伊敏露天礦采掘臺階高度優化研究

胡鵬飛,李月強

（華能伊敏煤電有限責任公司 伊敏露天礦，內蒙古 呼倫貝爾 021134）

露天礦采場臺階高度是一個重要參數，國內不少學者對此參數從不同角度進行了分析與論述[1-3]。這是由于其不僅影響著露天礦的基本建設、開拓開采、生產能力、生產過程的各個工藝環節[4-6]，也是露天礦損失率及貧化率的關鍵指標[7]，還影響著露天礦邊坡穩定、臺階數量等。其中最重要的是采掘臺階高度的優化，在一定條件下可以減少露天礦的剝離量[8]，進而提高露天礦的經濟效益，所以在露天礦生產中，對臺階高度的優化至關重要。

1 研究背景

伊敏露天礦位于內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗伊敏河鎮境內，由于短期內的產能大幅增長，伊敏露天礦近年剝離量增長明顯，內排土場空間出現緊張。同時隨著三采區逐步推進，未來煤炭賦存深度整體上呈現下降趨勢。這將導致最大開采深度由現在的160 m 增加至225 m，臺階數量將至少增加7 個。如果再考慮煤層分層導致的非全高臺階，臺階數量將增加更多。這就使得在一段時間內，上部臺階推進必須考慮新臺階所占用的空間，超前推進，導致年剝離量增加，內排土場空間緊張的問題更加顯著。

伊敏露天礦在產能核增后，為了提高生產能力，已經進行了采掘設備大型化升級。購置數臺WK－35型電鏟，代替現有的WK－12B 型電鏟。雖然電鏟型號增大，但是目前伊敏露天礦所采用的臺階高度，仍然以WK－12B 型電鏟設備能力為依據確定的12 m。未來在WK－35 型電鏟全部投產后，伊敏露天礦將以WK－20 型電鏟作為最小采掘設備，其最大挖掘高度已經超過14 m。鑒于上述情況，重點研究伊敏露天礦工作幫臺階高度的優化調整，在確保設備作業安全的條件下，適當增加臺階高度，減少臺階數量，進而提高工作幫坡角，減少工作幫空間占用，降低伊敏露天礦的年剝離量。

2 臺階高度調整方案

露天礦采掘臺階高度的確定，既要使電鏟安全作業，又要使電鏟能發揮較大的效能，還要綜合考慮多種因素。根據伊敏露天礦的實際情況以及電鏟作業效率分析等研究成果，電鏟作業的臺階高度主要參考以下幾方面因素。

1）為了提高電鏟作業效率，保證電鏟單循環挖掘滿斗率，應當保持臺階高度不低于電鏟推壓軸高度的2/3。否則，電鏟的滿斗率將較差，進而增加電鏟的作業循環次數，導致裝車時間延長。

2）伊敏露天礦的剝離物料均為軟巖，電鏟采用直接挖掘的方式，沒有爆破環節，所以臺階高度不能高于電鏟的最大挖掘高度，以保證電鏟作業安全。

3）臺階高度應當在安全的條件下，盡量達到最大，以提高電鏟可采量，減少設備走鏟、退鏟等環節占用的時間，提高電鏟的生產效率。

4）臺階高度應當綜合考慮各個采掘設備的能力后，實現全礦臺階高度統一。避免臺階高度不一，給后續電鏟工作面的調整造成不必要的困難。同時臺階高度統一，有利于滿足安全生產標準化的要求。

5）臺階高度還應實現優化調整目的。對伊敏露天礦這類已經生產多年的露天礦來說，臺階高度調整需要實現減少臺階數量的目的，降低推進幫空間占用，降低年剝離量，提高經濟效益；如果調整后臺階數量沒有變化，則失去調整價值。

6）調整后電鏟最大推進能力應當大于露天礦總體推進度需求，避免電鏟推進度不足對整體推進造成不利影響。

2.1 方案選擇

露天礦一般臺階高度按照式（1）確定[9]：

式中：Ht為電鏟推壓軸高度，m；H 為臺階高度，m；Hwmax為電鏟最大挖掘高度，m。

伊敏露天礦采掘設備為1 臺EX－8000 液壓正鏟、4 臺WK－35 電鏟、6 臺WK－20 型電鏟和1 臺WK－10B 型電鏟，其中WK－10B 型電鏟僅作為其他電鏟大修時的備用設備，可以布置在煤層頂板臺階等非全高臺階，所以針對實際情況，本次研究不再考慮WK－10B 型電鏟。僅考慮WK－20、WK－35、EX8000 3 種型號電鏟。

通過對各個型號的電鏟作業參數進行整理，伊敏露天礦電鏟型號主要有：①WK－20 型電鏟：最大挖掘高度14.4 m；②WK－35 型電鏟：最大挖掘高度16.2 m；③EX－8000 液壓正鏟：最大挖掘高度20.5 m?？芍?，伊敏露天礦的主要采掘設備中，WK－20 型電鏟的最大挖掘高度最小，為14.4 m。所以伊敏露天礦的采掘臺階高度的應當以WK－20 電鏟為準。

