将军戈壁二号露天煤矿采区间留沟参数优化研究

董志龙，孙进步，王宏健，车志翔

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

近年来，我国大力发展西部露天煤炭资源，露天矿在煤炭产量中占比不断增大，而露天矿开采在设计初期，为了使整个服务周期内产生的经济效益和生产效率最优，通常采用分区开采的形式[1-2]。在露天矿扩帮扩能、采区转向及并行采区平行开采时，为了减小后行采区的剥离量，会采用先行采区在内排土场留沟内排的方式[3]。留沟作为一种“失利在前，得利在后”的方案，其合理的设计可以保证开采合理性的同时获得最大限度的收益[4-5]，因此，相邻采区间合理留沟内排方式的选择尤为重要[6-7]。

白润才等[8]通过采用数学期望法和费用补偿法建立以压帮长度为单一变量的一元二次函数，分析得出了国能平庄煤业集团平西白音华一号露天矿压帮内排转变为留沟内排的最优位置；张丁等[9]通过建立留沟高度数学模型确定了影响留沟高度的关键因素，结合黑岱沟与哈尔乌素生产状况与实际问题，得出了最佳留沟位置及不同留沟水平情况下留沟降低经济性临界值；韩万东等[10]通过建立二维模型并从技术与经济角度进行全留沟－搭桥、全留沟、半留沟方案对比，得出全留沟－搭桥方案最为合适，为黑岱沟露天矿顺利转向提供了最优解。

通过比较将军戈壁二号露天矿（简称将二矿）2采区间留沟高度、长度与宽度等参数并考虑开采连续性、合理性及经济性确定优化的留沟参数，为类似露天矿采区接续研究提供参考。

1 将军戈壁二号露天煤矿概况

将二矿深部境界东西平均长为7.70 km，南北平均宽为8.65 km，目前首采区设计宽度1.2 km，地表境界东西平均长为8.60 km，南北平均宽为9.53 km。根据矿床的地质条件，在技术可行和经济合理的前提下，将被开采的矿田划分为4 个采区，从首采区开始，按照既定的开采顺序，依次开采各采区，直至全矿开采结束。各采区间近乎平行，因此先开采的采区压帮内排（现阶段的开采方案）会在后续采区开采时产生二次剥离，从而增大后续采区的剥采比，增加生产成本。

将二矿首采区由东向西开采，按照3 000 万t/a生产能力剩余服务年限约11 年。首采区转向二采区为180°转向，在首采区开采结束前二采区地表南北向拉沟降深过渡接续。

内排土场留沟，减少压帮剥离物排弃量，直接降低二次剥离成本，但会切断工作帮剥离物料的内排运输通道，同时要将南帮留沟处的剥离量调整到北侧排土，增加先期开采采区内物料的运输成本。因此合理优化采区间的压帮内排参数，进行动态的技术经济测算，对于将二矿资源开发的整体效益具有重要意义。相邻采区间留沟内排示意图如图1。

图1 相邻采区间留沟内排示意图

2 采区间留沟参数优化

2.1 矿山采剥工程总体分析

将二矿2022—2030 年采排计划见表1。

表1 将二矿2022—2030 年采排计划

由表1 可知：将二矿2022—2025 年采排关系紧张，内排土场排弃到590 m 水平后不具备留沟条件；2026 年开始，内排容量大于当年剥离总量，具备留沟空间，但具体留沟时间需要结合留沟效益进行最终确定。

2.2 留沟模型

综合考虑经济因素，构建将军戈壁二号露天煤矿端帮内排压帮高度优化模型，确定首采区不同开采位置的合理内排压帮高度和排土场参数。压帮高度优化原则为：①保证露天矿采排空间平衡，通过计算确定采用外排还是内排加高方案；②调研首采区剥离物内排运输费用、二采区剥离费用、原煤提升运输费用、资金的时间价值；③当压帮高度减小时，剥离物运距将增加，二次剥离量少，当压帮高度增大时，剥离物运距减少，二次剥离量大。压帮内排示意图如图2。

