勝利一號露天礦扇形轉(zhuǎn)向過渡位置優(yōu)化

楊 日，肖 兵，黃月軍，李永生

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

大型露天煤礦由于受到基建投資、產(chǎn)量規(guī)模、設(shè)備能力、地質(zhì)條件等因素制約多采用分區(qū)開采，而隨著大多數(shù)露天礦的生產(chǎn)推進(jìn)，都正在或即將面臨著采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡的問題。扇形轉(zhuǎn)向過渡作為采區(qū)間的傳統(tǒng)過渡方案，也逐漸被眾多露天礦所應(yīng)用[1-3]。在露天礦采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向位置的不同會導(dǎo)致工作線長度發(fā)生明顯變化。工作線作為露天礦生產(chǎn)作業(yè)的范圍指標(biāo)，影響著設(shè)備布置、設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)、生產(chǎn)剝采比和年推進(jìn)度等環(huán)節(jié)[4]。因此需要對轉(zhuǎn)向過程中的過渡位置進(jìn)行優(yōu)化選取，保證采區(qū)工作幫扇形轉(zhuǎn)向過程中具備合理的作業(yè)條件，實現(xiàn)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)布置和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 礦區(qū)概況

勝利一號露天礦位于錫林浩特市北郊，處在勝利煤田的西南部，露天礦礦權(quán)范圍南北寬4.58 km，東西長7.50 km，總面積34.360 8 km2，儲量為18.42億t。礦山設(shè)計年產(chǎn)量28.00 Mt/a，首采區(qū)工作線長度約為1 500 m，年推進(jìn)度約300 m，勝利一號露天礦開采現(xiàn)狀如圖1。

圖1 勝利一號露天礦開采現(xiàn)狀

勝利一號露天礦煤層呈東西走向，南北傾向，傾角約為1°～3°，首采區(qū)位于煤層淺埋側(cè)，南北方向拉溝，東西方向推進(jìn)，二采區(qū)位于首采區(qū)末端北側(cè)。目前勝利一號露天煤礦首采區(qū)已開采過半，正面臨后續(xù)采區(qū)生產(chǎn)接續(xù)、轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)排空間緊張等一系列問題。

2 扇形過渡過程中工作線演化規(guī)律

扇形過渡是指剝采工作線分別沿著各自的回轉(zhuǎn)中心向著同一方向旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，這一過程中需要調(diào)整工作幫兩側(cè)的作業(yè)強(qiáng)度，改變推進(jìn)過程中工作線布置方向，最終達(dá)到整體轉(zhuǎn)向的目[5]。扇形過渡具有無需重新拉溝、無需移設(shè)作業(yè)設(shè)備、內(nèi)排跟進(jìn)效果好、運(yùn)距短等優(yōu)點。

在首采區(qū)開采即將到界時，剝采工作線需要沿著回轉(zhuǎn)中心順時針旋轉(zhuǎn)90°向北旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過渡到二采區(qū)。由于二采區(qū)范圍較小，因此需要連續(xù)轉(zhuǎn)向，剝采工作線繼續(xù)沿著各自的回轉(zhuǎn)中心順時針旋轉(zhuǎn)90°向東旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，將二采區(qū)過渡到三采區(qū)。整體的扇形轉(zhuǎn)向過程計劃完成年限為20 年，扇形轉(zhuǎn)向角度為180°，地區(qū)跨度為首采區(qū)末端、整個二采區(qū)和部分三采區(qū)。

采區(qū)180°扇形轉(zhuǎn)向過渡過程中，工作線長度會隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而改變，具體變化與一、三采區(qū)工作線長度、轉(zhuǎn)向位置和旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)。除此之外，工作線的軸部和端部開采強(qiáng)度差異明顯，轉(zhuǎn)向期間扇形端部工作幫的推進(jìn)度約為650 m，軸部的工作幫推進(jìn)度約為40 m，工作線的一端基本處于不作業(yè)狀態(tài)，有效工作線長度要小于設(shè)計工作線長度。

