近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究

近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究 近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采 比研究 第36卷第6期 2007年11月 中国矿业大学 JournalofChinaUniversityofMining&Technology Vo1.36No.6 NOV.2007 文章编号:i000—1964(2007)06—0743—05 近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究 才庆祥,周伟,车兆学,刘勇,彭洪阁 (1.中国矿业大学能源与安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008; 2.中国中煤能源集团公司企业管理总部,北京100011) 摘要:运用露天采矿学的基本原理,提出了端帮靠帮开采的基本方法,实现形式,基本条件以及 靠帮开采的意义,给出了靠帮开采剥采比的概念;在单一煤层和复合煤层情况下,推导出了2种 端帮靠帮开采方式的靠帮开采剥采比计算公式,建立了不同煤层厚度和覆盖物厚度对靠帮开采 剥采比影响趋势预测的数学模型和图示方法.结果表明:在近水平露天煤矿实施端帮靠帮开采, 可以降低剥采比,提高煤炭资源回收率和经济效益,同时也丰富了露天开采方法与设计理论. 关键词:露天煤矿;剥采比;端帮靠帮开采;数学模型 中图分类号:TD824.7文献标识码:A ResearchontheMiningMethodandStrippingRatioof SteepEnd—SlopeMininginSurfaceCoalMines withFlatCoalDeposit CAIQing—xx'ang,ZHOUWei,CHEZhao—xue',LIUYong.,PENGHong—ge (1.SchoolofMiningandSafetyEngineering,StateKeyLaboratoryofResourcesandMineSafety, ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221008,China; 2.EnterprisesManagementDepartmentofChinaNationalCoalGroupCorporation,Beijing100011,China) Abstract:Basedonthebasicprinciplesofsurfacemining,theessentialmethods,therealization form,thebasicconditionsandthesignificanceofthesteepend—slopeminingwereproposed. Theconceptofthesteepend—slopeminingstrippingrationwasputforward.Theformu1asof steepend—slopeminingstrippingratiowereobtainedundertheconditionsofthesinglecoal seamandmultiplecoalseams.Theforecastmathematicalmodelsandfigureillustratingmeth— odsofvariationtrendofsteepend— slopeminingstrippingratiowithdifferentthicknessofcoal seamsandoverburdenwereestablished.Theresultsshowthatthestrippingratioisreduced andtherecoveryratioandeconomicbenefitareimprovedwithsteepend— slopemininginflatted surfacecoalmine.Thecontenthasthevitalsignificanceforenrichingdesigntheoryandguiding theminingoperationofsurfacemine. Keywords:surfacecoalmine;strippingratio;steepend—slopemining;mathematicalmodel 传统的露天煤矿靠帮开采是指采场最上部工 作线到界后,下部工作线继续开采直至达到设计的 终了帮坡角的开采过程. 露天矿的开采境界包括露天矿的深度,底部的 周界和最终边坡角等要素?.