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第 40 卷第 9 期煤炭学报Vol. 40No. 9 2015 年9 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYSep.2015 刘闯, 白润才, 刘光伟, 等. 复合煤层露天矿下部煤层开采境界优化[J] . 煤炭学报, 2015, 40 9 2085 - 2090. doi 10. 13225/j. cnki. jccs. 2014. 1123 Liu Chuang, Bai Runcai, Liu Guangwei, et al. Optimization of mining limits of deep- seated coal seams in multi- seams surface coal mine [ J] . Journal of China Coal Society, 2015, 40 9 2085 -2090. doi 10. 13225/j. cnki. jccs. 2014. 1123 复合煤层露天矿下部煤层开采境界优化 刘闯, 白润才, 刘光伟, 曹博 辽宁工程技术大学 矿业学院, 辽宁 阜新123000 摘要 通过理论分析与计算, 研究近水平复合煤层露天矿剥、 采、 排程序对经济剥采比的影响, 提 出了复合煤层露天矿下部煤层开采境界的优化方法。分析了露天矿经济剥采比的影响因素, 建立 了复合煤层露天矿剥、 采、 排工程位置模型, 构建了下部煤层及其覆盖物厚度拟合函数, 揭示了下部 煤层开采境界与开采成本的关系, 研究开采下部煤层经济剥采比的优化确定方法。在神华宝日希 勒露天煤矿进行了实践, 结果表明 此方法能够使近水平复合煤层露天矿下部煤层得到经济合理地 回采, 实现矿床开采的经济效益最大化。 关键词 露天矿; 近水平复合煤层; 开采境界; 经济合理剥采比; 开采成本 中图分类号 TD824文献标志码 A 文章编号 0253 -9993 2015 09 -2085 -06 收稿日期 2014-08-30责任编辑 许书阁 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51304104 作者简介 刘闯 1988 , 男, 江苏沭阳人, 博士研究生。E - mail Lchyn2006126. com Optimization of mining limits of deep- seated coal seams in multi- seams surface coal mine LIU Chuang, BAI Run- cai, LIU Guang- wei, CAO Bo College of Mining and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin123000, China Abstract With the study of the influence on economic stripping ratio from stripping, mining and dumping procedure in multi- flat coal seams surface mine, the authors proposed an optimization of deep- seated coal seam mining limits in multi- seams surface coal mine based on theoretical calculation and analysis. The paper analyzed the influence fac- tors of economic stripping ratio, develop the model of stripping, mining and dumping in a multi- seams surface coal mine, built a thickness fitting function of deep- seated coal seam and its overlying rock strata, revealed the