张 宇,马 宁,吕贵龙,马 力,罗 科
(1.山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司,山西 忻州 036500;2.西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054)
我国大型露天煤矿多采用分区开采,如哈尔乌素露天煤矿、安太堡露天煤矿、天池能源南露天煤矿等[1-3]。开采过程中,不同的转向方式影响转向期间的外排量、过渡时间、平均剥采比和综合运距等方面,因此采区间的接续转向不仅能够提高整体矿山开采效率,同时也能提高矿山的经济效益。例如,孙俊东在研究胜利一号露天矿采区转向方式时通过对三种转向方式对比分析,得出采用扇形过渡比其他方式生产成本节约30万元左右[4]。目前露天煤矿相邻采区间中压帮内排留沟方式主要分为三大类,留沟方式分为全留沟和半留沟两种[5],不同的压帮内排留沟方式对矿山的整体开采经济效益的影响程度不同。三种不同的压帮内排留沟方式即全压帮内排、全留沟内排以及半压帮内排。留沟或不压帮就是把与邻区相邻的端帮留出一定的高度,这样就免去了部分剥离物的二次剥离,通过优化压帮高度,可使露天矿的经济更合理化[6,7]。
河曲露天煤矿开采深度达到200 m左右,目前本矿首采区临近开采终了并进入二采区开采。河曲露天矿地形复杂多变,影响推进方向上的采深突跃变化,进而影响最佳压帮高度并增加生产组织管理难度。针对全压帮内排和全留沟内排两种不同的压帮内排留沟方式,主要采用两种压帮方式的二次剥离面积、二次剥离量、二次剥离物料的剥离费用、二次剥离物料的运输费用,以及由留沟引起的运输系统、运输距离、内排土场高度、内排容积、外排运距、外排物料体积等指标的变化来探索压帮内排对系统的影响。
国内大型露天矿相邻采区过渡方式主要有连续式和间断式两类[8]。采用连续式过渡方式可以利用现有的工作帮和已形成或正在形成的端帮向新采区转向过渡。过渡自然,无需重新拉沟,基建量小,运距较短[9,10]。间断式过渡方式能够在旧采区开采结束前,在新采区内重新拉沟布置开拓运输系统,新、旧采区之间无干扰影响[11]。
在河曲露天煤矿首采区临近开采末期时,应充分考虑首采区与二采区相对位置关系,并结合现有采区接续转向方式提出二采区首采工作面位置并确定采区间接续过渡方式,常用的转向接续方式包括:
1)重新拉沟。是指在旧采区开采结束前,在新采区内重新拉沟布置开拓运输系统。若采用重新拉沟,则基建剥离工程量较大,需建外部排土场;采区间可采用全部压帮进行内排,实现双环运输,运输距离短;二次剥离量较大,随着采深的增加,重复剥离量越大;新采区的重新拉沟与原有采区的收尾工程不发生干扰。
2)缓帮留沟。是利用原采区端帮的一部分缓帮建设成新采区工作帮的过程。即在原采区开采结束前,在要转向的端帮一侧按一定的开采顺序自上而下逐台阶进行缓帮剥离,直至原有采区工作帮全部到界时,原端帮已全部缓帮成新采区的工作帮[12]。
3)扇形转向。扇型转向过渡是指在旧采区终了前,工作线的回转中心为新旧采区接续位置,向单一方向旋转推进。其特点是距离回转中心较远的工作线边缘推进强度较高,随着距离回转中心越来越近,工作线的推进强度也越来越低,内外工作面将采用不等幅开采。工作线长度的改变导致扇形转向时,每个阶段的推进度不一致,而且实际生产操作严格。[13-16]
重新拉沟初期剥离排弃空间较紧张,生产接续较复杂,且初期剥离运距较长。扇形转向相比重新拉沟方案在工作面逐渐形成的过程中,内排空间随着采剥工作面推进形成较快,虽然在一定程度上缓解了初期排土压力,但是由于扇形转向同一工作面两端推进强度的不同,造成较多的三角工程量,对爆破、采装效率影响较大。缓帮留沟转向的推进过程中各个阶段的采排关系均合理可行缓帮留沟推进工作面更灵活,生产更易组织。因此采用缓帮留沟过渡方式。
在开采过程中内排的剥离物料将端帮全部掩埋的形式称为全压帮内排。在开采过程中,内排的剥离物料不对下一采区接触的端帮进行压覆,在内排土场与下一采区相邻处形成一条沟体,这种内排方式称为全留沟内排[17-20]。
