勝利一號露天煤礦采區(qū)過渡方式研究

張 洪，蔡忠超

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

近幾年，我國煤炭露天開采比重逐步提升，約占全國開采量的20%。根據(jù)不同的區(qū)域煤巖賦存狀況，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2 個角度考慮將露天礦開采境界范圍內(nèi)劃分若干個分區(qū)，在分區(qū)進(jìn)行開采時要按照已經(jīng)確定好的順序和采區(qū)進(jìn)行開采，直到礦田開采全部結(jié)束，大多數(shù)的露天大面積水平及緩傾斜礦區(qū)在開采時均采用這種類似方法[1]。露天礦“采區(qū)過渡方式”是指一個采區(qū)開采即將終了時，轉(zhuǎn)向其它采區(qū)繼續(xù)進(jìn)行開采，其過渡時應(yīng)該保證生產(chǎn)接續(xù)，因此，各采區(qū)之間的過渡方式不僅決定著礦山工程的發(fā)展銜接是否順利，又決定著礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。采區(qū)過渡方式的選擇通常應(yīng)考慮開采工藝、各年度生產(chǎn)剝采比、內(nèi)排土場建立容量的及時性，外排土場選擇、平均工作線長度、設(shè)備的調(diào)動、剝離（采煤）的綜合運(yùn)距及年度生產(chǎn)規(guī)模等因素，對過渡期間露天礦總體的經(jīng)濟(jì)效益有著根本性的影響[3]。

1 勝利一號露天礦生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 開采順序

勝利一號露天煤礦坑底境界[4]東西長6.14～7.35 km，南北寬4.79～5.50 km，露天礦采區(qū)劃分為首采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)，采區(qū)劃分示意圖如圖1。

圖1 采區(qū)劃分示意圖

南部境界以采礦權(quán)邊界為地表境界，按19°幫坡角下推至6＃煤底板確定深部境界；首采區(qū)范圍內(nèi)西部境界以采礦權(quán)邊界作為地表境界，按18°幫坡角下推至6＃煤底板確定深部境界；二采區(qū)西部境界以采礦權(quán)邊界作為地表境界，按5＃煤之上13°、5 號煤之下17°幫坡角下推至6＃煤底板確定深部境界；北部境界以采礦權(quán)邊界作為地表境界，按5＃煤之上13°、5＃號煤之下17°幫坡角下推至6＃煤底板確定深部境界；東部境界三采區(qū)部分以采礦權(quán)邊界作為地表境界，按5＃煤之上14°、5＃煤之下16°幫坡角下推至6＃煤底板確定深部境界。

1.2 過渡區(qū)煤層賦存狀況

目前露天開采區(qū)域在首采區(qū)，涉及轉(zhuǎn)向過渡區(qū)域為二、三采區(qū)，過渡區(qū)開采煤層為5＃、5 下、6－1、6＃，煤層厚度分別為5＃煤13.66 m，5 下煤4.05 m，6－1煤1.08 m，6＃煤31.10 m，煤層傾角均小于5°。各采區(qū)煤巖賦存情況見表1。

表1 各采區(qū)煤巖賦存情況

1.3 開采工藝

露天礦采煤采用單斗－卡車－半固定式破碎站（地面）－帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝，剝離采用單斗－卡車間斷工藝，2020 年核準(zhǔn)工程規(guī)模為28.0 Mt/a。按內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭工業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃、國家能源關(guān)于根據(jù)國家、地方政府的煤炭工業(yè)政策及未來的發(fā)展趨勢，考慮露天礦鉆爆、剝離業(yè)務(wù)逐步實現(xiàn)全部自營的文件精神要求，結(jié)合本礦剝離工藝建立智能、連續(xù)、低碳、清潔生產(chǎn)示范工程角度考慮，剝離工藝亦采用半連續(xù)（或局部連續(xù)）為主、間斷工藝為輔的綜合開采工藝。

2 采區(qū)過渡形式及影響因素

采區(qū)過渡方式如圖2。

圖2 采區(qū)過渡方式

一般根據(jù)在采區(qū)轉(zhuǎn)向過的程中是否要重新拉溝，將露天礦采區(qū)過渡方式可分為連續(xù)式和間斷式2 類[5-6]：①連續(xù)式為在原有采掘場作業(yè)空間內(nèi)對新的接續(xù)開采采區(qū)進(jìn)行演化發(fā)展，具有剝離和采煤工作連續(xù)作業(yè)；②間斷式為在作業(yè)采區(qū)的剝離工作幫即將到達(dá)開采境界時，依據(jù)賦存條件的優(yōu)越比較，在另外一采區(qū)重新拉溝，形成新的剝離區(qū)域，原采區(qū)接續(xù)靠幫作業(yè)，與新采區(qū)的拉溝作業(yè)互相獨(dú)立、不干擾。