relationship between deep- seated coal seam mining limits and mining cost, and studied the optimization of deep- seated coal seams economic stripping ratio. The was applied in Shenhua Baorixile surface coal mine. The results show that this enables the deep- seated coal seam to be economically and reasonably mined, achieves a maximum eco- nomic benefit in mining operation. Key words surface mine; multi- flat coal seams; mining limits; economic stripping ratio; mining cost 露天矿开采境界是影响矿床开采经济效益的重 要因素。露天矿开采境界圈定及优化理论和方法多 种多样, 随着认知程度的不断提高和计算机技术的发 展, 在传统手工方法的基础上, 相继出现了 LG 图论 方法 [1 -3 ]、 动锥法[4 -5 ]、 网络流法[6 -7 ], 进入 21 世纪 以后, 国内外学者将研究的重心转移到露天矿开采境 界的动态优化上来 [8 -13 ]。事实上, 上述方法所遵循 的基本原则是一致的, 即实现矿床开采的经济效益最 大化。 传统的手工方法, 以其方便、 快捷、 易于掌握的特 煤炭学报 2015 年第 40 卷 点被广泛采用 [14 ]。传统方法圈定复合煤层露天矿开 采境界, 通常将各可采煤层作为整体, 通过边帮线段 比法确定露天矿境界剥采比, 按境界剥采比小于等于 经济 合 理剥 采 比 的 原 则 圈 定 露 天 矿 开 采 境 界 [15 -16 ]。其中, 经济剥采比的计算方法主要有成本 比较法和价格法, 在市场经济条件下, 用价格法计算 经济剥采比已经成为主流[17 ]。在近水平复合煤层露 天矿中, 由于各可采煤层的剥、 采、 排工程在推进方向 上存在超前与滞后的关系, 因此开采成本与煤层所处 位置息息相关, 各煤层经济剥采比不尽相同。综上所 述, 将各可采煤层作为一个整体, 按统一的经济剥采 比圈定开采境界, 无法实现矿床开采的经济效益最大 化。 本文通过分析影响露天矿经济剥采比的因素, 以 矿床开采的经济效益最大化为目标, 对传统的露天矿 开采境界圈定方法进行了改进。建立复合煤层露天 矿剥、 采、 排工程位置模型, 构建下部煤层及其覆盖物 厚度函数, 研究近水平复合煤层露天矿下部煤层开采 境界与开采成本的关系, 提出下部煤层经济剥采比及 开采境界的优化方法, 并以宝日希勒一号露天煤矿为 基础研究了二采区 3 号煤层开采境界的优化确定。 1露天矿经济剥采比影响因素分析 在我国露天煤矿开采设计中, 广泛采用境界剥采 比 nk小于等于经济剥采比 nj的原则圈定露天矿开采 境界。用价格法计算经济剥采比表述如下 nj d - a e b 1 式中, nj为按价格确定的经济剥采比, m3/t; d 为矿石 售价, 元/t; a 为露天矿纯采矿成本, 元/t; e 为露天开 采单位矿石储量最低盈利要求, 元/t; b 为露天矿剥离 成本, 元/m3。 分析式 1 可知, 影响露天矿经济剥采比的主要 因素是露天矿剥离成本。而影响剥离成本主要因素 之一是剥离物的排弃运距, 运距越大, 剥离成本越高。 因此, 露天矿经济剥采比随着排土运距增大而减小。 对于倾斜、 急倾斜复合煤层露天矿而言, 由于临 近闭坑以前不具备内排条件, 剥离物全部外排, 因此 排土运距不会因相邻煤层的开采而增加, 露天矿经济 剥采比是相对稳定的; 对于近水平复合煤层露天矿, 若仅开采上部煤层, 剥离物沿两侧端帮双环内排, 内 排土场与采煤台阶保持一定安全距离, 跟随采场工作 帮向前推进, 内排运距小 图 1 所示虚线 ; 与仅开采 上部煤层相比, 同时开采上、 下煤层, 内排土场与下部 煤层采煤台阶保持一定安全距离, 跟随采场工作帮向 前推进, 必然导致开采上部煤层剥离物内排运距增 加, 从而增加开采上部煤层的运输成本, 降低了开采 上部煤层的经济剥采比, 如图 1 所示。