1)全压帮内排二次剥离面积如图1所示。由图1可知,二次剥离区域ΔBDF的二次剥离面积S1为:
图1 全压帮内排二次剥离面积
S1=H2(cotα+cotβ)/2
(1)
式中,S1为全压帮内排的二次剥离面积,m2;H为露天煤矿开采深度,m;α为内排土场最终帮坡角,(°);β为端帮边坡坡角,(°)。
2)二次剥离量。在采用全压帮内排时二次剥离量V1为:
V1=S1L=H2(cotα+cotβ)L/2
(2)
式中,V1为全压帮内排时的二次剥离量,m3;L为首采区至二采区缓帮留沟的留沟长度,m。
3)二次剥离费用。全压帮内排时的二次剥离费用C1为:
式中,C1为全压帮内排二次剥离总费用,元;A为露天矿山单位二次剥离费用,元/m3。
2.2.1 运输距离分析
全压帮内排开采端帮双环运输系统如图2所示,剥离物运距为Lw。
图2 全压帮内排开采端帮双环运输系统
式中,Lw为全压帮内排开采双环运输系统剥离物料的运距,m;La为不同开采水平下对应工作帮工作线长度,m;Lb为不同开采水平对应端帮工作线长度,m;Lc为不同开采水平下对应内排土场工作线长度,m。
以露天开采深度一半水平位置对应的剥离物运输距离作为露天煤矿全压帮内排开采剥离物料的平均运输距离。
1)全压帮内排端帮运输长度如图3所示。在不同开采水平下,端帮运输长度为Lbi。
图3 全压帮内排端帮运输长度
Lbi=Ln+Hi(cotα1+cotβ1)
(5)
式中,Ln为露天矿山坑底宽度,m;Hi为露天矿山不同水平下开采标高,m;Lbi为不同开采水平下端帮工作线长度,m;β1为露天采场工作帮坡角,(°);α1为露天开采内排土场工作帮坡角,(°)。
2)全压帮内排工作线长度如图4所示。在不同开采水平下,工作帮的工作线长度为Lai。
图4 全压帮内排工作线长度
Lai=Lm+2Hicotβ
(6)
式中,Lm为露天开采坑底工作帮的工作线长度,m;Lai为不同开采水平下对应的工作帮的工作线长度,m。
3)全压帮内排方案的内排土场工作线长度如图5所示。在不同开采水平下内排土场的工作线长度为Lci。
图5 全压帮内排内排土场工作线长度
Lci=Lm+2Hicotβ
(7)
为简化计算,取各个运输段的平均运输距离,即在同一水平下,最长运距与最短运距的平均值为该水平的内排运距[21],以开采水平为开采深度一半的开采水平位置时对应的运距为平均运输距离,其中Hi的取值为0.5H,通过分析计算可得:
式中,Lw1为全压帮内排开采剥离物料平均运输距离,m;La1为全压帮内排开采工作帮工作线的平均长度,m;Lb1为全压帮内排开采端帮工作线的平均长度,m;Lc1为全压帮内排开采内排土场工作线的平均长度,m。
2.2.2 运输费用分析
全压帮内排二次剥离物料的运费C2为:
C2=V1BLw1=H2(cotα+cotβ)LB×
式中,B为单位剥离物料运输费用,元/(m3•km);C2为二次剥离物料的总运输费用,元。
全压帮内排开采,对系统增加的费用主要为二次剥离物料的剥离费用及运输费用,建立全压帮内排开采二采剥离费用模型:
在平均开采深度H为150 m的情况下,河曲露天煤矿经济技术指标如下:
依据以上指标参数可计算获得全压帮内排的经济技术指标如下:剥离物料采用端帮双环运输系统,二次剥离面积S1=49388 m2,二次剥离量V1=71611875 m3,二次剥离费用C1=207674438元,双环运输平均运输距离Lw1=1472 m,端帮平均长度Lb1=893 m,工作帮平均长度La1=1158 m,内排土场平均长度Lc1=1158 m,二次剥离物料运输费用C2=263665723元,二次剥离总费用Cqyb=471340161元。
内排土场最终帮坡角A=19°,内排土场工作帮坡角α1=15°,工作帮最终帮坡角B=34°,工作帮坡角β1=8°,采区平均开采深度β1=150 m,沟底宽度Ln=80 m,坑底工作线长度Lm=936 m,缓帮留沟长度L=1450 m,矿山单位运输费用2.5元/(m3•km),矿山单位剥离费用2.9元/m3。