連續(xù)式又可按新采區(qū)工作面形成的位置劃分“L”型緩幫和扇形轉(zhuǎn)向2 種：①“L”型緩幫是把即將到開采境界的剝離工作幫的推進(jìn)方向改變90°，開采到新采區(qū)工作幫的過程；②扇形轉(zhuǎn)向是將剝離和采煤工作面繞某一轉(zhuǎn)軸區(qū)間進(jìn)行內(nèi)外工作面不等幅開采，形成扇形推進(jìn)，工作臺階外側(cè)推進(jìn)強(qiáng)度將大于內(nèi)側(cè)推進(jìn)強(qiáng)度[7]。連續(xù)式過渡方式具有過渡自然、運(yùn)距相對短、不存在重新拉溝開拓、無基建工程量（或追加工程量較?。?、可保證生產(chǎn)規(guī)模等優(yōu)點，而重新拉溝方式，在原采區(qū)和新拉溝區(qū)域之間生產(chǎn)干擾小或無干擾，但一般存在基建工程量大的缺點，特別是存在需要新增外排土場（需征地）的“致命”缺點。

采區(qū)過渡方式應(yīng)考慮開采工藝、均衡生產(chǎn)剝采比、年度生產(chǎn)規(guī)模、內(nèi)排土場總?cè)萘?、平均工作線長度、煤巖綜合運(yùn)距及外排征地指標(biāo)等因素。其中在不考慮外排征地指標(biāo)（屬于政策性因素）時，在外排指標(biāo)相同條件下，要充分考慮上述經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，直接體現(xiàn)的是各種轉(zhuǎn)向過渡方式的技術(shù)、管理、成本等的優(yōu)劣。

3 過渡方案研究

3.1 間斷式（重新拉溝）轉(zhuǎn)向過渡

一般情況下，原作業(yè)采區(qū)和重新拉溝采區(qū)互不干擾，但重拉溝需要剝離量外排解決，且2 個采區(qū)同時作業(yè)帶來設(shè)備數(shù)量增加[8]。本礦采區(qū)過渡方案如采用優(yōu)化的重新拉溝方案，需新增基建工程量約450 Mm3，追加基建投資巨大，同時需要建設(shè)外排土場，且不能實現(xiàn)連續(xù)內(nèi)排。因此，重新拉溝方案從政策、經(jīng)濟(jì)角度難以實現(xiàn)。

3.2 方案1-連續(xù)式“L”型過渡方案

首采區(qū)地表剝離工作線采用平行推進(jìn)，推進(jìn)至西北境界后，首采區(qū)向二采區(qū)的轉(zhuǎn)向采取緩幫過渡的方式，接續(xù)推進(jìn)至二采區(qū)。首采區(qū)剝離工作線上部地表剝離臺階到開采境界后，逐步緩西幫地表上部的剝離臺階，實現(xiàn)“即到即緩、到一緩一”，最終實現(xiàn)由向南推進(jìn)緩幫至向西推進(jìn)，完成轉(zhuǎn)向并形成西部工作幫，后續(xù)內(nèi)排跟進(jìn)到二采區(qū)范圍時，內(nèi)排土場工作面與二采區(qū)端幫留溝。二采區(qū)向三采區(qū)過渡方式與首采區(qū)向二采區(qū)過渡方式基本相同，按照以上過程推進(jìn)轉(zhuǎn)向一次即可完成180°轉(zhuǎn)向。連續(xù)式“L”型過渡方案轉(zhuǎn)向演化過程如圖3。

圖3 連續(xù)式“L”型過渡方案轉(zhuǎn)向演化過程

勝利一號露天煤礦2020 年已實現(xiàn)20.0 Mt/a 生產(chǎn)規(guī)模，2022 年為28.0 Mt/a 生產(chǎn)規(guī)模達(dá)產(chǎn)的第1年，剝離工作線現(xiàn)向西南推進(jìn)；2026 年為轉(zhuǎn)向過渡第5 年，采場形態(tài)如圖3（a），2026 年采剝工作線平行向西北推進(jìn)，內(nèi)排土場跟進(jìn)排棄，期間實現(xiàn)采煤140.0 Mt，累計剝離量為775 Mm3，其中內(nèi)排土場跟蹤排棄677 Mm3，需要外排至新增加的東排土場剝離量為98 Mm3，西北幫未向二采區(qū)實現(xiàn)緩幫，采掘、運(yùn)輸、排棄環(huán)節(jié)均在首采區(qū)作業(yè)。

