基于产量目标的露天煤矿倒堆台阶高度优化研究＊

时间：2024-07-28

马力吕粲李克民彭洪阁丁小华肖双双刘干

（中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116）

拉斗铲倒堆开采工艺是一种先进的合并式开采工艺，集采掘、运输、排土于一体。国外通常采用抛掷爆破技术配合拉斗铲一同应用，可以将30%以上的剥离物抛掷到采空区，进一步降低了剥离费用。因此，采用抛掷爆破拉斗铲倒堆剥离工艺具有生产能力大、效率高、剥离费用低等优点。黑岱沟露天煤矿通过扩能改造技术，引进大型拉斗铲设备应用在煤层顶板45m 的高台阶的剥离中，使矿山生产能力达到22 Mt／a。然而，由于拉斗铲倒堆作业直接位于煤层顶板，其揭露煤层速度是直接影响煤炭产量的重要因素。露天煤矿逐年扩能，而为保证生产能力的持续供给，需合理调节倒堆台阶高度，即重新分配间断工艺与倒堆工艺剥离比重。

在倒堆工艺条件下，露天煤矿生产能力主要受倒堆台阶高度和有效抛掷率的影响，与工作线长度及采掘带宽度之间的关系较小。而倒堆台阶高度也是直接影响有效抛掷率的重要因素，因此，研究优化合理的倒堆台阶高度对保证露天煤矿生产能力具有重要意义。

1 台阶高度与有效抛掷率之间的关系

有效抛掷率受煤层厚度、台阶高度、炸药单耗、孔网参数、采空区形状等因素影响。然而，因煤层厚度、采空区形状对有效抛掷率影响较小，且工程条件具有不确定性，宜归结为外因；而台阶高度、炸药单耗及孔网参数直接影响有效抛掷率的大小，归为内因。从抛掷爆破参数特征来看，台阶高度是影响有效抛掷率的关键决定性因素，且与以弹道理论为基础的公式（1）所描述的台阶高度与抛掷距离的关系相符。

式中：S——抛掷距离，m；

v——抛掷初速度，m／s；

α——抛掷爆破台阶坡面角，（°）；

l——抛掷点与落地点的高差，即台阶高度，m。

对与深孔爆破炮孔长度而言，在增大台阶高度的同时，超深和堵塞长度保持不变，提高了装药长度占炮孔长度的比例，提高了炮孔利用率。因此，在其他条件不变时，增大台阶高度可相应地增大炮孔间距。为分析台阶高度对有效抛掷率的影响，选取黑岱沟露天煤矿现场实际抛掷爆破统计数据，见表1，绘制了有效抛掷率与台阶高度之间的关系曲线，如图1所示。

表1 黑岱沟露天煤矿不同台阶高度情况下抛掷爆破统计数据

图1 黑岱沟露天煤矿有效抛掷率与台阶高度关系

从图1可以看出，有效抛掷率随台阶高度的增大而增大，其影响程度逐渐降低，当台阶高度增大到一定程度时，有效抛掷率不再受台阶高度变化影响。为确定有效抛掷率与台阶高度之间相互影响的变化关系，根据图1曲线拟合有效抛掷率η与台阶高度H 函数为：

式中：H——倒堆台阶高度，m；

η——有效抛掷率，%。

式（2）拟合相关系数R2=0.8017，有效抛掷率与倒堆台阶高度的二次函数有关，呈现先增大后降低的趋势。除台阶高度外，炸药单耗是影响有效抛掷率的另一重要因素，此处仅为分析台阶高度对有效抛掷率的影响，式（2）是在炸药单耗0.67kg／m3时确定的函数关系。

2 倒堆台阶高度对露天煤矿生产能力的影响

煤层上部采用倒堆工艺追踪式开采方式的露天煤矿，倒堆工艺的推进度是直接影响露天煤矿生产能力的重要因素。在倒堆工艺工作线长度及拉斗铲年生产能力确定的前提下，拉斗铲系统推进度与选择的倒堆台阶高度呈负相关。因此，倒堆台阶高度是最终影响露天煤矿生产能力的关键决定因素。露天煤矿年生产能力计算式：

拉斗铲年需完成剥离作业量为：

式中：M——露天煤矿年生产能力，t／a；

V——拉斗铲年需完成剥离作业量，m3／a；

Lm——煤层工作线长度，m；

L——拉斗铲平均工作线长度，m；

ks——松散系数；

γ——煤容重，t／m3；

D——推进度，m／a；

h——煤层平均厚度，m。

而相对拉斗铲设备自身而言，年最大生产能力Qmax为：

式中：Qmax——年最大生产能力，t／a；

A——拉斗铲作业采掘带宽度，m；

Qc——拉斗铲小时能力，m3／h；

δ——拉斗铲作业有效利用率，%；

T——拉斗铲年计划动用时间，h；

tk——拉斗铲全年开切时间，h；

tkA——开采一幅的开采时间，h；

λ——开切效率，%；

tx——拉斗铲全年走行时间，h；

txA——拉斗铲开采一幅的走行时间，h。

为保证年剥离任务，要满足拉斗铲设备能力大于需完成作业量，即：

将式（4）、（5）、（8）代入式（3），可得：

式中：β——端帮边坡角。

将式（2）带入式（9）中，可以得出露天煤矿生产能力与倒堆台阶高度关系为：

露天煤矿生产能力受多种因素共同影响，煤层厚度为自然因素，无法根据产量需求调节，而拉斗铲设备生产能力及相关作业及走行时间也基本固定不变。因此，从构成露天煤矿生产能力的众多因素而言，唯有工作线长度、采掘带宽度及倒堆台阶高度为可调节因素，而倒堆台阶高度是最主要的关键性决定因素。

3 实例分析

黑岱沟露天煤矿2011 年生产能力达31 Mt，是我国在生产露天煤矿中单坑生产能力最大的露天煤矿。其如此高的生产能力，得力于独具特色的综合式开采工艺，上部黄土采用轮斗连续工艺剥离，中部45～75m 厚岩石采用单斗挖掘机—汽车间断工艺剥离，台阶高度15～20 m；下部煤顶板以上40～45m 左右岩石采用抛掷爆破—拉斗铲无运输倒堆剥离工艺。煤层平均厚度28.8 m，煤的容重1.47t／m3，平均有效抛掷率为34%，松散系数1.3，拉斗铲平均工作线长度2200m，采掘带宽度为80m，采煤工作线2120m，端帮边坡角为60°。采用BE8750-65 拉斗铲，拉斗铲小时作业能力3938m3，年计划动用时间7200h，拉斗铲作业有效利用率为95%，每幅走行时间12h，每幅开切时间8h，开切效率为90%，采掘带宽度80m。将相关参数带入式（11），计算出不同台阶高度H 条件下的生产能力变化情况，见表2和图2。

从图2可以看出，随倒堆台阶高度的增大，露天煤矿生产能力逐渐降低，其主要表现为倒堆作业量的增大影响煤层揭露速度。通过函数拟合，确定露天煤矿生产能力与倒堆台阶高度之间的关系式为：

露天煤矿生产能力与倒堆台阶高度的二次函数有关，相关系数R2=1。为保证露天煤矿达到年设计产量要求，需调整合适的台阶高度与之相适应，如要达到33Mt／a的生产能力，需调整台阶高度在37m 以下。

图2 黑岱沟露天煤矿生产能力与倒堆台阶高度变化曲线