3.1.1 运输距离分析
首采区西端帮采用全留沟内排开采,由于留沟的影响使原有的端帮双环运输系统变为单环运输系统,如图6所示。单环运输系统,使靠近西端帮一侧的剥离物料的运输距离增加,从而导致运输费用的增加。
图6 全留沟内排开采端帮单环运输系统
为考虑全留沟内排开采引起剥离物料的运输距离的变化对系统的影响,将工作帮靠近西端帮一侧的剥离物分为留沟部分A与非留沟部分B两部分剥离物料分别进行研究,如图7所示。
图7 全留沟内排单侧剥离物
B部分为非留沟区域,该区域剥离物料直接通过端帮单环运输系统运送到内排排土场的对应位置。
针对留沟区域A部分的剥离物料提出了两种转排方案。方案一为在采区外部重新建立排土场,将留沟区域(A)剥离物料全部外排至外排土场;方案二是外排土场和内排土场相互结合,通过加高内排土场高度,满足内排最大量的情况下,将剩余部分剥离物料进行外排。
1)非留沟区域剥离物料运输距离。针对B部分的剥离物料,运输系统为单环运输系统,依旧选择留沟高度一半的水平位置所对应的运输距离作为B部分剥离物料的平均运输距离,由图6及图7可得,B部分剥离物料的平均运输距离LWB为:
式中,Lf为工作帮半分界线至留沟区域地表的距离,m;Lm为坑底工作帮的工作线长度,m;La1、Lb1、Lc1分别为对应水平为河曲露天煤矿开采深度一半时对应的工作帮工作线长度、端帮长度、内排土场工作线长度(Hi=0.5H),m。
Lk为全留沟内排开采留沟的最大宽度,m,地表水平对应的宽度最大。
通过对模型(11)与(12)的整理,得模型(13)为河曲露天煤矿非留沟部分(B)剥离物料的平均运输距离。
双环运输剥离物料的平均运输距离为Lw1,但留沟的影响使得双环运输变为单环运输,导致剥离物运输距离发生变化。目前非留沟部分(B)剥离物料的平均运输距离为LWB,则B部分剥离物料运距的变化LWB为:
2)留沟区域剥离物料运输距离。A部分为留沟区域对应的剥离物料,针对这部分剥离物料,提出了两种排弃方案,两种方案中外排土场位置的选择至关重要。不仅要符合设计规范,而且要使经济效益最大化。最终将外排土场建设于首采区东北部。
①方案一:留沟区域剥离物料全部外排。需确定排土场的容量大小、剥离物料的运输路线及距离。留沟区域的剥离物料全部外排,外排土场的大小取决于留沟区域剥离物料的体积的大小。全留沟内排如图8所示,留沟区域剥离物料的体积为V2。
图8 全留沟内排留沟区域
V2=H2(cotα+cotβ)L/2
(15)
当开采深度H为150 m时,留沟区域剥离物料的体积为7161万m3。在采用全部外排的情况下,外排土场排弃高度设计为72 m,外排土场占地面积大约为133.33 hm2。剥离物料从工作帮运送到外排土场,运输距离为Lq1,平均运输距离大致为4.5 km,其运输距离的变化为ΔLWA1。
②方案二:满足内排,剩余部分外排。留沟区域的剥离物料,通过加高内排土场高度,满足内排设计的最大容量,剩余剥离物料进行外排,如图9所示。
图9 全留沟内排内排土场增高
内排土场增高的Hp为72 m,确定内排土场增高部分的容积为Vt。
式中,X1为留沟地表至内排土场增高部分的安全距离,m,取60 m;Lz为内排土场增高部分上表面宽度,m;Lg为内排土场增高部分下表面对应的宽度,m。
增高部分内排土场剥离物料的容量关于开采深度H的关系式如下:
Vt=(Lm+Hcotβ-Hcotα-X1-Hpcotα)HpL
(18)
在开采深度为150 m,内排增高度Hp为72 m,安全距离取值60 m时,确定河曲露天煤矿内排土场增高部分的容积为47360990 m3。
剩余剥离物料需要外排,外排量Vf为:
(Lm+Hcotb-Hcota-X1-Hpcota)HpL
(19)
在开采深度为150 m时,外排量Vf的值为2419万m3。则由此采用方案二满足内排部分外排的情况下,外排土场排弃高度为72 m时,确定外排土场占地面积大约为80 hm2。剥离物料从工作帮运送到外排土场,确定平均运输距离Lq2大致为4.3 km。
