河曲露天煤矿扇形采区转向参数优化研究

罗科 李胤达 陈树召

【摘  要】论文通过分析河曲露天煤矿的内排条件及采排现状，提出了一种工作帮陡帮转向方案，通过优化台阶参数，实现了短内排跟踪距离、无外排条件下的扇形转向。研究表明：河曲露天煤矿工作帮靠近圆心端工作面最多可提高至26o，通常情况下按照优化后的最小工作面布置，帮坡角可提高到18o。相比正常转向剥离量减少了5904万立方米，极大地缓解了扇形转向因不等幅开采造成的超前剥离量加大的问题。

【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.

【关键词】扇形转向;工作帮陡帮;超前剥离;内排空间;剥采比

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

【中图分类号】TD824                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）12-0194-03

1 引言

我国的露天煤矿大多采用分区开采模式，在采区接续时常常会遇到工作面转向问题[1]，同时，露天矿的矿权界限有时也会以煤层赋存形态划分，这使得单个采区内也会存在转向问题[2]，采区转向会为露天矿的生产进度、剥采比变化、内排运距、内排空间、人员组织等方面带来一系列问题，这些问题直接影响矿山企业的经济效益。学者对转向问题也进行了深入的研究，如以内蒙古格尔哈尔乌素露天煤矿、山西平朔安太堡露天煤矿、内蒙古伊敏河露天煤矿、新疆准东天池能源南露天煤矿等为研究背景进行了大量研究[3-6]。

上述研究分析了在采区转向过渡过程中不同转向方式对露天矿能力接续、剥采工作面布置、排土时空关系、剥采比变化、生产成本等方面的影响[7，8]。但关于河曲露天煤矿这种短内排跟踪距离条件下的转向问题研究较少，本文以河曲露天煤矿为研究背景，通过优化台阶参数，实现了短内排跟踪距离、剥离物外排条件下的扇形转向，并通过与正常工作帮坡角转向方式进行对比，验证了这一方法的可行性。

2 转向条件分析

2.1 露天矿概述

河曲旧县露天矿田位于山西台地西北部，吕梁隆起北段西翼。矿田位于河曲县城东南部27km，行政区划隶属河曲县旧县乡管辖。其地理坐标为：北纬：39°05′18″～39°09′45″;东经：111°09′55″～111°13′50″。矿区所处煤田埋藏浅，煤层厚，煤种为长焰煤，煤质较好。矿田范围内有5层可采煤层，倾角为2°～3°，局部为8°。9、10、11、12号煤层为薄煤层，13号煤为主采厚煤层。露天矿采用单斗卡车间断开采工艺，组织管理较为简单，年推进度约300m。

受区域构造范家梁新窑褶皱带的控制，井田构造形态总體为一轴向NNW的向斜构造，其东翼发育较多的向NNW倾伏的次一级褶曲构造，地层倾角一般2°～3°，局部为8°，发育4条背向斜，发育2条正断层。整体而言，本矿田褶曲宽缓，断层不影响采区划分，井田内构造尚属简单。

2.2 内排空间计算

内排空间主要受坑底工作线位置的限制。扇形转向过程中远离转角端的工作帮需要快速推进，造成上部台阶超前剥离较大，但内排土场受工作帮最下台阶的空间限制，导致上部排土台阶滞后于上部剥离台阶，所以扇形转向过程中内排空间较为紧张且与等幅开采相比端帮运距加大。最终的采排关系如图1所示。

以2017年12月的排土场现状作为研究起点，以工作帮最下部台阶完成转向为终点，保留50m的最小坑底距离，利用3DMine模拟内排过程，内排土场帮坡角设置为19°，块体模型大小采用10m×10m×5m，次级模块采用5m×5m×2.5m，由于排土场岩性相同，为排弃物料，所以这样的块体大小能够满足计算精度。计算排土空间区域如图1b所示。

为安排详细的排土作业，分水平计算出排弃空间，如表1所示，表格数据为3DMine直接导出的模型数据，均为实方数据，而排土安排需要松方量，松方系数取1.15。

通过河曲露天矿采区转向期间的剥离量与内排空间分阶段对比分析可以发现，从2017年12月工作帮最上部剥离台阶开始转向到工作帮最下煤台阶完成转向期间，内排的总空间是足够的，转向过程中不需要外排。但是在这一过程中，内排容量不是均匀发展的，导致采区转向过程中不同时期会发生内排空间不足和排弃空间富余。这是因为排土场在采区转向前期是倒梯形等幅向前发展的，转向过程中圆心侧排土台阶停止向前发展，远离圆心侧排土台阶扇形发展，所以当排土场尤其在最下部排土工作线开始转向后，排土工作线长度骤减，最终形成2个斜坡面构成的排土场。因此，在整体排土空间充足的条件下，为节约运输费用，需要在内排土场最短追踪距离条件下完成扇形转向。

2.3 采排条件分析

通过对河曲露天煤矿地质资料和开采方案的分析发现，河曲露天煤矿剥离和采煤工艺均为单斗卡车间断工艺，这种

开采工艺机动灵活，对不同转向方式的适应性强;露天矿的主采煤层为13号煤，其余煤层在首采区区域性分布，所以开采煤种较为单一，开采过程中不需要考虑配煤要求;受首采区边界限制，转向过程中采剥工程量较少，转向过渡时间不足以作为一个单独的均衡期来考虑;由于工作线西侧地表黄土覆盖物较厚，剥离重心偏向西侧端帮，转向期间需要着重考虑物料流的合理分配，降低运输成本;露天矿生产过程中内排跟进较快，所以转向期间内排空间紧张，需充分利用，减少外排成本。