WK－20 型電鏟推壓軸高度為8 m，那么伊敏露天礦的臺階高度H 必須滿足H≤14.4 m；而且應當盡量滿足

因此，臺階高度建議在5.3～14.4 m，考慮目前的臺階高度已經為12 m，本次調整的目的是增加臺階高度，減少臺階數量。最終提出了3 個方案，分別為12、13、14 m。

2.2 方案對比

2022 年以后，通過地質資料分析，在伊敏露天礦三采區范圍內，15 號煤層頂部剝離物厚度在輪斗連續系統下部72～125 m。16中煤層至15 煤之間夾矸層厚度24～28 m。16下煤層至16中煤層之間夾矸厚度在0～56 m。結合各部分剝離物厚度，對臺階高度選取的合理性進行分析。

15 煤和16中夾矸層厚度24～28 m，當臺階高度為12～13 m 時，局部需要劃分3 個臺階，采用14 m時，僅需要劃分2 個臺階；針對16中和16下煤之間的夾矸層，其厚度在0～58 m 之間，當采用12～14 m時，均為5 個臺階；針對15 煤以上的剝離部分，厚度在72～125 m 之間，在引入輪斗連續系統后，頂部剝離一臺階高度為18 m 的情況下，當臺階高度為12 m 時，剝離臺階最多為10 個，臺階高度為13 m 時，剝離臺階最多為9 個，臺階高度為14 m 時，剝離臺階最多為8 個。

綜上可知，臺階高度為12 m 時，剝離臺階總數18 個；臺階高度為13 m 時，剝離臺階總數為17 個；臺階高度為14 m 時，剝離臺階總數為15 個。同時在臺階高度12 m 時，15 號煤層上部剝離物的推進幫坡角為9°，臺階高度在調整至14 m 時，15 號煤層上部剝離物的推進幫坡角為10.44°。由于幫坡角增加，可以降低年剝離量，有效提高經濟效益。所以臺階高度增加至14 m 是有必要的。采場剝離臺階數量及幫坡角對比見表1。

表1 采場剝離臺階數量及幫坡角對比

2.3 可行性分析

臺階高度調整后，電鏟的推進度將有所變化，現結合電鏟最大推進度和伊敏露天礦整體推進度，對調整后的可行性進行分析。WK－20 型電鏟在伊敏露天礦作業條件下，平均生產能力約為500 萬m3/a。電鏟后部電纜長度最大為400 m，所以實際生產中，選取的最小工作線長度約為350 m。依據上述參數，WK－20 型電鏟的最大推進度為：

式中：D 為年推進度，m；Q 為WK－20 電鏟年剝離量，500 萬m3；L 為工作線長度，350 m；H 為臺階高度，14 m。

經計算，WK－20 電鏟年最大推進度為1 020 m，而伊敏露天礦年推進度約為400～450 m，遠遠小于電鏟可實現的最大推進度。所以臺階高度調整至14 m 后，電鏟的推進能力仍然能夠適應露天礦的整體推進需求。

同時當采掘臺階高度調整至14 m 后，主要采掘設備WK－20 和WK－35 型電鏟完全能夠滿足安全生產條件，且效率不受影響。對于EX8000 型液壓正鏟，其最大采掘高度遠大于14 m，且根據露天礦實際生產總結，該電鏟臺階高度大于8 m 時，滿斗率就可以滿足生產需要。

3 調整后的優勢

根據伊敏露天礦采掘規劃研究，2026 年后，伊敏露天礦的臺階總數量將達到22 個，其中剝離臺階18 個。如果臺階高度調整至14 m，在考慮煤層分層賦存導致的不整臺階因素，可以減少臺階數量3 個。結合伊敏露天礦的設備型號及參數，采掘最小工作平盤寬度為72 m。按照減少3 個臺階計算。調整后，伊敏露天礦推進幫占據的空間可以減少216 m，能夠有效減少推進幫的空間占用，縮小露天礦采場、排土場的間距，縮短露天礦的運輸距離。

另外調整臺階高度后，推進幫幫坡角可以提高近1.5°，預估可以減少年度剝離量約為1 000 萬m3，可以有效地降低伊敏露天礦的年剝采比，提高經濟效益。同時隨著三采區逐步推進，伊敏露天礦煤層將進一步降深，最大采深將達到225 m。在煤層降深期間，臺階高度增加至14 m 能夠延緩新臺階的出現時間，減少煤層降深帶來的影響。

4 結語

由于伊敏露天礦進入三采區后，煤層賦存深度逐年增加，臺階數量將有所增多。在產能核增至35.0 Mt/a 后，伊敏露天礦完成了設備型號的大型化升級。升級完成后，已經具備了增加臺階高度的條件。對伊敏露天礦臺階高度調整的方案進行了詳細論述，最終確定臺階高度為14 m。且研究發現，調整后，伊敏露天礦推進幫坡角增加，年剝離量減少，臺階數量減少，能夠切實提高經濟效益，同時能夠使露天礦更好的應對煤層降深帶來的問題。