并且下部煤层 开采境界越大, 需要增加内排运距的排弃量越大, 运 输费用越高。因此, 近水平复合煤层露天矿下部煤层 开采境界不能简单地按式 1 确定的经济剥采比进 行圈定, 而应该综合考虑开采下部煤层对上部煤层经 济效益的影响。 图 1开采复合煤层剥、 采、 排工程位置关系 Fig. 1Spatial relationship of stripping, mining and dumping engineering when mining multi- seams 2复合煤层露天矿下部煤层开采境界的优化 确定 2. 1复合煤层露天矿剥、 采、 排工程位置模型 为了分析计算复合煤层露天矿下部煤层开采境 界与开采成本的关系, 以含 A, B 两个可采煤层的露 天矿为例, 建立复合煤层露天矿剥、 采、 排工程位置模 型。其中 A, B 均为等厚水平煤层, 主采煤层 A 位于 上部, 如图 2 b 所示。上、 下煤层采坑底宽分别为 La, Lb, 内排土场与 A 煤采煤台阶、 B 煤采煤台阶、 B 煤采场上缘分别保持安全距离 m, 如图 2 所示。 由于开采 B 煤层导致 A 煤层上覆剥离物内排运 距增加产生的费用 Fz VzPyLz 2 式中, Fz为增加的运费, 元; Vz为 A 煤上覆剥离物运距 增大的剥离量, m3; Py为剥离运输单价, 元/ m3 m ; Lz为增加的内排运距, m。 根据图 2 确定的剥、 采、 排工程位置关系, Vz, Lz 可由式 3 表示。 Vz naAaη 3 η 2[ Lb m Hb hb cot β1 cot β2 ] 2La Ha ha cot β1 cot β3 Ha ha cot β1 cot β4 2La Ha ha cot β1 cot β3 4 Lz Hb hb cot α1 cot α2 m 5 式中, na为 A 煤层分层剥采比, m3/t; Aa为 A 煤层煤 量, t; η 为 A 煤层剥离物中增加运距的那部分剥离物 的占比, ; Ha, Hb分别为 A, B 煤层上覆剥离物平均 6802 第 9 期刘闯等 复合煤层露天矿下部煤层开采境界优化 图 2复合煤层露天矿剥、 采、 排工程位置的平、 剖面 Fig. 2Plan and profile maps of spatial relationship between stripping, mining and dumping engineering in multi- seams surface coal mine 厚度, m; ha, hb分别为 A, B 煤层平均厚度, m; α1为 B 煤层工作帮坡角, ; α2为内排土场工作帮坡角, ; β1为采场左侧最终帮坡角, ; β2, β3为 B, A 煤 采场右侧最终帮坡角, 设 β2 β 3, ; β4为内排土场 最终帮坡角, 。 将式 3~ 5 代入式 2 , 得 Fz naAa[ Hb hb cot α1 cot α2 m] P { y 2[ Lb m Hb hb cot β1 cot β2 ] 2La Ha ha cot β1 cot β3 Ha ha cot β1 cot β4 2La Ha ha cot β1 cot β3 } 6 分析式 6 可知, 增加的费用 Fz随 B 煤层采坑底 宽 Lb的增大而增大, 即近水平复合煤层露天矿下部 煤层开采境界越大, 上部煤层剥离成本越大, 经济剥 采比越小。 2. 2下部煤层经济剥采比的优化确定 由于近水平复合煤层露天矿下部煤层开采境界 范围的大小将显著影响上部煤层剥离费用, 因此, 为 使矿床开采的总体经济效益达到最优, B 煤需承担给 A 煤增加的剥离费用 Fz, 即在确定 B 煤层经济剥采 比时, 既需要保证既定利润, 还必须能够补偿额外的 剥离费用 Fz。 ΔP Fz/Ab 7 nBj d - a e ΔP b 8 式中, ΔP 为开采单位质量 B 煤造成开采 A 煤增加的 剥离费用, 元/t; Ab为 B 煤层煤量, t; nBj为 B 煤经济剥 采比, m3/t。 分析式 8 可知, ΔP 越小, B 煤经济剥采比越 大, B 煤开采境界范围越大, 煤炭资源采出率越大。 