安太堡露天礦過背斜期間陡幫開采方案

薛萬海

（中煤平朔集團有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006）

安太堡露天礦位于山西省寧武煤田的北部，是在平朔礦區(qū)西北部最早建成的露天礦山，于1987年9月建成投產(chǎn)，為節(jié)省初期投資和降低開采成本，建礦以來一直實行分區(qū)開采[1]。采區(qū)轉(zhuǎn)向時采用直角和扇形轉(zhuǎn)向，已完成2個采區(qū)的開采，自2003年開始在三采區(qū)開采。剝離采用單斗-卡車間斷工藝，采煤采用單斗-卡車-移動式破碎機-帶式輸送系統(tǒng)-選煤廠的半連續(xù)開采工藝[2]。主要可采煤層有4＃煤、9＃煤和11＃煤。

安太堡礦遇到蘆子溝背斜以來，由于煤層傾角大幅增加，由原來的3°～10°增加為11°～22°，3層煤層同時普遍下降270 m左右，黃土及巖石的覆蓋層變厚，自然剝采比相應(yīng)增加，全礦剝離物和原煤的加權(quán)運距、高差都大幅上升[3]，采掘和運輸設(shè)備的能力下降嚴重，生產(chǎn)組織非常困難，原煤產(chǎn)量過背斜期間持續(xù)低迷，導(dǎo)致礦坑剝離欠量情況加劇，礦坑露煤時常處于即露即采狀態(tài)，采露煤接續(xù)困難。為緩解背斜及剝離欠量帶來的系列不利影響，有必要對陡幫開采方案進行探討。

1 采區(qū)基本情況

目前采區(qū)工作幫坡角8.5°，土場幫坡角13°，北端幫幫坡角21°，南端幫幫坡角20°。受北嶺村購地滯后的影響，礦坑剝離工作線長度為1.3 km，采煤工作線長度為1.2 km。目前露煤量為130萬t，可采量為95萬t。共有內(nèi)排土場（1300～1450平盤）、南部縮界土場（1180～1330平盤）、南寺溝土場（1450～1510平盤）3個排土場。北部物料主要通過端幫道路（共5條）及土場折返到達土場，南部年底形成南幫3號路、南幫1號路和并幫區(qū)1180干線。原煤經(jīng)坑下及中部土場折返到上部，經(jīng)原煤運輸?shù)缆返竭_破碎口和1420煤堆。本礦剝離欠量情況為：

1）為滿足9＃煤的生產(chǎn)任務(wù)，在9＃煤頂板拉溝，提前將9＃煤采出。4＃煤開采水平和9＃煤開采為同一個水平，均為1 135 m水平。恢復(fù)4＃煤和9＃煤之間的2個臺階，剝離欠量為3 594萬m3。

2）由于北嶺村征地原因，北幫不能及時擴幫靠界，擴幫量為2 764萬m3。

綜合以上2方面考慮，安太堡礦剝離量欠量為6 358萬m3。剝離欠量情況見表1。

表1 剝離欠量情況

由于安太堡礦過蘆子溝背斜時只有南寺溝外排土場1450、1480、1510 3個排土平盤可排棄，再無合適的位置購置新的外排土場，絕大多數(shù)剝離物均需運往背斜前的內(nèi)排土場排棄，剝離物運距大、提升高度大，因而對陡幫開采方案進行探討，以減少過背斜時的剝離量，從而達到優(yōu)化開采方案和均衡生產(chǎn)剝采比的目的。

2 陡幫開采方案

2.1 陡幫開采方案組合

使用陡幫開采，就是通過增大工作幫坡角來減少剝離量，降低開采成本，增加露煤量[4-6]。結(jié)合煤礦實際，陡幫開采方案以全長工作線為例，按工作幫正常布置、每2個剝離臺階合并、每3個剝離臺階合并、每4個剝離臺階合并等4種不同組合臺階方案進行對比分析。同時為了更準確的計算過背斜期間剝離物的排棄運距及提升高度，將過背斜實現(xiàn)全內(nèi)排之前的采掘工作區(qū)域劃分為4個階段。由于過背斜期間年下延臺階數(shù)最大3個，故劃分階段的標準為每個階段下延3個臺階直到過背斜實現(xiàn)全內(nèi)排。由于過背斜時可以釋放出較大的內(nèi)排空間，故方案認為過背斜時即可達到全內(nèi)排條件。經(jīng)過模型計算，當(dāng)采場完全過背斜時，按照內(nèi)排標高1 270 m、排土工作幫坡角14°計算，背斜影響區(qū)釋放出的排棄空間有6 751萬m3，按照松散系數(shù)1.15計算，可排棄剝離量5 800萬m3。

