安家?guī)X露天礦二采區(qū)北幫重復(fù)剝離采深優(yōu)化

威 華，武成權(quán)，郭 帥

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

通常大型和特大型近水平及緩傾斜露天礦受產(chǎn)能、推進強度、設(shè)備能力征地費用、資源開采利用的時間價值等因素的限制，需要將露天礦田劃分為若干個采區(qū)，然后依次進行分區(qū)開采。而分區(qū)以后，采區(qū)間經(jīng)常要面臨各采區(qū)之間壓幫與重復(fù)剝離問題，即前一采區(qū)實現(xiàn)內(nèi)排后，內(nèi)排土場會將相鄰采區(qū)的一側(cè)端幫掩埋，當開采相鄰采區(qū)時，如果要回收首采區(qū)壓幫內(nèi)排下的三角煤，就需要重復(fù)開挖內(nèi)排土場，進行二次剝離[1-4]。一般而言，在首采區(qū)實現(xiàn)內(nèi)排的同時，就會對采區(qū)間壓幫方式和壓幫高度進行驗算，確定最佳經(jīng)濟效益下壓幫內(nèi)排高度以及相應(yīng)的內(nèi)排程序等[5]。國內(nèi)學(xué)者目前已經(jīng)對壓幫內(nèi)排高度即重復(fù)剝離深度進行了深入研究，顧正洪[6]等應(yīng)用相關(guān)費用最小法得出了不同條件下最佳壓幫高度的取值范圍；趙俊[7]等人分析了近水平露天礦分區(qū)開采時全壓幫、半壓幫以及全留溝內(nèi)排的特點，通過模型得到最佳留溝深度，其模型較為簡單，未涉及重復(fù)剝離深度；趙彥合[1]等通過定義三角煤剝采比，建立了三角煤最佳采深的計算模型，確定平朔東露天礦全壓幫內(nèi)排條件下三角煤回收的最佳采深；蔡光琪[8]等人結(jié)合平朔東露天礦的實際地質(zhì)條件建立了該礦的半壓幫內(nèi)排模型，對東露天礦4#和9#煤層采用半壓幫內(nèi)排時的運輸費用和二次剝離費用進行了分析，提出了9#煤全部采出的留溝方案。但針對露天礦采區(qū)轉(zhuǎn)向后回收前采區(qū)端幫壓煤時的重復(fù)剝離合理采深及相應(yīng)資源回收的經(jīng)濟合理性問題研究相對較少。安家?guī)X露天礦首采區(qū)開采完畢轉(zhuǎn)向進入二采區(qū)后，回收端幫煤量時不可避免的要對首采區(qū)內(nèi)排土場進行二次剝離的問題，因此針對安家?guī)X露天礦首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向以后存在的壓幫二次剝離與資源回收問題，根據(jù)不同二次剝離的延深位置比較各個方案的的經(jīng)濟合理性，確定回收端幫煤時最佳的二次剝離采深，從而為安家?guī)X露天礦確定在首采區(qū)壓幫內(nèi)排條件下二采區(qū)北幫三角煤回收的最佳采深。

1 礦山概況

安家?guī)X露天礦礦區(qū)共劃分為3 個采區(qū)，首采一采區(qū)，然后開采二采區(qū)和后備區(qū)。首采區(qū)選擇在安二勘探區(qū)的西北部，與安太堡露天礦Ⅱ、Ⅲ采區(qū)毗鄰；拉溝位置為安太堡露天礦Ⅰ坑?xùn)|幫，首采區(qū)采場由西向東推進到界后轉(zhuǎn)向進入二采區(qū)開采[9]。安家?guī)X露天礦采區(qū)劃分圖如圖1。

圖1 安家?guī)X露天礦采區(qū)劃分圖

目前安家?guī)X露天礦工作面已經(jīng)推進到首采區(qū)東部境界附近，上部表土剝離已經(jīng)轉(zhuǎn)移到二采區(qū)，巖石臺階也陸續(xù)靠界逐步向二采區(qū)轉(zhuǎn)移，當工作面全部轉(zhuǎn)移到二采區(qū)后向西推進時，二采區(qū)的北幫位置即為首采區(qū)南幫。根據(jù)安家?guī)X露天礦首采區(qū)內(nèi)排土場設(shè)計，安家?guī)X礦南部土場排棄形式為壓幫內(nèi)排，壓幫內(nèi)排最高標高為+1 330 m。在二采區(qū)開采時，若要回收首采區(qū)壓幫內(nèi)排下部的端幫壓煤，就需要重新開挖首采區(qū)南部壓幫內(nèi)排土場，進行二次剝離，產(chǎn)生二次剝離費用。因此需要對回收端幫壓煤的經(jīng)濟效益進行分析驗算，以確定合理的二次剝離采深位置。

