河曲露天煤矿采区转向方式研究.pdf

收稿日期：作者简介：刘震（），男，山西河曲人，工程师，现从事露天采矿设计与管理工作。河曲露天煤矿采区转向方式研究刘震，王晓民，吕贵龙，李瑞行，王恒荣，马力（山西焦煤集团山煤国际河曲露天煤业有限公司，山西 忻州 ；西安科技大学 能源学院，陕西 西安 ）引言露天煤矿一般由于生产规模、设备型号、现场生产情况等因素将矿田分成若干个独立的采区进行开采 ，在转向过渡期间，采区转向方式等因素对矿山生产成本与生产稳定性有很大的影响，可能会造成工作线长度过长、初期投资较大、原煤接续紧张、运距加大等问题，进而影响工作面布置、采排成本与剥采比等因素 ，所以露天矿在面临采区转向时应提前对转向方式进行论证与研究。由于二采区首采工作面布置方式在很大程度上取决于首采区向二采区转向方式，因此，研究最佳采区转向接续方式是确定二采区首采工作面的基础。目前，国内对露天煤矿的采区转向研究颇为重视，如红沙泉煤矿、东露天矿、黑岱沟露天矿、天池能源南露天矿、安家岭露天矿、安太堡露天矿等都曾经刘震王晓民吕贵龙等河曲露天煤矿采区转向方式研究 年摘要：河曲露天煤矿在首采区服务年限结束后面临的采区转向问题可能会严重影响河曲露天煤矿的经济效益与正常的生产工作，进而影响河曲露天煤矿工作面布置、采排成本与剥采比以及后续的发展，基于以上原因开展对河曲露天煤矿首采区转向二采区的合理过渡转向方式的研究工作。通过对重新拉沟、扇形转向、缓帮留沟 种转向方式的特点进行分析并进行多方面论证，结合运距、外排量、煤质变化与平均剥采比等工程因素进行综合考虑，基于经济上合理、工程上适用的原则对种转向方式使用集值迭代法确定不同指标所占有的权重，最终使用 评价法得出使用缓帮留沟方法转向为最佳转向方式。关键词：评价法；采区转向；扇形转向；重新拉沟；缓帮留沟中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，“”：；研究区概况河曲露天煤矿开采深度达到 左右，首采区临近开采终了并进入二采区开采。首采区与二采区相邻布置，首采区采空区压帮内排增加了二采区的二次剥离成本 。首采区采空区形成的内排土场采用留沟内排方式，在首采区西端帮邻近二采区位置预留深度达 的深沟。该沟的预留可以有效地减少首采区内排土场压帮对二采区开采的二次剥离影响，节省二次剥离成本。但该沟的预留却致使首采区的内排空间不能完全释放，增加首采区内排土场的负担以及剥离物料转排的剥离运输成本 。如何协调首采区与二采区间转向接续关系，对河曲露天煤矿开采成本控制以及经济效益具有重要意义。基于露天采区过渡的 种基本方式，提出 种转向方案，从经济与开采技术等方面确定最佳的转向方案，在最佳转向方案基础上确定二采区首采工作面的布置方式 。大型露天矿相邻采区过渡方式主要有连续式和间断式 类。根据河曲露天煤矿工程地质条件及现场实际情况，提出首采区过渡至二采区 种基本方式。河曲露天煤矿共划分 个采区，将首采区西部区域作为二采区。由于中部区域、南西部区域圈定的露天开采境界不连续，故将其分别作为三采区、四采区，采区划分如图 所示。转向方式分析评价连续式过渡方式主要分为直角缓帮过渡方式与扇型过渡方式，其特点是根据工程实际使用的工作帮和存在或者正在形成的端帮向着新采区进行转向过渡工作。其过渡方式较为自然，并不需要进行二次拉沟，基础工程建设量小，运输设备的运输距离比较经济合理。间断式过渡方式的特征主要是在前一个采区开采工作结束之前，在新生成的采区内开始重新拉沟并布置新的开拓运输系统，前一个采区与新采区之间不存在互相干扰与影响的情况。?图 采区划分 重新拉沟重新拉沟是指在上一个采区开采工作全部结束前，在新的采区开始重新拉沟并开发布置开拓运输系统。