2.2 方案技術(shù)指標

安太堡直接向東推進至東露天境界內(nèi)，剝離及采煤最小工作平盤取80 m。不進行臺階合并計算采掘工作幫坡角約9.9°，合并2臺階計算采掘工作幫坡角約13.31°，合并3臺階計算采掘工作幫坡角約15.39°，合并4臺階計算采掘工作幫坡角約16.39°。背斜上排土工作幫角度按14°計算，排土終幫角度按22°計算。過背斜各方案各階段技術(shù)指標見表2。

2.3 方案經(jīng)濟指標

采、運、排和征地是露天礦生產(chǎn)成本的主要組成部分，設(shè)計主要就這4個方面對各推薦方案的經(jīng)濟指標進行分析。

開采成本主要包括穿爆和采裝，根據(jù)安太堡露天礦生產(chǎn)經(jīng)驗，巖石的穿爆單價為2.9元/m3，采裝單價松散層為2.25元/m3，巖石為2.5元/m3。運輸成本受運輸方式以及運距和提升高度的影響，統(tǒng)一按照汽車運輸方式計算。排土成本受排土方式和輔助作業(yè)設(shè)備類型的影響，統(tǒng)一按照汽車排棄、推土機輔助作業(yè)的方式計算，安太堡的排土成本約為0.7元/m3。征地成本按照統(tǒng)一價格150萬元/hm2計算。

方案各組合分階段生產(chǎn)成本計算見表3。

2.4 陡幫開采方案分析

由不同陡幫組合方案的計算對比發(fā)現(xiàn)，采取陡幫的技術(shù)手段起到了優(yōu)化的作用。

1）有利影響。減小了剝離物排棄的綜合運距，降低了噸煤生產(chǎn)成本。

2）不利影響。不同程度的限制了生產(chǎn)規(guī)模，不能降低剝離物排棄的提升高度。

Aim: to make a comparative assessment of the use of various reconstructive methods in the atherosclerotic lesions of the femoro-tibial segment.

由各方案組合技術(shù)指標表可知陡幫方案過背斜后進行緩幫的緩幫量分別為：合并2臺階方案為5 741萬m3，合并3臺階方案為7 668萬m3，合并4臺階方案8 621萬m3。而過背斜時背斜影響區(qū)釋放的內(nèi)排空間可排棄剝離量5 870萬m3，可知合并2臺階方案過背斜后進行緩幫時不存在內(nèi)排空間不夠的問題，合并3臺階、4臺階方案過背斜時直接進行緩幫則內(nèi)排空間不足[7]。

表2 各方案過背斜時技術(shù)指標

表3 各方案過背斜時經(jīng)濟指標表

由于過背斜期間是礦山生產(chǎn)的困難時期，可適當(dāng)降低礦山的生產(chǎn)規(guī)模能力，從經(jīng)濟最優(yōu)的角度出發(fā)，結(jié)合內(nèi)排空間的發(fā)展趨勢，綜合以上分析，具體陡幫開采方案應(yīng)采用合并2臺階方案。2臺階方案自然生產(chǎn)剝采比及均衡結(jié)果如圖1。

2.5 開采規(guī)模論證

由于本方案繼續(xù)向東推進會立刻遇到蘆子溝背斜，煤層埋深隨開采推進逐漸變大，開采的推進速度以及生產(chǎn)能力同時受到采場向下延伸的速度和礦山設(shè)備的剝挖能力兩方面的限制。煤層急劇下傾，下延速度將嚴重制約生產(chǎn)規(guī)模，當(dāng)采場延深到蘆子溝背斜以下，繼續(xù)向東推進時采場底板起伏較小，規(guī)模將主要受設(shè)備能力的限制。

就采場下延速度和礦山設(shè)備能力2個方面對礦山的規(guī)模進行論證。

圖1 自然剝采比及均衡結(jié)果

2.5.1 下延速度對規(guī)模的限制

采場的下延速度主要由下延掘溝設(shè)備的能力、數(shù)量以及下延工程量決定。根據(jù)安太堡露天礦的實際生產(chǎn)情況，掘溝設(shè)備為PH2800XP電鏟，臺年裝載能力5.4 Mm3/（臺·a）。由于背斜區(qū)域煤層傾角較大，首采區(qū)背斜區(qū)段煤層傾角經(jīng)測算平均為11.5°，電鏟作業(yè)時能力必然有所下降。電鏟在背斜段掘溝能力計算示意圖如2。