如果在保持原有產(chǎn)量不變的前提下完成轉(zhuǎn)向，則需要保持充足的有效工作線長度和合適的年推進(jìn)度。目前工作幫坡頂線距離礦權(quán)界邊界距離約為2 km，盡早確定轉(zhuǎn)向位置，保證轉(zhuǎn)向期間生產(chǎn)設(shè)備具有充足的作業(yè)環(huán)境以滿足年度生產(chǎn)計劃的需求是亟待解決的問題。扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線變化如圖2。

圖2 扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線變化

扇形轉(zhuǎn)向期間的工作線長度變化較大，具體變化與原工作線長度、轉(zhuǎn)向開始位置、轉(zhuǎn)向角度等因素有關(guān)，具體可通過式（1）計算：

式中：x 為工作線長度，km；l1為一采區(qū)寬度，km；l3為三采區(qū)寬度，km；la為轉(zhuǎn)向位置距首采區(qū)末距離，km；ω 為采區(qū)轉(zhuǎn)向角度，（°）。

通過式（1）可知，轉(zhuǎn)向過程可以分為4 個階段，其中2 個階段的工作線長度與轉(zhuǎn)向位置直接相關(guān)，其余2 個扇形轉(zhuǎn)向階段內(nèi)的工作線長度分別由首采區(qū)和三采區(qū)的工作線長度決定。在扇形轉(zhuǎn)向過程中的各個階段，每個階段的工作線長度始終大于其基礎(chǔ)工作線長度（l1、l2、la），但是由于有效工作線長度只占實際工作線的一部分，因此在實際生產(chǎn)過程中需要綜合考慮有效工作線部分。

以扇形轉(zhuǎn)向第1 階段的5＃煤工作線為例進(jìn)行分析，則在初始扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線長度變化為x＝1 500/cosω。在0～90°和90°～180° 2 個區(qū)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)向角ω 的增長，工作線長度x 都呈現(xiàn)出先增大然后減小的趨勢，如果la不小于初始工作線長度1 500 m，則工作線長度x 在轉(zhuǎn)向過程中同樣不小于1 500 m。在扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線兩端推進(jìn)強(qiáng)度差異較大，存在推進(jìn)度較小的死幫區(qū)域，在實際設(shè)備布置和生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)中，需要區(qū)分這部分死幫區(qū)域。因此將推進(jìn)度大于正常年推進(jìn)度1/2 的工作線部位稱為有效工作線長度，有效工作線長度反映出扇形轉(zhuǎn)向過程中主要作業(yè)區(qū)域。結(jié)合設(shè)計的工作線扇形轉(zhuǎn)向過程形態(tài)可知，扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線的有效長度約為總工作線長度的3/4，即3x/4。扇形轉(zhuǎn)向過程中由于工作線的長短變化，使得有效工作線存在低于1 500 m 的時期。有效工作線示意圖如圖3。

圖3 有效工作線示意圖

3 合理轉(zhuǎn)向位置優(yōu)化

為了保證露天礦產(chǎn)能，當(dāng)工作線長度發(fā)生變化時，年推進(jìn)度、年扇形旋轉(zhuǎn)角度數(shù)、剝采比等都會發(fā)生變化，不同工作線長度下條件下的年剝離費(fèi)用也有所差異[6-8]。因此需要結(jié)合現(xiàn)場實際，通過確定合理的采區(qū)轉(zhuǎn)向位置維持的經(jīng)濟(jì)合理的工作線長度。工作線長度短、采區(qū)資源儲量少、服務(wù)年限短、轉(zhuǎn)向周期短，工作線長度長、采區(qū)資源量多、服務(wù)年限長、轉(zhuǎn)向周期長。

年剝離成本y 主要由爆破、采掘、運(yùn)輸、排土等幾部分組成，具體計算方法為：

式中：AP為礦山年產(chǎn)量，t/a；H 為剝離層厚度，m；h 為煤層厚度，m；β 為端幫幫坡角，（°）；C1為穿孔爆破、采裝、排土費(fèi)用，元/m3；C2為綜合運(yùn)輸費(fèi)用，元/（m3·km）；a 為排棄路線系數(shù)，取雙環(huán)時a＝1；b 為排棄影響距離，取決于端幫運(yùn)輸，km；ρ 為煤的密度，t/m3；x 為工作線長度，m。

