台阶形式，使半连续系统转在向期间仍然可以实现高产，取得了良好的经济效益。2020 年伊敏露天矿完成了扇形转向，同年伊敏露天矿产能核增至2 700 万t/a，在推进方式和推进速度均发生变化的情况下，半连续系统的推进与露天矿整体推进出现了不匹配的现象。2021 年这一问题更加凸显，半连续系统推进速度明显低于上部台阶，导致内排土场空间释放受限，生产接续紧张[5-8]。为此，伊敏露天矿围绕半连续系统的开采参数进行优化，在半连续系统能够实现设计能力的前提下，使系统推进度与露天矿整体协调统一，以保证生产接续稳定。

1 生产接续问题产生原因

伊敏露天矿使用连续工艺、单斗-卡车间断工艺、半连续工艺的联合开采工艺进行采剥作业。多种工艺并存导致生产系统复杂，在生产中易出现推进不协调的现象。在完成采区转向后，半连续系统仍然沿用“主采台阶高台阶16 m+主采台阶矮台阶6 m+下分台阶8 m”的组合台阶形式。开采参数为总台阶高度30 m、工作线长度700 m、采掘带宽度25 m，并继续采用4 采1 移的方式。半连续系统的推进慢于上部各采掘台阶，限制了内排土场空间的释放，出现了生产接续紧张的问题。

1）由于半连续系统自身特性，只有将单周期可采量全部采掘完成，工作面带式输送机移设后，才能释放下部空间。而当半连续系统单周期可采量较多，移设后释放内排土场的空间不足以维持到下次移设时，就会出现排土接续紧张的问题。

2）半连续系统下部煤炭的开采速度下降。由于煤层赋存变化的原因，半连续系统采掘后的底板煤炭裂隙发育不良，导致煤层所含水处理的时间增加，底板煤炭采掘工期延长。进一步限制了内排土场空间释放，解决的方式也只能通过调整半连续系统移设周期的方式解决，即调整半连续系统单周期可采量。

2 优化参数及可选范围

近年来，随着半连续工艺的发展及应用，行业内许多专家针对半连续系统的各开采要素的优化做了广泛研究[9-13]。而本次为了解决推进度不协调导致的内排空间接续问题，需要通过调整半连续系统单周期可采量的方式解决。但是在优化调整中，要减少对半连续系统采掘效率的影响，确保半连续系统保持900 万t/a 的生产能力。所以在各项参数中，仅针对采掘带数量、组合台阶高度、工作线长度3 个要素进行优化研究。在研究前，首先确定了各参数可选的范围，减少后期的无效计算。

1）采掘带数量。采掘带数量受到设备的外形尺寸和实际的生产组织2 个方面的限制。伊敏露天矿半连续系统最大可以实现4 个采掘带，当采掘带数量少于3 个时，半连续系统将面临频繁移设，并不合理，所以采掘带数量仅考虑3～4 个。

2）组合台阶高度。考虑到半连续系统的生产效率，组合台阶高度的取值存在以下限制：①除主采台阶高台阶外，其它2 个采掘台阶高度不宜降低；②主采台阶高台阶高度不宜低于12 m。最终选取的组合台阶高度取值范围为12～30 m，并取4 m 作为递增梯度。

3）工作线长度。工作线长度的取值受限于以下2 个方面：①三采区的采煤工作线总长度；②考虑系统移设频次不能过大。因此工作线长度取值范围选取500～800 m，并取50 m 作为递增梯度。

3 开采参数优化

3.1 各方案单周期可采量

根据各个参数的取值范围，可以计算出各方案单周期的可采量。半连续系统的单周期可采量：

式中：Q为1 个移设周期内可采量，万t；L为工作线长度，m；H1为主采台阶高台阶高度，m；H2为矮台阶高度，m；H3为下分台阶高度，m；W为采掘带宽度，25 m；n 为采掘带数量；ρ 为煤的密度，1.12 t/m3。

各方案单周期可采量计算结果见表1。

表1 各方案单周期可采量计算结果

3.2 方案筛选

根据系统年产量、台阶高度、内排土场接续3 个方面的影响因素，对方案进行比选。

1）系统年产量。根据煤炭产量推算，伊敏露天矿的年推进度预计为450 m。按照3 个采掘带计算，系统每年需要移设6 次，移设时间预计42 d，实际作业时间329 d。根据近年统计数据，半连续系统的平均效率为2.7 万t/d，据此计算出3 个采掘带的方案下，半连续系统年产量为888 万t。在4 个采掘带方案中，每年移设时间预计最大为30 d，实际作业时间335 d，按照2.7 万t/d 的效率计算，半连续系统年产量为904 万t。由此可见，3 个采掘带的方案，由于半连续系统受移设时间长的影响，年产量小于设计的900 万t/a，所以此方案不合理。在4 个采掘带的各个方案中，按照年煤炭产量900 万t，最多移设5 次计算，单周期内可采量不能小于180 万t，所以仅保留4 个采掘带中可采量大于180 万t 的方案。

2）内排土场接续。由于半连续系统的特点，只有工作面带式输送机移设后，下部台阶才能推进。半连续系统的单周期采掘时间和疏干降水时间的和必须小于移设释放内排空间的回填时间，否则将出现接续问题。在4 个采掘带条件下，半连续系统移设1 次释放的排土空间约为3 150 万m3，能够满足排土84 d 排土的需要。根据生产现场实际，半连续系统下部疏干降水的时间预计需要10 d，所以半连续系统单周期内的采掘时间不能大于74 d，按照半连续系统2.7 万t/d 的效率计算，单周期内的可采量不能大于200 万t。因此保留单周期内可采量小于等于200 万t的方案。

3）台阶高度。在台阶高度方面，虽然半连续系统较为灵活，组合台阶高度的选取值较多。但是在实际生产中，台阶高度大于22 m 时，就需要采掘2 个6 m 的小台阶，同时系统每次移设完成前，需要单斗卡车采掘开切口，增加了生产组织的复杂性。台阶高度较低将影响半连续系统的效率，存在不能完成900 万t/a 生产目标的可能。因此仅考虑台阶高度小于等于22 m 的方案。

3.3 优化结果

根据上述优化筛选结果，最佳的方案为半连续系统的组合台阶高度22 m，仍然采用4 个采掘带的生产组织模式，工作线长度范围为750～800 m 之间。此方案能够保证半连续系统生产效率不受影响的同时，推进度满足生产接续的需要。

4 结语

通过对伊敏露天矿半连续系统的采掘带数量、台阶高度、工作线长度进行优化分析，确定了半连续生产系统在2 700 万t/a 的能力条件下各项参数的最佳布置方案，解决了伊敏露天矿由于生产能力变化导致的推进度不协调的问题。研究成果已经成功运用到伊敏露天矿实际生产中，将半连续系统的推进度与整体推进度协调统一，确保了伊敏露天矿的生产接续稳定。