本方案从二采区北侧沟谷处重新拉沟，从北向南推进，平均工作线长度 ，每阶段沿 号煤底板推进，经过 个阶段后完成露天矿二采区转向工程，与首采区推进方向形成 转向，重新拉沟间断式转向方式示意如图 所示。?图 重新拉沟间断式转向原理及现场平面布置示意 重新拉沟主要特点：需重新拉沟，基建剥离工程量较大，需建外部排土场；采区间可采用全面压帮进行内排 ，实现双环运输 ，运输距离短；发生较大的二次剥离量，采深越大，重复剥离量越大；新采区的重新拉沟与原有采区的收尾工程不发生干扰。扇形转向扇形转向过渡是指在旧采区终了前，工作线的回转中心为新旧采区接续位置，向单一方向旋转推进 。本方案从现有内排土场西侧与二采区留沟第 期刘震王晓民吕贵龙等河曲露天煤矿采区转向方式研究研究采区转向这一重要课题。对于露天煤矿采区转向方面的现状与存在的问题，根据河曲露天煤矿的工程地质条件，展开首采区向二采区转向方式的研究。基于经济上合理、工程上适用的原则对 种转向方式进行适用性评价，使用集值迭代法对外排量、采区转向过渡的时间、平均工作线的长度变化、剥离物的综合运距、转向期间的平均剥采比、转向期间煤质的变化、开采工艺的适应性等因素进行指标权重评价 ，结合 评价法确定最优的转向方案 。处最南端为转轴点，进行扇形转向推进生产，工作线平均长度 ，以工作线南端小幅度推进北端每阶段推进 ，扇形转向原理及平面布置如图 所示。?图 扇形转向原理及现场平面布置示意 缓帮留沟缓帮留沟过渡是利用原采区端帮的一部分缓帮建设成新采区工作帮的过程 。该方案从首采区推进时就开始在西端帮边界处缓帮留沟，直至首采区推进结束通过所留设的沟在二采区向西推进，共分为 个阶段转向推进生产，工作线平均长度 ，转向原理与平面布置效果如图 所示。缓帮留沟过渡的主要特点：由于原采区留沟内排，导致内排卡车单环运输，增加卡车内排运距，从而增加运输费用。由于留沟，内排空间减少，相应的剥离量需加高内排高度或通过外排解决，增加卡车运距和相应的运输费用。转向过程中，采运排设备无需大迁移，因而管理相对简单，过渡期无需另建外部排土场。?图 缓帮留沟转向原理及现场平面布置示意 转向方式优选 转向过渡优选评价指标开采工艺的适应性：河曲露天矿采用的单斗卡车开采工艺对 种转向方式的适用性皆较好。转向期间的外排量：在河曲露天煤矿转向期间重新拉沟方式的外排量最大，缓帮留沟转向方式次之，扇形转向方式最少。转向期间煤质的变化：扇形转向比其他转向方式的煤质变化要大，缓帮留沟煤质变化最小。采区转向过渡时间：对于河曲露天煤矿生产而言，转向过渡的时间越小，对露天矿生产的不利影响就越小。间断式拉沟需要重新拉沟，转向时间最长，扇形转向时间要比留沟缓帮的时间要长，缓帮留沟转向所用时间最短。转向期间的平均剥采比：转向期间的平均剥采比直接决定了河曲露天煤矿的经济效益。间断式转向方式需要重新拉沟，因此它的平均剥采比最大；在河曲露天煤矿，缓帮留沟转向方式的平均剥采比扇形转向方式的平均剥采比略小。平均工作线长度：平均工作线长度是决定河曲露天煤矿产量的一项重要因素，它直接影响了采掘效率和运输设备的效率，间断式重新拉沟转向方式和缓帮留沟转向方式在转向期间的工作线长度变化陕西煤炭 年不大。剥离物的综合运距：河曲露天煤矿每年都会投入大量资金用于剥离物的运输，加之每年剥离物的总量巨大，所以减少剥离物的综合运距对河曲露天煤矿的经济效益提高明显。缓帮留沟转向方式由于存在内排留沟，综合运距要高于扇形转向。采区转向方式影响指标评价见表 。