2031 年為達(dá)產(chǎn)后第10 年，采場形態(tài)如圖3（b），剝離工作線推進(jìn)方向由向西北推進(jìn)緩幫轉(zhuǎn)向北進(jìn)，采剝工作面已經(jīng)全部緩幫到二采區(qū)開采，地表剝離已經(jīng)延展到二采區(qū)沿幫排土場，期間實現(xiàn)采煤量140.0 Mt，累計剝離量為1 432.0 Mm3，內(nèi)排及時跟進(jìn)，全部實現(xiàn)內(nèi)排，采掘、運(yùn)輸在二采區(qū)，排棄環(huán)節(jié)在首采區(qū)。

2036 年為達(dá)產(chǎn)后的第15 年，采場形態(tài)如圖3（c），推進(jìn)方向為繼續(xù)向北推進(jìn)，內(nèi)排跟進(jìn)，期間實現(xiàn)采煤量140.0 Mt，累計剝離量為2 137.0 Mm3，內(nèi)排及時跟進(jìn)累計排棄量為1 687.0 Mm3，新增沿幫排土場排棄量為450 Mm3，采掘、運(yùn)輸環(huán)節(jié)布置在二采區(qū)，排棄區(qū)域布置在二采區(qū)和三采區(qū)的西北部。

2041 年為達(dá)產(chǎn)后第20 年，采場形態(tài)如圖3（d），工作幫向西北推進(jìn)到北部境界后，緩幫向北推進(jìn)，剝離工作線已拓展至三采區(qū)沿幫排土場之外，內(nèi)排及時跟進(jìn)，期間實現(xiàn)采煤量140.0 Mt，累計剝離量2 137 Mm3，內(nèi)排跟進(jìn)累計排棄為1 687 Mm3，新增沿幫排土場排棄量為450 Mm3，采掘、運(yùn)輸環(huán)節(jié)布置在二采區(qū)，排棄區(qū)域布置在二采區(qū)和三采區(qū)的西北部。

3.3 方案2－連續(xù)式扇形過渡方案

剝離和采煤工作線沿著首采區(qū)和三采區(qū)的中間轉(zhuǎn)軸沿著同一方向（西南）內(nèi)外工作面不等幅推進(jìn)開采（外側(cè)推進(jìn)強(qiáng)度大于內(nèi)側(cè)推進(jìn)強(qiáng)度），即首采區(qū)剝采工作線沿著回轉(zhuǎn)中心范圍順時針旋轉(zhuǎn)90°，向北旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，逐步過渡到二采區(qū)，采煤工作線由原來向西南方向推進(jìn)轉(zhuǎn)到向西北推進(jìn)。在二采區(qū)即將結(jié)束時，剝采工作線分別沿著各自的回轉(zhuǎn)中心順時針旋轉(zhuǎn)90°，向東旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，工作幫由二采區(qū)過渡到三采區(qū)，整體完成180°轉(zhuǎn)向。連續(xù)式扇形過渡方案轉(zhuǎn)向演化過程如圖4。

圖4 連續(xù)式扇形過渡方案轉(zhuǎn)向演化過程

勝利一號露天煤礦2020 年已實現(xiàn)20.0 Mt/a 生產(chǎn)規(guī)模，2022 年為28.0 Mt/a 規(guī)模達(dá)產(chǎn)的第1 年，采掘、運(yùn)輸、排棄環(huán)節(jié)均在首采區(qū)作業(yè)。2026 年為達(dá)產(chǎn)后第5 年，采場形態(tài)如圖4（a），按達(dá)產(chǎn)規(guī)模計算扇形軸部推進(jìn)約45 m，端部按最大推進(jìn)度為650 m 考慮，內(nèi)排土場及時跟進(jìn)，期間實現(xiàn)采煤量140.0 Mt，累計剝離量為768 Mm3，其中內(nèi)排土場跟蹤排棄量為690 Mm3，需要外排至新增設(shè)的東排土場（排土容量78 Mm3），剝離工作線已扇形過渡到二采區(qū)，5＃煤層開采已推進(jìn)二采區(qū)，6＃煤層開采仍在首采區(qū)。

2031 年為達(dá)產(chǎn)后第10 年，采場形態(tài)如圖4（b），剝離工作線推進(jìn)方向已扇形轉(zhuǎn)向超過90°，地表剝離已延展到二采區(qū)沿幫排土場西北部，5＃、6＃煤層已采至二采區(qū)，完成首采區(qū)向二采區(qū)扇形轉(zhuǎn)向，期間實現(xiàn)采煤140.0 Mt，累計剝離量為1 400 Mm3，內(nèi)排及時跟進(jìn)，內(nèi)排空間充足，采掘、運(yùn)輸環(huán)節(jié)布置在二采區(qū)，排棄環(huán)節(jié)布置在首采區(qū)。