在设计最终边坡角 时,通常采用静态极限平衡法,而且要求非工作帮 收稿日期:2007—03—13 基金项目:国家自然科学基金项目(50474069);十一五国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 (2006BAB16B00) 作者简介:才庆祥(1958),男,黑龙江省桦南县人,教授,博士生导师,工学博士,从事露 天采矿,边坡稳定,环境保护等方面的研究 E—mail:qxcai@vip.sohu.comTel:0516—83590501 744中国矿业大学第36卷 最终边坡服务于采场采剥作业的全过程,最终边坡 稳定系数取值偏高,而且最终边坡上还要设置保安 平盘和运输平盘.因此,设计的最终边坡角比实际 上能达到的稳定边坡角小. 我国大型露天煤矿基本为近水平煤层埋藏,采 用分区内排压帮开采程序,年产量和工作线推进强 度大,使得端帮边坡暴露面积和存在时间大大减 小.因此,运用露天采矿学基本原理,提出端帮靠帮 开采理论与方法,使得端帮帮坡角变陡,剥采比减 少,露天开采境界内的资源量增加或剥离量减少, 露天开采的经济效益增加]. 实施端帮靠帮开采应具备以下几个条件: 1)端帮边坡角在保持稳定的情况下,有加大 的可能,这是能够实现端帮开采的必要条件; 2)实施端帮靠帮开采的部分必须要有经济效 益,也就说开采的部分要使得剥采比小于经济合理 剥采比;从理论上说,只要煤层赋存的条件稳 定,帮坡角越大,剥采比越小,经济效益越好.但是 煤层往往在某个区域内出现变薄,缺失或尖灭,所 以分析其经济是否合理是决定端帮靠帮开采的基 础.; 3)靠帮开采时端帮空间要能够保证开采工艺 的布置以及符合设备作业空间的要求.而且应尽量 避免对正常采场工作面采剥作业的干扰. 1端帮靠帮开采方式 靠帮开采的核心是提高端帮的帮坡角,因此靠 帮开采有2种基本作业方式: 1)上部境界不动,下部境界向外推进.这种开 采方式可以增加生产露天矿煤炭采出量,降低生产 剥采比,提高经济效益和煤炭资源回收率,如图 1a. 2)下部境界不动,上部境界向内缩进.这种开 采方式在保证煤炭回收量基本不变的情况下,减少 了剥离量,提高了露天煤矿的经济效益,如图1b. 地面地面DE D (a)上部境界不动(b)下部境界不动 图1靠帮开采剥采比的计算示意 Fig.1Sketchmapforstrippingratiocalculationof steepend-slopemining 这两种方式的选用需要根据具体的条件具体 分析.上部境界不动的方式,可以多采出煤炭;下部 境界不动的方式,可以减少补充扩帮量.当煤层在 境界外比较稳定时,采用第一种靠帮开采方式,以 提高煤炭的回收量;当地面有重要建筑物需要重点 保护(如义马露天矿靠近陇海线,不断产生滑坡对 陇海线构成威胁)和煤层在端帮覆存不稳定时, 采用第2种靠帮开采方式.以减少整体的剥离量, 减少整体剥采比. 2靠帮开采剥采比 靠帮开采剥采比是指在实施靠帮开采过程中 采出的剥离物体积与原煤重量之比. 确定靠帮开采剥采比,就必须在所确定的区域 范围内,得出原煤和剥离物体积,V,则靠帮开 采剥采比 一,?K 式中:为靠帮开采剥采比,ITI./t;K为原煤容重, t/m.;V为剥离物体积,ITI.;V为原煤体积,ITI.. 2.1单一煤层 设预测区域钻孔资料中煤和上覆岩层厚度分 别为hc1.h.…h和h【1.h一h由于每年的推进 度对于一个露天矿来说是比较短的,煤层和上覆岩 层的变异程度是比较小的,因此可以将其平均厚度 看作随机变量,从而得到 E(H)一?h,一h,(2) E(H)一h一H.(3) 式中:h为煤层平均厚度的期望值,ITI;H为上覆岩 层平均厚度的期望值,ITI;H为煤层的厚度,ITI;H 为上覆岩层的厚度,ITI. 此时,可以按上述假设煤层为等厚的,有 ZXABC??ADE,设计的端帮帮坡角为a,靠帮开采 设计的端帮帮坡角为卢,下面分2种情况讨论: 1)当采用上部境界不动(如图la)时,其靠帮 开采剥采比为 H 两'(4) 式中:.为第1种靠帮方式的剥采比,ITI./t. 将上式变形为 一 赤'(5) 分别固定2个自变量H,h时,剥采比变化趋 势如图2. 第6期才庆祥等:近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究 (a)H不变(b)^不变 图2上部境界不动时的-h与一H曲线 Fig.2Curvesofl-hand1一H withtoppit—limitimmovable 在式(5)中,为了便于分析,令一Q,并对h 7/1 求导 dQ一 2K.(6) 在式(4)中,对H求导, 一 dT/1 一 2Hhq-2H2 dHKhH.(7)(+2)'… 根据图3和式(6),(7)可知:对于上部境界不 动的情况下,当H不变时,随着h的增大,靠帮剥 采剥采比7"/不断减小,并且减小速率逐渐减小;当 h不变时,随着H的增大,靠帮剥采剥采比7"/不断 增大,并且变化速率不断增大. 