表 转向方式的影响指标评价 影响指标转向方式直角缓帮扇形转向重新拉沟外排较多较少最多过渡时间最短较长最长平均剥采比视情况而定视情况而定最大平均工作线长度变化不大变化较大可控性较强开采工艺适应性适应性较高适应性较高适应性较高煤质变化稳定稳定稳定剥离物料综合运距综合运距大较小视情况而定 转向方案对比分析种转向方案剥采工程量分析：重新拉沟初期剥离排弃空间较紧张，生产接续较复杂，待完成拉沟推进，工作面正常推进时采排关系会趋于合理。该方案平均水平剥离运距 。重新拉沟分阶段采剥关系见表 。表 重新拉沟分阶段累计采剥 阶段累计可排弃量 累计剥离量 累计原煤量 平均剥采比（）扇形转向推进过程中，初期剥离排弃空间相对较紧张，其次，扇形转向过程中，同一工作面由于两端推进强度的不同，造成较多的三角工程量，对爆破、采装效率影响较大。该方案平均水平剥离运距 。扇形转向分阶段采剥关系见表 。缓帮留沟推进过程中，转向过程中，采运排设备无需大迁移，因而管理相对简单，过渡期无需另建外部排土场。其次，相比于扇形转向，三角工程量较少，对爆破、采装效率影响较小。该方案平均水平剥离运距 。缓帮留沟转向分阶段采剥关系见表 。表 扇形转向分阶段累计采剥表 阶段可排弃量 剥离量 原煤量 剥采比（）表 缓帮留沟转向分阶段累计采剥 阶段可排弃量 剥离量 原煤量 剥采比（）种转向方案平均运距分析：重新拉沟平均水平剥离运距 ，扇形转向平均水平剥离运距 ，缓帮留沟转向平剥离运距 ，缓帮留沟方案运距最小。转向方案技术评价：扇形转向相比重新拉沟方案在工作面逐渐打开的过程中，内排空间随着采剥工作面推进打开较快，一定程度上缓解初期排土压力，缓帮留沟转向的推进过程中各个阶段的采排关系均合理可行，相比扇形转向过程中，同一工作面由于两端推进强度的不同，造成较多的三角工程量，对爆破、采装效率影响较大，缓帮留沟推进工作面更灵活，生产更易组织。转向方案经济评价：通过对河曲露天煤矿工程实际运距、剥采比、工作线以及外排量等多因素对 种方案进行综合对比分析，见表 。表 种方案对比分析 方案外排量 运距 工作线长度变化剥采比（）重新拉沟 小 扇形转向 大 缓帮留沟 小 第 期刘震王晓民吕贵龙等河曲露天煤矿采区转向方式研究 指标权重确定影响指标权重确定：转向期间的外排量（）、采区转向过渡时间（）、平均工作线长度变化（）、剥离物的综合运距（）、转向期间的平均剥采比（）、转向期间煤质的变化（）、开采工艺的适应性（）。各评价指标对采区划分的影响程度取决于各指标权重，并且权重是方案优选的关键性指标。选取集值迭代法确定指标权重，其原理如下。设 ，爥，为有限论域，爥，选初始值 （），然后（，爥，）按下完成计算。在 中选 优选属于 的 个元素得 的子集（）（），（），爥，（）（）在 中选 优选属于 的 个元素，得 的子集（）（），（），爥，（）（）（）在 中选 优选属于 的 个元素，得 的子集（）（），（），爥，（）（）（）假设自然数 满足 ，则在第 步迭代终止。的覆盖频率式中，（）为集合（）的特征函数，将 （）归一化即可得各指标权重。由 位专家 ，对采区转向各项指标进行优先排序，最终得到权重集 （，）（，）。评价法 原理是在比选方案中选出最优指标和最劣指标，并分别组成理想方案和最劣方案，然后计算出理想方案和各比选方案贴近度，由此给各比选方案进行排序，选出最佳方案。评价指标同趋势化通常把低优指标转化为高优指标，即 。且所有指标按对采区划分的影响有利程度小、一般、中等、强烈、极端分别进行 、定量分析评价。矩阵归一化 槡 （）槡（）式中，为评价 在第 指标值；为第 评价对象在第 指标值；为经 倒数转化后值。归一化矩阵 爥 爥 爥（）最优值、最劣值向量分别取归一化矩阵每行的最大值、最小值为最优向量 与最劣向量（，爥，）（，爥，）（）各评价所有指标与最劣方案及模型理想方案的距离 （）槡 （）槡（）式中，为第 个评价对象到最劣方案和模型理想方案的距离；为第 指标权重。