2036 年為達(dá)產(chǎn)后第15 年，采場形態(tài)如圖4（c），地表采剝工作線延展到三采區(qū)沿幫排土場，采煤工作線已扇形轉(zhuǎn)向約135°，由于二、三采區(qū)煤層賦存深度增加，且三采區(qū)地表有沿幫排土場，需二次剝離，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中剝采比增加、剝離工作線長度加大，而跟進(jìn)的內(nèi)排土場排土工作線減小，導(dǎo)致期間內(nèi)排空間嚴(yán)重不足。在考慮新增東排土場基礎(chǔ)上，在三采區(qū)北部（最后開采區(qū)域）增設(shè)外排土場，期間采煤量140.0 Mt，累計剝離量為2 090 Mm3，內(nèi)排及時跟進(jìn)累計排棄量為1 989 Mm3，新增沿幫排土場排棄量為101 Mm3，采掘、運(yùn)輸環(huán)節(jié)布置在三采區(qū)，排棄區(qū)域布置在二采區(qū)、首采區(qū)以及新增設(shè)的東排土場。

2041 年為達(dá)產(chǎn)后第20 年，采場形態(tài)如圖4（d），地表剝離工作線、采煤工作線已經(jīng)扇形轉(zhuǎn)向180°，采煤工作線已采至三采區(qū)，完成了采區(qū)接續(xù)扇形轉(zhuǎn)向過程，期間實現(xiàn)采煤量140.0 Mt，累計剝離量為2 137 Mm3，內(nèi)排跟進(jìn)累計排棄量為1 687 Mm3，新增的沿幫排土場排棄量為450 Mm3，采掘、運(yùn)輸環(huán)節(jié)布置在二采區(qū)，排棄區(qū)域布置在二采區(qū)和三采區(qū)的西北部。

3.4 方案對比

2 種方案技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表2。

方案2 可避免重新拉溝、不產(chǎn)生新增基建量，節(jié)約成本。內(nèi)排土場及時跟進(jìn)，可建立高效內(nèi)排空間，不會造成轉(zhuǎn)向過渡期內(nèi)預(yù)留“溝”。轉(zhuǎn)向前后避免了重復(fù)剝離的問題，從而保持了轉(zhuǎn)向期間的平穩(wěn)過渡。

2 個方案新增境界內(nèi)外排數(shù)量均為2 個，東排土場容積均為78 Mm3，但方案2 增設(shè)沿幫排土場東側(cè)排土場容量為1.2 億m3，比方案1 減少排棄量約5 億m3，占地、綠化以及二次剝離等費(fèi)用也相對減少。但方案2 剝離工作線軸部和工作端推進(jìn)強(qiáng)度不同，給生產(chǎn)組織管理帶來一定的難度，經(jīng)綜合比較，方案2 比方案1 的20 年累計采煤和剝離成本低了約30 億元。

由表2 可知，方案2 在推進(jìn)強(qiáng)度、生產(chǎn)剝采比均衡、生產(chǎn)管理等方面均不占優(yōu)勢，但方案2 能最大程度的減少新增外排土場的容量，在減少排土場征地、減少二次剝離量、節(jié)約綠化成本以及降低綜合運(yùn)距、提高企業(yè)生產(chǎn)效益等多方面的優(yōu)勢非常突出。目前，大多數(shù)露天礦都面臨著新增外排土場無征地指標(biāo)的困境，外排土場征地已經(jīng)成為制約露天礦生產(chǎn)的“瓶頸”，因此，在轉(zhuǎn)向過渡方式比選中，外排征地指標(biāo)是眾多比選指標(biāo)中最為重要的參考指標(biāo)。

表2 2 種方案技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

綜上，方案2 即扇形轉(zhuǎn)型過渡方式為最優(yōu)，同時在扇形轉(zhuǎn)向過渡生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理。

4 結(jié)語

1）通常情況下，采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡分為“連續(xù)式”和“間斷式”2 種過渡類型；按轉(zhuǎn)向方式可分為“L”型轉(zhuǎn)向、扇形轉(zhuǎn)向、重新拉溝3 種方式。

2）采區(qū)過渡方式選擇包括開采工藝、均衡生產(chǎn)剝采比、年度生產(chǎn)規(guī)模、內(nèi)排土場總?cè)萘?、外排征地指?biāo)、平均工作線長度、煤巖綜合運(yùn)距等諸多因素，其中征地指標(biāo)是眾多比選指標(biāo)中最為重要的參考指標(biāo)。

3）首采區(qū)向二、三采區(qū)轉(zhuǎn)向采用“扇形”的過渡方式，最大優(yōu)點能充分用內(nèi)排空間，減少外排土場占地，最終降低采區(qū)轉(zhuǎn)向開采過程的開采成本，能顯著提升勝利一號露天礦的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，一種具有普遍代表性的采區(qū)過渡方式。