其中，排棄影響距離b 公式如下：

式中：φ 為工作幫坡角，（°）；α 為內(nèi)排土場幫坡角，（°）；m 為坑底安全距離，km。

年剝離成本計算的具體參數(shù)見表1。

表1 年剝離成本計算參數(shù)

目前首采區(qū)工作線長度約為1.5 km，在扇形轉(zhuǎn)向過程中，工作線長度在此基礎(chǔ)上增加，會因煤層傾向（向北傾斜下降）導(dǎo)致開采深度的增加，故而影響生產(chǎn)剝采比，進(jìn)而引起剝離及采煤運(yùn)輸距離增加。如果首采區(qū)工作線長度在現(xiàn)有1.5 km 長度基礎(chǔ)上縮短，為保證礦山年產(chǎn)量，需要增加首采區(qū)的推進(jìn)速率，同時使首采區(qū)服務(wù)年限變短，采區(qū)轉(zhuǎn)向工程提前。首采區(qū)不同工作線長度下年剝離費(fèi)用如圖4。

圖4 首采區(qū)不同工作線長度下年剝離費(fèi)用

由圖4 可知首采區(qū)剝離費(fèi)用隨著工作線長度的增大呈現(xiàn)出先減小然后增大的趨勢，其中年剝離費(fèi)用最低點為工作線1.2 km 時，年剝離費(fèi)用526 97萬元。扇形轉(zhuǎn)向8～10 年以后，工作幫會推進(jìn)到二采區(qū)位置，二采區(qū)工作線長度一方面與扇形轉(zhuǎn)點位置有關(guān)，一方面與二采區(qū)范圍大小有關(guān)。二采區(qū)不同工作線長度下的年剝離費(fèi)用如圖5。

圖5 二采區(qū)不同工作線長度下的年剝離費(fèi)用

對于二采區(qū)來說，工作線長度與剝離成本之間同樣呈現(xiàn)先逐漸減小后增大的關(guān)系。經(jīng)對比分析，二采區(qū)工作線長度1.5～1.7 km 之間年剝離費(fèi)用較低，轉(zhuǎn)向位置距離境界的距離與二采區(qū)轉(zhuǎn)向過程中的工作線長度有關(guān)，其中工作線長度為1.6 km 時二采區(qū)的年剝離費(fèi)用最低。采區(qū)轉(zhuǎn)向的過程需要結(jié)合首采區(qū)和二采區(qū)全工作線長度進(jìn)行優(yōu)化。轉(zhuǎn)向點位置影響區(qū)域的年剝離費(fèi)用如圖6。

圖6 轉(zhuǎn)向點位置影響區(qū)域的年剝離費(fèi)用

隨著露天礦工作幫的扇形轉(zhuǎn)向點的前移，扇形轉(zhuǎn)向第2、第3 階段總的平均年剝離費(fèi)用表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，最佳的經(jīng)濟(jì)效益點為1.5 km處，鄰近區(qū)域內(nèi)剝離費(fèi)用相差較小，因此建議選取1.4～1.6 km 范圍作為扇形轉(zhuǎn)向工作的起始轉(zhuǎn)向點。

4 結(jié)語

1）根據(jù)采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向過程中工作線的變化規(guī)律可以將其劃分為4 個階段，工作線長度在轉(zhuǎn)向過程中的各個階段都大于等于l 或la，但有效工作線長度只有實際工作線長度的3/4。

2）扇形轉(zhuǎn)向位置的選擇一方面影響著轉(zhuǎn)向期間的開采區(qū)域，另一方面影響著轉(zhuǎn)向過程中2 個階段的工作線長度。通過結(jié)合首采區(qū)和二采區(qū)既定產(chǎn)量不同工作線長度條件下的年剝離費(fèi)用，優(yōu)化出合理的采區(qū)轉(zhuǎn)向位置，可實現(xiàn)扇形轉(zhuǎn)向期間的最佳效益。