计算各方案与理想方案的贴近度（）贴近度 越大，说明越接近模型理想方案，离最劣方案越远，即所比选最佳方案。转向方式确定通过上述 评价法以及各比选方案评价指标参数，计算确定出各比选方案贴近度见表 。表 比选方案贴近度 方案重新拉沟 扇形转向 缓帮留沟 由表 可知，最大，即缓帮留沟最接近模型理想方案，因此缓帮留沟为河曲露天煤矿转向最佳方案。（下转第 页）陕西煤炭 年（）（）（）（）（，爥，）（）一系列尺寸。如露天煤矿矿山道路交通标志只按照速度制作，矿用卡车驾驶员将无法辨认，从而难以确保露天煤矿矿山道路行车安全，因此需要根据具体情况制定一套科学的、完整的适合露天煤矿矿山道路的交通标志标准。参考文献：张健东，张瑞新，贾洪军，等 我国露天煤矿智能化发展现状及重点问题分析 煤炭工程，（）：李峰 我国高等级公路交通标志及其设置的研究 人类工效学，（）：，苏海云 露天矿山道路质量标准化建设的重要性 露天采矿技术，（）：，煤矿工业露天矿矿山运输工程设计标准 廖晓靖，把余韬，张伟 关于道路交通标志的认知模型 工业工程与管理，（）：周长春，姜浩然，李锐，等 道路交通标志单因素视觉信息易读性研究 科技创新与应用，（）：张伯明 交通标志汉字视认性的研究 公路交通科技，（）：王元珠 露天矿矿山运输道路交通标志设计 陕西煤炭，（）：林雨，潘晓东，方守恩 交通标志的视角阈值研究 公路，（）：，道路交通标志和标线 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第 页）结论（）通过前期对比分析，根据河曲露天煤矿的工程地质条件，在首采区转向至二采区过程中，提出了 种基本转向方案，即缓帮留沟、扇形转向、重新拉沟。（）重新拉沟初期剥离排弃空间较紧张，生产接续较复杂，且初期剥离运距较长。扇形转向同一工作面两端推进强度的不同，造成较多的三角工程量。缓帮留沟转向的推进过程中各个阶段的采排关系均合理可行，相比扇形转向过程，缓帮留沟推进工作面更灵活，生产更易组织。（）基于集值迭代 评价法确定首采区转向至二采区最佳转向方案为缓帮留沟转向方法。参考文献：曹博，陶亚彬，白润才，等 倾斜煤层窄长露天矿分区开采分期境界优化 重庆大学学报，（）：王肇东 分区开采露天煤矿采区接续剥采工程优化研究 阜新：辽宁工程技术大学，张子光，韩勇，白继元 红沙泉露天煤矿首采区转向研究 露天采矿技术，（）：，于海里，王兆刚，孙宇霆 露天矿采区转向方案评价研究 露天采矿技术，（）：李德顺，许开立，李春晨 基于集值迭代的多专家主观权重确定方法的研究 金属矿山，（）：，常全胜 露天煤矿采区转向接续研究现状综述 露天采矿技术，（）：付巧峰 关于 法的研究 西安科技大学学报，（）：周永利，才庆祥，周伟，等 露天煤矿压帮内排端帮稳定性变化规律研究 煤矿安全，（）：马力，刘晨东，罗强，等 相邻露天煤矿边帮煤开采内排留沟高度优化 采矿与安全工程学报，（）：刘光伟，李成盛，于渊 露天煤矿采区接续方案 科技导报，（）：才庆祥，姬长生 大型露天煤矿采区转向方式研究 中国矿业大学学报，（）：周伟，才庆祥，李玉鹏，等 大型近水平露天煤矿内排压帮高度研究 煤炭科学技术，（）：车兆学，才庆祥 露天煤矿内排时期下部水平开拓运输系统优化 煤炭科学技术，（）：杨日，肖兵，黄月军，等 胜利一号露天矿扇形转向过渡位置优化 露天采矿技术，（）：常治国，李克民，陈亚军，等 露天矿采区直角转向缓帮留沟深度研究 煤炭工程，（）：第 期王元珠露天煤矿道路交通标志文字高度的研究