2 二采區(qū)北幫重復(fù)剝離采深方案比選

2.1 方案比較模型

根據(jù)端幫壓煤回收的方式可知，二采區(qū)回采時，回收的首采區(qū)端幫壓煤越多，重復(fù)剝離采深越深，二次剝離量越大，煤炭損失越小。因此，比較各方案的二次剝離費用、煤炭損失的費用及內(nèi)排運輸費用和即可選定二采區(qū)北幫重復(fù)剝離采深方案。

式中：Y 為回收端幫煤二次剝離、煤炭損失費用與內(nèi)排運輸費用之和，元；Yb為首采區(qū)土場二次剝離費用，元；Ym為端幫壓煤損失利潤，元；Yy為內(nèi)排運輸費用，元。

同時根據(jù)露天礦各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本以及近期煤炭銷售價格，可以計算各方案的剝離成本以及煤炭損失利用，二次剝離費用Yb、端幫煤損失利潤Cm和內(nèi)排運輸費用Yy計算如下：

式中：Qb為二次剝離量，m3；Cb為二次剝離成本，元/m3；Qm為煤炭損失量，t；Cy為運輸成本，元/（m3·m）；l為二次剝離運距，m；P 為近期坑口煤價；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及近期煤價，此處煤炭價格取200 元/t。

2.2 方案1

受首采區(qū)壓幫內(nèi)排影響，想要回收首采區(qū)南部端幫所有煤層的端幫壓煤，需要從首采區(qū)南幫所壓的11#煤底板處布置二采區(qū)北端幫，重復(fù)剝離采深延深到11#煤底板，由于此時北幫處于首采區(qū)內(nèi)排土場，會形成散體邊坡，所以考慮到安全的因素留出50 m 的安全距離，同時北幫臺階坡面角取物料自然安息角35°，運輸平臺寬度取40 m，最終形成21°（20.5°）的端幫角。重復(fù)剝離采深延深到11#煤底板方案剖面圖如圖2。

圖2 重復(fù)剝離采深延深到11#煤底板方案剖面圖

由圖2 可知，方案1 北幫運輸系統(tǒng)全部布置在首采區(qū)內(nèi)排土場，需要開挖的首采區(qū)土場范圍廣，二次剝離量大，同時根據(jù)方案的設(shè)置，建立三維模型進行工程量計算，可知回收全部端幫煤二次剝離量為3 158 萬m3，二次剝離費用為10 674 萬元，二次剝離運輸費用為12 401 萬元。方案1 端幫壓煤全部回收，無煤炭損失利潤。方案1 各項費用統(tǒng)計為：①二次剝離量：3.16×107m3；②煤炭損失量：0 t；③剝離單位成本：3.38 元/m3；④運距：2 100 m；⑤運輸成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥噸煤售價：200 元/t；⑦二次剝離費用：1.07×108元；⑧運輸費用：1.24×108元；⑨煤炭損失利潤：0 元；⑩費用合計：2.31×108元。

2.3 方案2

將二采區(qū)北端幫底部布置在首采區(qū)南幫所壓的9#煤底板處，重復(fù)剝離采深延深到9#煤底板，可以回收首采區(qū)南端幫9#煤和4#煤的端幫壓煤，類似于方案1，此時在9#煤底板以上北幫處于首采區(qū)內(nèi)排土場，會形成散體邊坡，同樣考慮安全因素，留出50 m 的安全距離，同時北幫的散體端幫臺階坡面角取物料自然安息角35°，運輸平臺寬度取40 m，最終形成21°（20.5°）的端幫角。而9#煤底板以下到11#煤，此部分端幫為原始地層開挖端幫，根據(jù)安家?guī)X露天礦采煤設(shè)計，進行靠幫開采，4#煤以下端幫只留設(shè)保安平盤，平盤寬度取10 m，臺階坡面角70°。重復(fù)剝離采深延深到9#煤底板剖面圖如圖3。