靠帮开采剥采比7"/越小,靠帮开采的经济效 益越好. 2)当采用下部境界不动(如图1b)时,此时的 靠帮开采剥采比为 /"/2一,?一——,,L 式中:7"/.为第2种靠帮方式的剥采比,ITI./t. 将上式变形为 ().+hK'(9) 分别固定2个自变量H,h时,靠帮开采剥采 比7"/.变化趋势如图3. (a)^不变(b)H不变 图3下部境界不动时的一h与一H曲线 Fig.3Curveof2-hand2一H withlowerpit—limitimmovable 由式(9)对H求导,得 丽 dT/2 一 Kh+h.(10)dH0.'… 由式(9)对h求导,得 dh=一Kh—Kh.(11)3Z.… 根据图4和式(10),(11)可知:对于下部境界 不动的情况,当h不变时,靠帮开采剥采比.随着 H的增大而增大并且变化速率逐渐变大;当H不 变时,靠帮开采剥采比.随着h的增大而减小,并 且变化速率逐渐变小. 稂据第2种开采方式(下部开采境界不动), .越大,靠帮开采的经济效益越好. 2.2复合煤层 当煤层为复合煤层时,需要对每一层煤进行预 测,利用对单一煤层的预测得到从上往下各个岩层 和煤层平均厚度的预测值:H,h,H.,h.…H, h.为此,需要从上往下绘出煤岩示意图(如图4), 从而计算 ===,(12) 』')ym 式中:s为示意图中所有岩石面积之和;S为示 意图中所有煤面积之和. 地面地咖 ?(szH—SzH) 3一 立———一, K?(s—SH)i:1 (18) 746中国矿业大学第36卷 式中n.为复合煤层下第1种方式靠帮开采剥采 比,m./t. 同理,当采用第2种开采方法时,可按照上述 方法进行分析. 3实例研究 3.1靠帮开采剥采比计算 安家岭露天煤矿煤层有3层煤,对整个矿区来 说,煤层厚度和覆盖物厚度都在不断变化,取采场 南端帮实际资料得到:H一60m,h一11m,H 一 38m,h2—13m,H3—5m,h3—5m,取ot一 34.,一42..根据第3.2小节的分析,有S.一0,S 一 364.7m,S2—510.7m,S3—1203.6m,S4 — 1507.9m,S5—1634.0m,S6—1765.22 m,计算得 n3—1.34m./t.(19) 靠帮剥采比较小,因此采用第1种靠帮开采方 式. 3.2靠帮开采工程量计算与效益分析 4煤及4煤以下台阶划分:4煤单独为一个 台阶;4煤与9煤之间的夹层厚度38m左右,按 剥离台阶高度15m确定,共划分为2个整台阶和 1个半台阶;9煤与11煤及9煤与11煤之间 的夹层分别各自为1个单独台阶,高度分别为13, 5,5m左右.设计的南端帮边坡构成及台阶划分见 图5. 地表 图5B断面靠帮开采算量示意图 Fig.5SketchmapvolumecalculationofBsection 表1南端帮B-B断面靠帮开采煤岩量表 TablelCoalandwastevolumesof southernend-slopeonB_Bsection 注:煤容重按1.53t/m,回采率按95计. 从安家岭露天煤矿南端帮煤层赋存情况看, 4煤,9煤和11煤的厚度分别为12.5,11.3,4.5 m,若影响距离按300m计算(年推进度),可获得 煤量为26.56万t,靠帮开采剥采比为1.37m./t. 取纯剥离成本10元/m.,纯采煤成本7元/t. 煤炭销售价格120元/t计.南端帮靠帮开采所产 生的经济效益为: 纯剥离成本:35.58万m./a×10元/m一 355.8万元/a 纯采煤成本:27.96万t/a×7元/t一195.72 万元/a 销售收入:26.56万t/a×120元/t一3187.2 万元/a 经济效益:3187.2一(355.8+195.72)一 2635.68万元/a 由此可见,安家岭露天煤矿南端帮实行靠帮开 采,经济效益是十分显着的. 4结论 1)在大型近水平露天煤矿进行端帮靠帮开采 技术上是可行的; 2)本文研究成果为实施露天煤矿端帮靠帮开 采提供了理论基础和一般方法; 3)只要开采方式选择得当,端帮靠帮开采就 可以提高经济效益.上部境界不动的方式,可以多 采出煤炭;下部境界不动的方式,可以减少扩帮量; 4)通过实例研究验证了本文研究方法和结果 的正确性与有效性.在安家岭露天煤矿南端帮实施 靠帮开采,此时的靠帮开采剥采比为1.37m./t, 每年多回采原煤26.56万t,获纯利润2635.68万 元; 5)我国大型露天煤矿多为近水平煤层埋藏, 采用分区内排压帮开采方法.因此,端帮靠帮开采 理论与方法具有广泛的应用价值,同时也丰富了露 天采矿设计理论与开采技术. 参考文献: [1]杨荣新.露天采矿学EM].徐州:中国矿业大学出版 社,1990. 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