将式 2 , 3 代入式 7 得 ΔP LznaPy Kη 9 K [ 2La ha cot β1 cot β3 ] ha [ 2Lb hb cot β1 cot β2 ] hb 10 式中, K 为 Aa与 Ab的比值。 分析式 4 , 9 , 10 可知, η 随着 B 煤层采坑 底宽 Lb的增大而增大, K 随着 Lb的增大而减小。可 证明在 B 煤层及其上覆岩层厚度 hb, Hb保持稳定的 条件下, Kη 随着 Lb的增大而减小, ΔP 随 Lb的增大而 减小, nBj随 Lb的增大而增大。需要注意的是, 通常情 况下 Hb, hb也是随着 Lb的变化而变化的, 因此, n Bj随 着 Lb的变化没有明显的规律性, 需针对具体参数加 以研究。 2. 3下部煤层开采境界圈定 为确定下部煤层开采境界, 需构建下部煤层及其 上覆岩层厚度函数。选取计算剖面, 以 B 煤层采坑 一侧坑底作为零点, 建立随 x1点与零点距离变化的 B 煤层厚度拟合函数 h x 与 B 煤层上覆岩层厚度拟合 函数 H x , 如图 3 所示。 图 3建立煤、 岩层厚度拟合函数曲线 Fig. 3Building thickness fitting function curves of coal seam and rock strata 7802 煤炭学报 2015 年第 40 卷 根据建立的 h x , H x 函数, 计算坑底宽度为 Lb时 B 煤层及其上覆岩层平均厚度 hb Lb∫ Lb 0 h x dx/Lb 11 Hb Lb∫ Lb 0 H x dx/Lb 12 式中, hb Lb , Hb Lb 分别为坑底宽度为 Lb时 B 煤层 平均厚度及其上覆岩层平均厚度, m。 将式 11 , 12 求得的结果 hb Lb , Hb Lb 代 入式 8 , 求得随 Lb变化的经济剥采比 nBj。 综上所述, 笔者认为应按下式圈定复合煤层露天 矿下部煤层开采境界 nBk Hb Lb hb Lb γ ≤ nBj d - a e ΔP b 13 式中, γ 为煤层容重, m3/t。 3工程实例 3. 1工程背景 神华宝日希勒露天煤矿是典型的近水平复合煤 层露天矿, 其二采区从上至下赋存的有 12, 21, 3 号等 可采煤层, 如图 4 所示。在露天矿初步设计中, 确定 二采区主采煤层为全区可采的 12煤层, 深部境界以 12煤层底板为界, 21, 3 号煤层不予开采。本着充分利 用煤炭资源、 提高资源采出率的原则, 神宝公司对露 天矿二采区进行了补充勘探。根据 2012 年二采区补 勘报告, 在距离12煤层平均65 m 深处, 赋存有平均厚 度约 8 m 的 3 号煤层, 全区普遍发育; 在 12煤层与 3 号煤层之间, 赋存有平均厚度约 4 m 的21煤层。21, 3 号煤层均为低灰高发热量褐煤, 按境界剥采比按 Nk ≤6. 0 m3/t 的原则, 在二采区 3 号煤层局部有开采价 值。随着二采区 12煤层剥采工程的发展, 内排场追 踪推进, 3 号煤层、 21煤层及其上岩层逐步被内排压 埋, 致使露天开采方式将无法回采二采区的 3 号煤层 和21煤层。因此, 二采区3 号煤层开采可行性技术研 究及实施方案设计迫在眉睫。其中合理圈定二采区 3 号煤层开采境界是技术关键。 图 4二采区可采煤层位置关系 Fig. 4Spatial relationship of recoverable coal seams in second mining district 3. 2经济剥采比计算 根据地质资料提供的二采区剖面, 计算各剖面位 置经济剥采比, 确定下部煤层开采境界。下面以典型 剖面为例, 计算下部煤层经济剥采比。 12煤层平均厚度为23. 9 m, 容重为1. 16 t/m3 , 上 覆剥离物平均厚度为 97. 7 m, 分层剥采比为 4. 06 m3/t, 12煤采场坑底长为 2. 6 km; 3 煤采场工作帮坡 角为 18, 12, 3 煤采场左侧最终帮坡角为 26, 采场右 侧最终帮坡角为 24; 内排土场工作帮坡角为 14, 最 终 帮 坡 角 为 18;剥 离 运 输 单 价 为 1. 93 元/ m3km 。露天矿间接管理成本为 40 元/t, 最低盈 利标准等于间接管理成本。 将 21, 3 号煤层统一作为下部煤层考虑 统称 3 号煤层 , 确定煤层及上覆岩层厚度拟合函数 h x 2. 6 10 -9x3 - 1. 