圖2 電鏟在背斜區(qū)段掘溝能力計算示意圖

綜合區(qū)域一、區(qū)域二計算，電鏟在背斜區(qū)段掘溝時的實際能力系數(shù)Q為：

式中：S1為區(qū)域1的面積；S2為區(qū)域2的面積；Q1為區(qū)域1的能力系數(shù)；Q2為區(qū)域2的能力系數(shù)。

經(jīng)計算Q=85.9%。掘溝設(shè)備的數(shù)量主要由電鏟的最小工作線長度和實際掘溝工作線決定。PH2800XP電鏟的年能力為540萬m3／a。作業(yè)分區(qū)為采裝、待爆、穿孔3個區(qū)。采掘帶寬度為40 m，臺階高度為15 m，每一區(qū)按照挖掘機10 d爆破量來確定，則計算挖掘機的工作線長度為1 000 m。

根據(jù)所得的電鏟能力及工作線長度，再計算出每下延1個臺階的出入溝及開段溝工程量，就可計算出每個臺階的下延速度。

此方案每年可以下延的臺階數(shù)量平均為2.64個，通過分析過背斜期間各個臺階的下延速度可知，從1 195 m水平降深到1 075 m水平這8個臺階的下延速度受背斜影響最大，該階段每個臺階下延需要的時間都超過4個月，年下延臺階數(shù)小于3個。故按照工作幫坡角計算該區(qū)段年降深的出煤量就能確定出下延速度對開采規(guī)模的限制，過背斜時按照3個臺階的下延速度的下延，每3個臺階下延的出煤量見表4，陡幫方案能力及過背斜時間計算見表5。

由上表可知合并2臺階方案的受限最大規(guī)模可達16.36 Mt／a。

表4 3個臺階下延水平速度計算表

表5 陡幫方案能力及過背斜時間計算

2.5.2 設(shè)備能力對規(guī)模的限制

根據(jù)安太堡生產(chǎn)現(xiàn)狀，安太堡露天礦穿孔設(shè)備在用14臺，DMH90鉆機8臺，CDM75E電鉆機1臺，DML油鉆機1臺，D245S鉆機臺，外包小鉆4臺，自營采裝設(shè)備在用12臺，運輸設(shè)備在用98臺，PH2800XP7臺，994前裝機1臺，685E卡車11臺，730E卡車27臺，789C卡車9臺，R190卡車11臺；PH4100XPC電鏟4臺，還有與之配套的930E卡車40臺。

根據(jù)安太堡礦提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)安太堡礦提供的數(shù)據(jù)，截止2014年9月份，安太堡自營設(shè)備的年穿爆能力約為144.30 m3，年采裝能力約為128.00 Mm3，年運輸能力在運距2.61 km、提升高度103 m的情況下約為120.26 Mm3。

由于受運距及提升高度變化的影響，年運輸能力受到影響較大。方案平均運距為5.02 km、提升高度229.30 m，故較2014年運輸能力平均將下降約50%。故年運輸能力平均為6 000萬m3。

由于一定程度的運輸能力不足可以通過外包的途徑解決，故設(shè)備對開采規(guī)模的限制優(yōu)先考慮穿爆能力和采裝能力。安太堡的采裝能力小于穿爆能力，故優(yōu)先計算年采裝能力下的開采規(guī)模。

由方案的剝采比均衡結(jié)果圖可知經(jīng)過均衡后正常生產(chǎn)時期的最大剝采比為6.91 m3/t。又剝離量中的巖石屬于自營剝離，而松散層則外包處理，按照均衡剝采比6.91 m3/t，則有：

式中：Y為最大生產(chǎn)規(guī)模，Mm3/a；Qb為2014年自營和外包采裝設(shè)備的年能力，取128 Mm3／a。

計算得最大生產(chǎn)規(guī)模為Y=16.95 Mm3／a。

由下延速度對規(guī)模的限制和設(shè)備能力對規(guī)模的限制2方面進行計算論證，可本方案生產(chǎn)規(guī)模受下延的速度影響超過受設(shè)備能力的影響，最大規(guī)模為16.95 Mt／a。

安太堡現(xiàn)處于過背斜區(qū)最困難期間，在此期間補欠量需增加大量礦用自卸卡車及采裝設(shè)備，同時土場空間將進一步緊張，生產(chǎn)成本增加。因此不太現(xiàn)實，計劃剝離欠量在4＃煤走平后，在2020年開始開始均衡前期的剝離欠量[8]。2019年欠剝離1 300萬m3；2020年補剝離180萬m3；2021年補剝離583萬m3；2022年補剝離3 450萬m3；2023年補剝離2 145萬m3。

3 結(jié)語

通過對組合臺階法在安太堡露天礦的應(yīng)用探討，可以看出在覆蓋層剝離量和自然剝采比較大的礦山生產(chǎn)時期，通過在礦坑采用陡幫開采方式，一定時期內(nèi)也可以提高礦山的原煤生產(chǎn)能力，確保原煤產(chǎn)量較穩(wěn)定地實現(xiàn)接續(xù)。采用陡幫開采是緩解礦山特殊開采時期成本高、解決內(nèi)排空間不足和降低剝采比的有效措施。