开采过程采用扇形转向方案，即沿工作面非等强度开采，实现工作线逐渐转向。具体程序为：当工作面向北推进到某一位置时，调整工作线上不同位置的设备密度，工作线西段设备密度大，东端密度小，从而使工作线外侧（西端）开采强度大于内侧（东端），由等幅开采变为不等幅开采，形成以工作线东端为圆心的扇形工作线发展过程，直至工作线方向达到设计要求后，再次调整工作线设备密度，恢复等幅开采，完成转向，如图2所示。

该方案的主要优点有：

①工作线保持平直，台阶完整，运输线路通畅;②内排空间连续完整，内排空间利用率较高;③内排土场与工作线同步推进，剥离物由工作面到排土场的运输距离较短;④设备不需要频繁调动，能充分发挥其生产能力。

该方案的主要缺点有：

①由于转向过程为不等幅推进，加之西端工作线受首采区边界线控制，工作线长度存在波动，这使得生产管理难度较大;②不等幅开采造成超前剥离量较大，内排跟进相对，造成内排空间紧张，必要时部分物料需要外排;③由于工作线西侧地表黄土覆盖物较厚，剥离重心偏向西侧端帮，再加上扇形工作面西侧的高强度快速推进，剥离重心再次向西侧端帮移动，同时，排土空间也是扇形发展，排弃空间重心也偏向西侧端帮，从而造成了西侧端帮路运输负担较重，必要时需要将部分西侧剥离物料通过东端帮运输至排土场，加大了剥离物料的工作线运距，增加了运输成本。

3 转向方案

在转向过程中，为加快推进速度及缓解内排空间紧张问题，最大化突出扇形转向的优势，减少其缺点，可以采用转向过程中提高工作帮帮坡角的方式，可将采掘带宽度减小，由上排炮孔变为单排，具体参数见图3a。同时，可以采用组合台阶开采方式，提高工作帮坡角，具体参数见图3b。

工作线靠近圆心端的极限最小工作面可以取消采掘带宽度，可减小到20m。以12m台阶高度，共14个台阶数量，画出工作帮靠近圆心端的剖面，如图4所示。由图可以看出，当工作帮只保留运输道路时的帮坡角可提高到26°，当工作帮采用优化后的最小工作平盘宽度时，帮坡角可提高到18°，由于初设中给出工作帮最终稳定帮坡角为34°，所以采用18°帮坡角满足安全需求。

综合上述分析，本文提出了2个扇形转向方案：

第一种方案：为加快轉向的完成，工作帮靠近圆心端工作面最多可提高至26°，通常情况下按照优化后的最小工作面布置，帮坡角可提高到18°。台阶布置方式如图4所示。

第二种方案：为降低生产组织管理难度，工作帮帮坡角在转向过工程中不加陡，帮坡角为9°。台阶布置方式如图5所示。

转向过程由于管理较为复杂，剥采工程量波动较大，所以需要尽可能地缩短转向时间，现只从空间上考虑，以工作帮最上部台阶开始转向为研究起点，以工作帮最下台阶完成转向为终点，使用3DMine软件建立矿山三维模型，将空间转向范围内的煤岩量圈定出来。

考虑到矿岩赋存及地表黄土覆盖物的厚度的差异，为了每年都能达到设计产量，需要具体分析转向过程中矿岩量的变化，因此，将转向过程按照每10°转角为间隔，划分为7个部分，即由7个工作面划分整个转向过程。工作面位置如图6所示。

由此将整个转向区域分为阶段0～阶段6共7个阶段，阶段0到阶段1为现状到第一个工作面，阶段1到阶段2为现状到第一个工作面和第二个工作面之间的矿岩量，以此类推。

陡帮转向方案与正常转向方案相比，缩短了剥离物料的端帮运输距离，以50m跟踪距离估算，陡帮工作帮与正常工作帮相比大约节约端帮运输距离272m;陡帮转向过程中剥采比较小，内排空间不紧张，相比正常转向剥离量减少5904万立方米，有效地缓解了扇形转向因不等幅开采造成的超前剥离量加大的问题。

4 结论

河曲露天煤矿正常工作帮帮坡角为9°，为加快转向工作的完成，减小运输费用，缓解采区转向期间的内排空间紧张问题，本文提出了局部加陡工作帮坡角的扇形转向方案。工作帮靠近圆心端工作面最多可提高至26°，通常情况下，按照优化后的最小工作面进行布置，帮坡角可以提高至18°。该方案支持开采过程中工作帮帮坡角根据煤层赋存和地表起伏情况进行灵活调整，从而缩短端帮内排运距和减少初期剥离量，从而实现采区转向期间经济效益的最大化。

【参考文献】

【1】常全胜.露天煤矿采区转向接续研究现状综述[J].露天采矿技术，2013（5）：6-9.

【2】于海里，王兆刚，孙宇霆.露天矿采区转向方案评价研究[J].露天采矿技术，2021，36（5）：35-38.

【3】张维世，才庆祥，周伟，等.黑岱沟露天煤矿转向期间内排均衡性研究[J].煤矿安全，2013，44（12）：36-39.

【4】刘果，蔡光琪，傅新华.平朔东露天矿转向扇形开采方案[J].露天采矿技术，2015（7）：14-16+20.

【5】李伟，李继，曹慧.伊敏露天矿采区扇形转向系统优化布置[J].露天采矿技术，2014（6）：5-7+11.

【6】王韶辉，才庆祥，周伟，等.新疆天池能源南露天煤矿转向方式优化研究[J].煤炭工程，2019，51（5）：60-64.

【7】丁立明，才庆祥，汤万钧，等.吊斗铲扇形转向参数的确定[J].现代矿业，2012，27（4）：124-125+130.

【8】马进岩，才庆祥，刘福明，等.黑岱沟露天矿采区转向期间配剥工程优化设计[J].煤炭工程，2014，46（3）：1-3.