32 10 -5x2 - 0. 013x 12. 56 14 H x - 2. 15 10 -8x3 6. 73 10 -5x2 - 0. 035x 83. 98 15 将式 14 , 15 代入式 11 , 12 得 3 号煤层 及其上覆岩层平均厚度 hb Lb - 3 10 -10L3 b - 1. 09 10 -6L2 b - 2. 98 10 -3L b 13. 29 16 Hb Lb 3. 6 10 -9L3 b 1. 63 10 -5L2 b - 0. 016Lb 82. 826 17 式中, x, Lb∈ 0, 2 100 , 如图 5 所示。 图 53 号煤层及其上覆岩层平均厚度拟合函数曲线 Fig. 5Average thickness fitting function curves of No. 3 coal seam and its overlying rock strata 将式 16 , 17 代入式 13 , 得随 Lb变化的 3 号煤层境界剥采比 nBk和经济剥采比 nBj曲线, 如图 6 所示。计算结果显示, nBk随 Lb的增大而先减小后增 加大 nBj随 Lb的增大先增大至极大值点 P3 1 400, 5. 60 , 后平缓减 小。两 曲 线 相 交 于 点 P1 382, 4. 60 , P2 1 129, 5. 57 , 式 13 在区间[ 382, 1 129] 成立。因此, 该剖面 3 号煤层开采境界按 nBk nBj 5. 57 m3/t 圈定, 矿床开采的经济效益达到最大化。 经计算, 当不考虑 ΔP 时, 3 号煤层经济剥采比为 7. 0 m3/t, 比考虑 ΔP 时大 1. 43 m3/t。换言之, 受 3 号煤层所处位置的影响, 与传统方法确定经济剥采比 8802 第 9 期刘闯等 复合煤层露天矿下部煤层开采境界优化 图 6随 Lb变化的 3 号煤层境界剥采比 n Bk 和 经济剥采比 nBj 曲线 Fig. 6Pit- limit stripping ratio nBkand economic strip- ping ratio nBjcurves of No. 3 coal seam changing over Lb 相比, 开采 3 号煤层经济剥采比降低, 圈定的开采境 界变小。 3. 3二采区 3 号煤层开采境界圈定 根据神宝公司一号露天矿地质资料及二采区补 勘地质资料, 选取若干垂直于工作帮推进方向的地质 剖面图, 分别计算各剖面的 3 号煤层境界剥采比 nBk 和经济剥采比 nBj, 绘制剥采比曲线, 以确保资源采出 率为前提, 按 nBk≤nBj的原则圈定二采区 3 号煤层开 采境界。结合露天矿生产现状对 3 号煤层开采境界 局部进行调整, 得到的开采境界如图 7 所示。通过建 立三维地质模型进行计算, 二采区 3 号煤层可采储量 170. 74 106t, 开采 3 号煤层直接剥离量 672. 45 106m3, 平均剥采比为 3. 94 m3/t。 图 7二采区 3 号煤层开采境界 Fig. 7No. 3 coal seam mining limits in second mining district 4结论 1 对于近水平复合煤层露天矿而言, 其下部煤 层开采境界圈定不能简单地以传统价格法确定的经 济剥采比作为约束条件。 2 近水平复合煤层露天矿开采上部煤层经济 效益受下部煤层开采境界大小的影响 下部煤层开采 境界越大, 开采上部煤层需要增加内排运距的剥离物 越多、 运输费用越高; 反之, 则越少、 越低。在此基础 上, 以矿床开采经济效益最大化为目的, 对下部煤层 开采境界的优化是可行的。 3 实例研究证明了上述论断, 根据神华宝日希 勒露天煤矿二采区典型剖面的计算结果, 当考虑 ΔP 时, 3 号煤层经济剥采比为 5. 57 m3/t, 比不考虑 ΔP 时小 1. 43 m3/t, 提高了总体效益。 4 我国大多数近水平复合煤层露天矿都存在 下部煤层开采境界优化问题, 复合煤层露天矿下部煤 层开采境界优化方法具有广泛的推广应用价值。 参考文献 [ 1]张彤炜. 基于图论学的露天开采境界优化算法研究及程序设计 [ D] . 长沙 中南大学, 2008 2 -4. 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