河曲露天煤礦扇形采區轉向參數優化研究

羅科 李胤達 陳樹召

【摘 ?要】論文通過分析河曲露天煤礦的內排條件及采排現狀，提出了一種工作幫陡幫轉向方案，通過優化臺階參數，實現了短內排跟蹤距離、無外排條件下的扇形轉向。研究表明：河曲露天煤礦工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26o，通常情況下按照優化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18o。相比正常轉向剝離量減少了5904萬立方米，極大地緩解了扇形轉向因不等幅開采造成的超前剝離量加大的問題。

【Abstract】By analyzing the internal dumping conditions and the current situation of mining and dumping in Hequ Open-Pit Coal Mine， this paper puts forward a steering scheme for the steep slope of working slope. By optimizing the step parameters， the fan-shaped steering under the condition of short internal dumping tracking distance and no external dumping is realized. Research shows that the working face of the Hequ Open-Pit Coal Mine near the center of the circle can be increased to 26o at most. Generally， the optimized minimum working face is used as the basis for layout， and the slope angle can be increased to 18o. Compared with the normal steering， the stripping volume is reduced by 59.04 million cubic meters， which greatly alleviates the problem of increasing the advance stripping volume caused by unequal amplitude mining in fan-shaped steering.

【關鍵詞】扇形轉向;工作幫陡幫;超前剝離;內排空間;剝采比

【Keywords】fan-shaped steering; steep slope of working slope; advance stripping; internal dumping space; stripping ratio

【中圖分類號】TD824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0194-03

1 引言

我國的露天煤礦大多采用分區開采模式，在采區接續時常常會遇到工作面轉向問題[1]，同時，露天礦的礦權界限有時也會以煤層賦存形態劃分，這使得單個采區內也會存在轉向問題[2]，采區轉向會為露天礦的生產進度、剝采比變化、內排運距、內排空間、人員組織等方面帶來一系列問題，這些問題直接影響礦山企業的經濟效益。學者對轉向問題也進行了深入的研究，如以內蒙古格爾哈爾烏素露天煤礦、山西平朔安太堡露天煤礦、內蒙古伊敏河露天煤礦、新疆準東天池能源南露天煤礦等為研究背景進行了大量研究[3-6]。

上述研究分析了在采區轉向過渡過程中不同轉向方式對露天礦能力接續、剝采工作面布置、排土時空關系、剝采比變化、生產成本等方面的影響[7，8]。但關于河曲露天煤礦這種短內排跟蹤距離條件下的轉向問題研究較少，本文以河曲露天煤礦為研究背景，通過優化臺階參數，實現了短內排跟蹤距離、剝離物外排條件下的扇形轉向，并通過與正常工作幫坡角轉向方式進行對比，驗證了這一方法的可行性。

2 轉向條件分析

2.1 露天礦概述

河曲舊縣露天礦田位于山西臺地西北部，呂梁隆起北段西翼。礦田位于河曲縣城東南部27km，行政區劃隸屬河曲縣舊縣鄉管轄。其地理坐標為：北緯：39°05′18″～39°09′45″;東經：111°09′55″～111°13′50″。礦區所處煤田埋藏淺，煤層厚，煤種為長焰煤，煤質較好。礦田范圍內有5層可采煤層，傾角為2°～3°，局部為8°。9、10、11、12號煤層為薄煤層，13號煤為主采厚煤層。露天礦采用單斗卡車間斷開采工藝，組織管理較為簡單，年推進度約300m。

受區域構造范家梁新窯褶皺帶的控制，井田構造形態總體為一軸向NNW的向斜構造，其東翼發育較多的向NNW傾伏的次一級褶曲構造，地層傾角一般2°～3°，局部為8°，發育4條背向斜，發育2條正斷層。整體而言，本礦田褶曲寬緩，斷層不影響采區劃分，井田內構造尚屬簡單。

2.2 內排空間計算

內排空間主要受坑底工作線位置的限制。扇形轉向過程中遠離轉角端的工作幫需要快速推進，造成上部臺階超前剝離較大，但內排土場受工作幫最下臺階的空間限制，導致上部排土臺階滯后于上部剝離臺階，所以扇形轉向過程中內排空間較為緊張且與等幅開采相比端幫運距加大。最終的采排關系如圖1所示。

以2017年12月的排土場現狀作為研究起點，以工作幫最下部臺階完成轉向為終點，保留50m的最小坑底距離，利用3DMine模擬內排過程，內排土場幫坡角設置為19°，塊體模型大小采用10m×10m×5m，次級模塊采用5m×5m×2.5m，由于排土場巖性相同，為排棄物料，所以這樣的塊體大小能夠滿足計算精度。計算排土空間區域如圖1b所示。

為安排詳細的排土作業，分水平計算出排棄空間，如表1所示，表格數據為3DMine直接導出的模型數據，均為實方數據，而排土安排需要松方量，松方系數取1.15。

通過河曲露天礦采區轉向期間的剝離量與內排空間分階段對比分析可以發現，從2017年12月工作幫最上部剝離臺階開始轉向到工作幫最下煤臺階完成轉向期間，內排的總空間是足夠的，轉向過程中不需要外排。但是在這一過程中，內排容量不是均勻發展的，導致采區轉向過程中不同時期會發生內排空間不足和排棄空間富余。這是因為排土場在采區轉向前期是倒梯形等幅向前發展的，轉向過程中圓心側排土臺階停止向前發展，遠離圓心側排土臺階扇形發展，所以當排土場尤其在最下部排土工作線開始轉向后，排土工作線長度驟減，最終形成2個斜坡面構成的排土場。因此，在整體排土空間充足的條件下，為節約運輸費用，需要在內排土場最短追蹤距離條件下完成扇形轉向。

