元宝山露天矿合理工作线长度的研究

曹兰柱，林 木，丁春健

（1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.国家能源平庄煤业（集团）有限责任公司元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 024076）

露天煤矿的工作线长度的大小影响着煤矿企业生产中的采煤费用、剥离费用以及运输物料费用等综合成本费用的支出。一般而言，对于同一露天煤矿，当露天煤矿所运用的开采工艺和开采程序等其他条件不变时，随着工作线长度在一定范围内的增长，端帮所产生的剥离工程量占整个露天矿总剥离工程量的比重就相应降低，随之而来的是该露天矿的生产剥采比也相应的有所减少，年采掘排弃的费用也同样随之有所缩减，但运输费用会随着工作长度增大而增加；反之，随着工作线长度在一定范围内相应缩短，端帮所产生的剥离工程量占整个露天矿总剥离工程量的比重就增加，随之而来的是生产剥采比也相应的变大，采掘排弃的费用将有所增大，与此同时运输费用会随着工作长度缩短而减小。因此，在其他同等条件下，如矿区的地质赋存条件、生产规模、开采程序和开采工艺不变的条件下，理应存在一个合理的工作线长度，用以确保露天煤矿的经济效益最好，即煤矿年生产成本中采剥工程费用和运输费用最低。

1 露天矿概况

元宝山露天煤矿位于内蒙古自治区赤峰市境内，2019年经国家发改委审核批准该煤矿年生产能力由8.00 Mt/a核增至12.00 Mt/a，该露天煤矿采用连续生产工艺与半连续生产工艺相结合的综合开采工艺，露天煤矿上部表土第四系砂砾采用轮斗挖掘机-带式输送机-排土机的连续开采工艺，含煤、岩层地层采用单斗挖掘机-自卸卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺[1]。矿区主要含3个可采煤层，其中5＃、6＃2个煤层是露天煤矿的主采煤层，7＃煤以上煤层为改露天煤矿的开采煤层。露天煤矿现有生产设备轮斗挖掘机2台，半固定式破碎站5座，履带式排土机3台，12 m3的单斗挖掘机8台，91 t矿用自卸卡车34台，6 m3以上大型液压反铲2台，其他矿用工程设备及车辆约为100台[2]。

2 合理工作线长度

2.1 合理工作线长度确定原则

露天煤矿的工作线长度是一个受多因素影响而变化的值，每一个露天矿都存在一个在结合当前矿山的生产规模、市场经济波动变化、矿区勘探程度等因素的合理工作线长度，当影响因素变化时，应对工作线进行适当的变化与调整。在优化露天矿工作线长度时，应从经济与技术这2大方面做充分的考虑，以得到工作线长度的最合理值。因此，在对某一露天煤矿的工作线长度进行优化时，除了考虑不影响露天矿开拓运输系统布置，还应充分考虑到足够的工作长度用以确保采掘设备作业空间及作业设备数量趋于稳定，且采掘场内每个工作线长度应尽量保持一致，在确保露天煤矿安全生产的前提下确保能满足其生产能力的要求，并且减少采区内的转载次数，以避免开采过程中的二次倒运量的产生[3]。

2.2 正常推进时期合理采煤工作线长度

元宝山露天煤矿煤层地质参数见表1。

表1 元宝山露天煤矿煤层地质参数

我国露天矿设计规范中，建议采用单斗挖掘机-自卸卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺开采的露天矿年推进度应小于400 m[4]。结合元宝山露天矿年生产规模和矿区煤层赋存条件，单斗挖掘机-自卸卡车-半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺年推进度应为300～400 m[5]。按此计算露天矿的采煤工作线长度应为：

式中：Lg为采煤工作线长度，m；Ap为煤炭产量，t/a；νH为水平推进速度，m/a；h5、h6、h7为5＃、6＃、7＃煤层厚度；ρ5、ρ6、ρ7为5＃、6＃、7＃煤层密度；η5、η6、η7为5＃、6＃、7＃煤层回采率。

令Lg1、Lg2为水平推进速度νH1=300 m/a和νH2=400 m/a下所对应的工作线长度,则元宝山露天煤开采5＃、6＃、7＃煤层时，采煤工作线长度分别为：Lg1=490 m，Lg2=370 m。