圖3 重復(fù)剝離采深延深到9#煤底板方案剖面圖

由圖3 可知，重復(fù)剝離采深延深到9#煤底板，會將北端幫下的11#煤三角量損失，而在9#煤底板以上，會形成二次剝離量。通過方案建立的三維模型對方案工程量計算，可以得到首采區(qū)土場二次剝離量為2 564 萬m3，煤炭損失量為24.6 萬t，內(nèi)排運距2 060 m；二次剝離費用為8 666 萬元，煤炭損失利潤為4 920 萬元，運輸費用為9 877.04 萬元，方案2 各項費用統(tǒng)計為：①二次剝離量：2.56×107m3；②煤炭損失量：2.46×105萬t；③剝離單位成本：3.38元/m3；④運距：2 060 m；⑤運輸成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥噸煤售價：200 元/t；⑦二次剝離費用：8.67×107元；⑧運輸費用：9.88×107元；⑨煤炭損失利潤：4.92×107元；⑩費用合計：2.35×108元。

2.4 方案3

該方案重復(fù)剝離采深延深到4#煤底板，將二采區(qū)北端幫底部布置在首采區(qū)南幫所壓的4#煤底板處，在4#煤底板以上北幫處于首采區(qū)留溝內(nèi)排土場，會形成散體邊坡，考慮到安全因素，留出50 m 的安全距離，散體物料端幫臺階坡面角取物料自然安息角35°，運輸平臺寬度取40 m，最終形成21°的端幫角。4#煤底板以下到11#煤，此部分端幫為原始地層開挖端幫，與方案2 設(shè)置相同，采用靠幫開采，4#煤以下端幫只留設(shè)保安平盤，平盤寬度取10 m，臺階坡面角70°。復(fù)剝離采深延深到4#煤底板方案剖面圖如圖4。

圖4 重復(fù)剝離采深延深到4#煤底板方案剖面圖

由圖4 可知，方案3 損失的煤量較大，會將最厚煤層9#煤以及11#煤的端幫煤損失，通過建立的三維模型對方案工程量進行計算，共損失煤炭1 146萬t，但是此方案下二次剝離量較少，首采區(qū)土場二次剝離量僅為574 萬m3，內(nèi)排運距1 760 m，二次剝離費用為1 941 萬元，煤炭損失利潤為229 200 萬元，運輸費用為1 879 萬元，方案3 各項費用統(tǒng)計為：①二次剝離量：5.74×106m3；②煤炭損失量：1.15×107萬t；③剝離單位成本：3.38 元/m3；④運距：1 750 m；⑤運輸成本：1.87×10-3元/（m3·m）；⑥噸煤售價：200 元/t；⑦二次剝離費用：1.94×107元；⑧運輸費用：1.88×107元；⑨煤炭損失利潤：2.29×107元；⑩費用合計：2.33×109元。

2.5 方案經(jīng)濟性比較

3 個方案分析對比如圖5，3 個方案費用對比分析見表1。

表1 3 個方案費用對比分析表

圖5 各方案對比剖面圖

通過對3 個方案的分析，可知方案3 二次剝離量很少，同時剝離運距也相對較短，但是煤炭資源損失量較大，相比其他方案要損失1 000 多萬t 煤，煤炭損失利潤較大。而方案2 和方案1 各項指標相差不大，方案1 二次剝離費用和運輸費用比方案2 多，但方案2 存在煤炭資源損失，綜合費用方案2 比方案1 多388 萬元，所以從經(jīng)濟效益方面考慮，方案1最優(yōu)，即重復(fù)剝離采深延深到11#煤底板方案。

3 結(jié)語

1）通過分析安家?guī)X露天礦分區(qū)開采基本情況，針對安家?guī)X首采區(qū)采用壓幫內(nèi)排后，二采區(qū)開采時存在的三角煤損失問題，提出了3 種不同的重復(fù)剝離采深方案。

2）根據(jù)3 個重復(fù)剝離采深方案的設(shè)置條件，對各個方案的二次剝離費用、內(nèi)排運輸費用、煤炭損失利潤等指標進行了分析和比較，其中方案2 次剝離費用和運輸費用最大，總費用最小，重復(fù)剝離采深延深到4#煤底板方案煤炭損失利潤要遠遠大于其他2個方案，總費用最大。

3）通過對3 個方案的經(jīng)濟比較得出重復(fù)剝離采深延深到11#煤底板方案為最優(yōu)，建議采用該方案2，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

4）上述對比僅從采剝、運輸成本以及噸煤利潤進行了比對，并未考慮設(shè)備折舊、維修、人工以及用地還地等因素，實際采深的確定還需加入以上因素做綜合考慮。