2.3 采排條件分析

通過對河曲露天煤礦地質資料和開采方案的分析發現，河曲露天煤礦剝離和采煤工藝均為單斗卡車間斷工藝，這種

開采工藝機動靈活，對不同轉向方式的適應性強;露天礦的主采煤層為13號煤，其余煤層在首采區區域性分布，所以開采煤種較為單一，開采過程中不需要考慮配煤要求;受首采區邊界限制，轉向過程中采剝工程量較少，轉向過渡時間不足以作為一個單獨的均衡期來考慮;由于工作線西側地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側端幫，轉向期間需要著重考慮物料流的合理分配，降低運輸成本;露天礦生產過程中內排跟進較快，所以轉向期間內排空間緊張，需充分利用，減少外排成本。

開采過程采用扇形轉向方案，即沿工作面非等強度開采，實現工作線逐漸轉向。具體程序為：當工作面向北推進到某一位置時，調整工作線上不同位置的設備密度，工作線西段設備密度大，東端密度小，從而使工作線外側（西端）開采強度大于內側（東端），由等幅開采變為不等幅開采，形成以工作線東端為圓心的扇形工作線發展過程，直至工作線方向達到設計要求后，再次調整工作線設備密度，恢復等幅開采，完成轉向，如圖2所示。

該方案的主要優點有：

①工作線保持平直，臺階完整，運輸線路通暢;②內排空間連續完整，內排空間利用率較高;③內排土場與工作線同步推進，剝離物由工作面到排土場的運輸距離較短;④設備不需要頻繁調動，能充分發揮其生產能力。

該方案的主要缺點有：

①由于轉向過程為不等幅推進，加之西端工作線受首采區邊界線控制，工作線長度存在波動，這使得生產管理難度較大;②不等幅開采造成超前剝離量較大，內排跟進相對，造成內排空間緊張，必要時部分物料需要外排;③由于工作線西側地表黃土覆蓋物較厚，剝離重心偏向西側端幫，再加上扇形工作面西側的高強度快速推進，剝離重心再次向西側端幫移動，同時，排土空間也是扇形發展，排棄空間重心也偏向西側端幫，從而造成了西側端幫路運輸負擔較重，必要時需要將部分西側剝離物料通過東端幫運輸至排土場，加大了剝離物料的工作線運距，增加了運輸成本。

3 轉向方案

在轉向過程中，為加快推進速度及緩解內排空間緊張問題，最大化突出扇形轉向的優勢，減少其缺點，可以采用轉向過程中提高工作幫幫坡角的方式，可將采掘帶寬度減小，由上排炮孔變為單排，具體參數見圖3a。同時，可以采用組合臺階開采方式，提高工作幫坡角，具體參數見圖3b。

工作線靠近圓心端的極限最小工作面可以取消采掘帶寬度，可減小到20m。以12m臺階高度，共14個臺階數量，畫出工作幫靠近圓心端的剖面，如圖4所示。由圖可以看出，當工作幫只保留運輸道路時的幫坡角可提高到26°，當工作幫采用優化后的最小工作平盤寬度時，幫坡角可提高到18°，由于初設中給出工作幫最終穩定幫坡角為34°，所以采用18°幫坡角滿足安全需求。

綜合上述分析，本文提出了2個扇形轉向方案：

第一種方案：為加快轉向的完成，工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下按照優化后的最小工作面布置，幫坡角可提高到18°。臺階布置方式如圖4所示。

第二種方案：為降低生產組織管理難度，工作幫幫坡角在轉向過工程中不加陡，幫坡角為9°。臺階布置方式如圖5所示。

轉向過程由于管理較為復雜，剝采工程量波動較大，所以需要盡可能地縮短轉向時間，現只從空間上考慮，以工作幫最上部臺階開始轉向為研究起點，以工作幫最下臺階完成轉向為終點，使用3DMine軟件建立礦山三維模型，將空間轉向范圍內的煤巖量圈定出來。

考慮到礦巖賦存及地表黃土覆蓋物的厚度的差異，為了每年都能達到設計產量，需要具體分析轉向過程中礦巖量的變化，因此，將轉向過程按照每10°轉角為間隔，劃分為7個部分，即由7個工作面劃分整個轉向過程。工作面位置如圖6所示。

由此將整個轉向區域分為階段0～階段6共7個階段，階段0到階段1為現狀到第一個工作面，階段1到階段2為現狀到第一個工作面和第二個工作面之間的礦巖量，以此類推。

陡幫轉向方案與正常轉向方案相比，縮短了剝離物料的端幫運輸距離，以50m跟蹤距離估算，陡幫工作幫與正常工作幫相比大約節約端幫運輸距離272m;陡幫轉向過程中剝采比較小，內排空間不緊張，相比正常轉向剝離量減少5904萬立方米，有效地緩解了扇形轉向因不等幅開采造成的超前剝離量加大的問題。

4 結論

河曲露天煤礦正常工作幫幫坡角為9°，為加快轉向工作的完成，減小運輸費用，緩解采區轉向期間的內排空間緊張問題，本文提出了局部加陡工作幫坡角的扇形轉向方案。工作幫靠近圓心端工作面最多可提高至26°，通常情況下，按照優化后的最小工作面進行布置，幫坡角可以提高至18°。該方案支持開采過程中工作幫幫坡角根據煤層賦存和地表起伏情況進行靈活調整，從而縮短端幫內排運距和減少初期剝離量，從而實現采區轉向期間經濟效益的最大化。

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