留沟区域剥离物料一部分采用内排,另外一部分运至外排土场,A部分剥离物料采用内排时的运输距离模型LWA2i为:
则方案二采用内排部分剥离物料的运输距离变化模型ΔLWA2i为:
运输距离的变化ΔLWA2o与外排剥离物料的平均运输距离Lq2的关系为:
ΔLWA2o=Lq2-Lw1=Lq-0.5Lm-Ln-
0.5H(cotα1+cotβ1+cotβ)
(22)
3.1.2 运输费用分析
针对全留沟内排开采,提出了两种转排方案,方案一是全留沟内排,留沟区域剥离物料全部外排,方案二是全留沟内排,留沟区域剥离物料先满足内排需求,剩余部分剥离物料外排。针对这两种全留沟内排方案,分别分析计算其运输增加费用与外排土场征地费用。
3.1.2.1 留沟区域全部外排费用分析
该部分费用主要包括留沟区域剥离物料运距增加引起的运输费用,而留沟区域剥离物料主要包括A与B两部分,A部分的费用不仅有运距增加引起的费用,同时还有外排土场的征地费用。
1)非留沟部分(B)剥离物料增加的运输费用计算如下:
B部分剥离物料的体积为VB:
VB=(Lm-Hcotα)HL/2
(23)
由于留沟的影响,B部分剥离物料增加的运输距离ΔLWB和B部分剥离物料增加的运输费用模型C3为:
2)留沟部分(A)剥离物料增加的费用计算如下:
A部分剥离物料增加的运费C4为:
剥离物料外排的征地费用模型为C5为:
C5=MQA
(26)
式中,M为外排土场占地面积,方案一取133.33 hm2;Q为每亩年征地费用,取18000元/(a•hm2);A为征地年数,取21 a。
采用全留沟内排开采,留沟区域剥离物料全外排,总费用Cqlg1=C3+C4+C5模型Cqlg1为:
Cqlg1=C3+C4+C5
(27)
3.1.2.2 留沟区域部分外排费用分析
A部分剥离物料增加的费用:外排内排相结合的全留沟内排,A部分剥离物料一部分外排,一部分内排。
其中内排增加的运输费用模型C6:
外排土场征费用C7、外排增加的运费C8:
C7=MQA
(29)
(Lm+Hcotβ-Hcotα-X1-Hpcotα)HpL]×B
[Lq-0.5Lm-Ln-0.5H(cotα1+cotβ1+cotβ)]/1000
(30)
式中,M为外排土场占地面积,hm2,方案二取100 hm2。
采用全留沟内排开采,留沟区域内排外排相结合,总费用模型Cqlg2为:
Cqlg2=C6+C7+C8+C3
(31)
在平均开采深度为150 m时,分析全留沟内排开采的各类技术指标,见表2。
表2 全留沟内排开采经济技术指标
1)全压帮内排模式。采用端帮双环运输系统,剥离物料对运输距离较小,同时内排空间能够完全释放,剥离物料不需要外排,能够实现完全内排。由于河曲露天煤矿首采区与二采区是相邻布置,首采区采用全压帮内排开采,将会导致二采区开采过程中与首采区接触的西端帮大量的二次剥离量,不利于整个矿山的经济效益。
2)全留沟内排模式。在开采二采区时没有大量的二次剥离量。但是由于留沟的影响,使得内排空间无法完全释放,增加了剥离物料的转排费用,同时外排剥离物料需要征收大面积的土地,整体开采费用较高。由于留沟的影响,使剥离物料运输的双环运输系统变为单环运输系统,增加了单侧剥离物料的运输距离,同时由于内排过程中所有的剥离物料均依靠东端帮运输,增加了端帮的车流密度。
对两种开采方式作定性定量分析,考虑河曲露天煤矿在开采深度H为150 m、留沟深度为150 m情况下,分析两种压帮内排方式技术经济指标见表3。在提出的两种开采方式中,全留沟内排开采具有更好的经济效益,更具优越性。
表3 缓帮留沟过渡方案经济技术指标
综上,河曲露天煤矿首采区过渡至二采区采用全留沟内排的方式进行过渡。
1)提出重新拉沟,缓帮留沟和扇形转向三种采区转向方式,综合比较三种转向方式的优缺点,缓帮留沟过渡为最佳方案。
2)通过构建数学模型,分别分析计算了全压帮内排和全留沟内排二次剥离和外排等费用。
3)经技术经济评价,全留沟内排与全压帮内排相比,经济效益更好,在这两种内排压帮方式中推荐采用全留沟内排。