2.3 正常推进时期合理剥离工作线长度

正常推进时期合理的剥离工作线长度应结合运输距离的变化，还要平衡因端帮剥离量变化所导致煤矿在开采过程中生产采剥比的变化，这些因素都影响了煤矿的经济效益变化。如工作线长度减小，虽运距有所缩减，但生产采剥比有所增加；反之，工作线长度相应增加，虽降低了某一时期的生产采剥比，但运距又有所增大[6]。因此，合理的工作线长度既不能过大也不能过小，经济合理的工作线应是在其它影响因素不变的前提下，使剥离所生成的费用最低的长度。

开采5＃、6＃、7＃煤组时，年剥离量V与工作线长度Lg的关系如下式：

则对于年产煤量Ap有：

于是生产剥采比n为：

式中：Vg为开采该煤组的剥离量，m3；H为剥离物平均厚度，m；α 为两端帮坡角，(°)；νH为水平推进速度，m/a；h为可采煤层厚度，m；ρ 为平均煤的密度，t/m3；η 为煤层的回采率，%；n为生产剥采比，m3/t。式（4）由2部分组成，其中是剥离量与采煤量的比值，称为整剥采比，其值在某一露天煤矿通常是一个固定值，而则是由端帮剥离量的变化而引起的生产剥采比的增加，其数值与工作线长度成反比。因此，整剥采比是生产剥采比的最小值，由于端帮剥离量的存在，实际的生产剥采比往往要大于该固定值，因此可以通过增加工作线长度的方法来减小生产剥采比[7]。

2.4 产能规模及技术可行确定合理工作线长度

确定合理的工作线长度除应匹配露天煤矿生产规模的大小以及符合露天煤矿开采技术的可行性，还应该综合考虑矿山的年推进度，矿田的地质赋存条件、开采工艺水平、工程装备性能等多方面、多角度综合分析来加以综合确定。

当某一露天煤矿的开采工艺和年推进度确定后，为达到露天煤矿设计生产能力的要求，当开采厚煤层时，工作线长度可在一定程度上缩减，反之当开采薄煤层时，工作线长度可相应增长；另一方面由于剥离台阶数量及工程设备的采装能力对推进速度影响较大，还需充分考虑台阶数量及相关剥离设备能力是否可以保证必要的推进速度，以确保开拓煤量，最终实现露天煤矿所要求的生产能力[8]。鉴于以上因素影响，在生产实际中常依据煤层厚度及相关设备采装能力的年推进度来确定露天煤矿工作线长度的合理值。当然，也可根据合理工作线长度来反推需要保证的年剥离推进度，再依据剥离推进度不小于采煤推进度的要求来验证露天煤矿剥离能力是否符合要求。产能规模及技术可行工作线长度Lg为：

式中：ν 为露天煤矿推进度，m/a。

对某些特定的水平或近水平煤层的露天煤矿来说，煤层平均厚度可以在理论上可以认为是不变的，这种条件下只需考虑露天煤矿的生产能力及推进度的影响。为了进一步分析元宝山露天煤矿产能规模及技术可行工作线长度的最优值，以元宝山露天煤矿主采煤层5＃、6＃、7＃煤为计算主体。我国露天矿设计规范中，建议采用半连续生产工艺的露天矿年推进度应小于400 m，依据上述分析所得相应的推进度分别取300 m/a及400 m/a这2个值，经济合理工作线长度应分别为370、390、410、430、450、470、490 m，元宝山露天煤不用推进度和工作线长度下的生产能力计算结果见表2。

表2 元宝山露天煤不用推进度和工作线长度下的生产能力

当工作线长度在390～410 m、以400 m/a作为年推进度时，元宝山露天煤矿的生产能力可以达到12.1～12.4 Mt/a，即可保证12.00 Mt/a的设计的生产规模。综上分析可知，为保证元宝山露天煤矿既能保证经济上合理又能达到预期生产规模的大小等的要求，同时综合其他多种因素并结合元宝山露天煤矿生产现场出发，最终选取410 m作为元宝山露天煤矿的合理工作线长度，将此工作线、长度值代入式（4）可得出相应的生产剥采比为6.38 m3/t，符合经济上对剥采比的要求。

3 结语

元宝山露天煤矿12.00 Mt/a的生产能力，采场的推进度应维持在400 m/a，合理的工作线长度达到410 m时，可确保煤矿企业的设计生产的产量规模。在设计露天煤矿和实际现场开采中合理的工作线长度，不但可以有效降低露天煤矿企业的年采剥成本和运输费用等生产成本的支出，并且可以有效提升露天煤矿的生产规模的大小，进而使得煤矿企业获得更大的经济价值与社会效益。