图2 压帮内排示意图

由图2 可知，第I 部分可以实现双环内排，第II部分由于留沟只能单侧排土，因此运距增加的剥离量为：

式中：V 为运距增加的单位推进距离剥离量，m3；l0为坑底工作线长度，m；H 为露天矿开采深度，m；ΔH 为压帮高度，m；α 为最终帮坡角，（°）；β 为二次剥离最终帮坡角，（°）。

假设该部分运量为沟底以上且与沟同侧的剥离量，内排运距的增加值为该部分运量运距的增加值。运距增加值为：

式中：d 为运距增加值，m；l 为坑底工作线长度，m；H 为露天矿开采深度，m；ΔH 为压帮高度，m；α为最终帮坡角，（°）。

2.3 留沟方案

2026 年剥离量8 213 万m3，采煤量3 000 万t，剥采比2.74 m3/t。在满足全部内排的情况下，按照二次剥离边界及575 m 水平排满为界限：560 m 留沟水平，减少二次剥离量约419 万m3；545 m 水平部分留沟，减少二次剥离约347 万m3，共计减少二次剥离量约766 万m3。

2027 年剥离量10 278 万m3，采煤量3 000 万t，剥采比3.43 m3/t。在满足全部内排的情况下，按照二次剥离边界及575 m 水平排满为界限：575 m 留沟水平，减少二次剥离约580 万m3，590 m 水平按照二次剥离线以上排满且占用2026 年590 m 水平部分排土空间。

2028 年剥离量8 902 万m3，采煤量3 000 万t，剥采比2.97 m3/t。在满足全部内排情况下，590 m 水平按照二次剥离线排满，575 m 水平部分留沟，减少二次剥离量约215 万m3。

2029 年剥离量7 412 万m3，采煤量3 000 万t，剥采比2.47 m3/t。剥离物部分排至590 m 水平，575 m 水平减少二次剥离量约100 万m3。

2030 年剥离量5 833 万m3，采煤量3 000 万t，剥采比1.94 m3/t。沿二次剥离线560 m 水平至515 m 水平留沟，减少二次剥离量约3 000 万m3。

2.4 留沟参数均衡

考虑到实际工程的需要，对上述留沟方案进行均衡，整体按照二次剥离线为界，以北590 m 水平排满，以南560～545 m 水平留沟。其中2026 年多余内排量为1 006 万m3，2027 年多余内排量为387万m3，2028 年多余剥离量为860 万m3，2029 年多余剥离量为1 100 万m3，至2030 年内排量刚好。2028、2029 年多余剥离量排至590 m 水平，其中2029 年部分剥离量需等待2030 年内排土场跟进后，排至590 m 水平。留沟参数均衡后年减少的二次剥离量：2026 年766 万m3；2027 年580 万m3；2028 年215万m3；2029 年100 万m3；2030 年3 000 万m3。

3 留沟效益

在实施采区间留沟方案后，二采区在进行开采时将大幅减少二次剥离费用，2026—2030 年共计减少二次剥离量为4 661 万m3，剥离费用按10 元/m3，减少二次剥离费用4.661 亿元。

但在首采区留沟期间，开拓运输系统会随着留沟形态而改变，剥离物料运距加大，并出现提升运距。留沟前后运距及运费对比见表2。

表2 留沟前后运距及运费对比

将军戈壁二号露天煤矿采用留沟方案后，总增加运费8 446.8 万元，但减少二次剥离费用4.661 亿元，综合收益为3.8 亿元，经济效益显著。

4 结语

1）将二矿首采区剩余服务年限约11 年，内排土场留沟，合理优化采区间的压帮内排参数，进行动态的技术经济测算，对于将二矿资源开发的整体效益具有重要意义。

2）2026 年开始，将二矿内排容量大于当年剥离总量，具备留沟空间，可开始留沟。

3）给出了2026—2030 年的采区间留沟方案，综合对比留沟后增加的剥离运费及减少的二次剥离费用，测算出采区间留沟的综合收益为3.8 亿元，经济效益显著。