一种基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法

技术领域

本发明属于露天采矿技术领域，具体涉及一种基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法。

背景技术

煤炭露天开采有诸多独具特色的优点：生产量巨大，最大的年产量已超过3000万t；回收能够达到95％以上；从劳动生产率看，全员劳动生产率高达100t/工以上；而且生产成本也较低；具备良好的劳动条件，同时具备高度机械化和集中化的特点，为实现现代化管理提供便利条件，有利于一体化露天煤矿生产与生态环境重建。我国主力开发的露天煤矿基本属于近水平赋存，整个煤田面积较大，一次开采的工作线长度过大，因此，需要划分采区逐个开采，由于生产能力大，使得目前的千万吨露天矿工作线达到1km～2km，每年可推进300m作业，剥采量非常惊人，结合煤田的走向结构进行分区处理，首采区多从煤层埋藏浅的位置开始拉沟，首采区结束之后依次转入二采区、三采区的剥采工作，直至完成全部开采任务，整个作业按照预先设定好的顺序逐步开采。

露天矿在分区开采时，当上一采区即将到界时，相邻采区可能会出现转向进入困难的现象，同时也会出现工作线缩短的缺陷，出现剥采比加大、排土空间紧张、运输系统布置困难、运距加大等一系列问题，必然会导致剥采严重失调、产能下降、矿山工程难以正常接续的被动局面。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中上一采区即将到界时，相邻采区可能会出现转向进入困难的现象，同时也会出现工作线缩短的缺陷，出现剥采比加大、排土空间紧张、运输系统布置困难、运距加大等一系列问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，所述优化方法包括如下步骤：

步骤S1，对矿床地质模型、采场排土场现状模型及资源开采条件进行分析；

步骤S2，确定边坡的形态及参数；

步骤S3，对排土场边坡形态及参数进行优化；

步骤S4，圈定开采境界、划分采区及确定开采顺序方案；

步骤S5，确定当前采区及其相邻采区间端帮的采排方案；

步骤S6，确定剥采程序、采区间过渡接续方案及采场，制定排土场建设发展规划；

步骤S7，编制采排工程进度计划及实施方案。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S1具体包括：

步骤S101，分析矿床地质模型、采场排土场现状模型，采用带约束的 Delaunay三角网凸包算法构建露天矿地形、采场、排土场、地质界面三维模型DEM；采用基于多层DEM的包络面固化成体构模法建立三维地质实体模型SOLID；

步骤S102，分析资源开采条件。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S201，分析采场工程地质特征，调查露天矿剥采工程现状、发展规划情况以及采场、排土场边坡地质概况，统计分析露天矿滑坡历史及变形情况；总结以往的工程地质调查成果，明确各层岩性、厚度，裂隙发育状态及特征、与边坡稳定性有关的地质构造、软弱层(面)的赋存状态、分布规律、接触关系及接触面的特征，判定边坡的坡体结构类型，定性评价边坡稳定性，确定重点研究区段；

步骤S202，分析与确定边坡岩土体物理力学参数；

步骤S203，分析采场边坡工程地质特征、潜在滑坡模式、变形破坏机制；

步骤S204，分析采场边坡稳定性及确定边坡形态参数，根据边坡重要程度、服务年限选定不同时期、区段和类型边坡的安全储备系数，对采场典型工程位置边坡进行稳定性计算和评价，分析边坡形态对边坡稳定性的影响，在此基础上对采场到界边坡参数进行优化，通过不同形态边坡稳定性分析，确定内、外排土场的边坡参数。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S3包括如下步骤：

步骤S301，分析确定排弃物料及排土场基底岩土体物理力学参数；

步骤S302，分析外排土场边坡稳定性及确定形态参数；

步骤S303，分析内排土场边坡稳定性及确定形态参数。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S401，圈定开采境界；

步骤S402，分析确定合理工作线长度及生产规模；

步骤S403，确定采区划分及开采顺序方案。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S6包括如下步骤：

步骤S601，确定采场、排土场工作线布置及发展方式；

步骤S602，制定相邻采区转向期间剥采排工程过渡接续方案；

步骤S603，制定采场、排土场建设发展规划。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S7包括如下步骤：

步骤S701，确定开采工艺及开采参数；

步骤S702，建立模拟开采模型；

步骤S703，确定生产模式、二量留设标准分析及合理推进强度；

步骤S704，确定年度计划工程位置及采剥工量；

步骤S705，规划剥离物流向流量及开拓运输系统布置。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S301中的排弃物料的力学指标分析方法为：

步骤S3011，根据地质地形图，确定外排土场的基底倾斜方向以及倾角；

步骤S3012，根据确定的倾斜方向及倾角对排弃物料的力学指标反分析；

步骤S3013，恢复已破坏边坡的原始状态，在分析边坡变形破坏机理的基础上，建立极限平衡方程，即稳定系数约等于F

步骤S3014，根据极限平衡方程计算滑面位置区域岩土的抗剪强度指标内聚力C和摩擦角

步骤S3015，选取不同排弃物料的内摩擦角对排土场稳定性进行试算，直至稳定系数Fs介于0.98～0.99时，该内摩擦角

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S302中分析外排土场边坡稳定性具体方法为：

步骤S3021，对基底逆倾条件下外排土场稳定性进行分析，分别对至少三种不同坡高条件下时的排土场的稳定性进行计算；

步骤S3022，对基底水平外排土场稳定性进行分析，基底水平条件下，分别对至少三种不同坡高时的排土场稳定性进行计算。

所述步骤302中分析内排土场边坡稳定性分析时，分别对至少五种不同坡高条件不同坡角时的内排土场的稳定性进行计算。

如上所述基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，作为优选方案，所述步骤S402中确定合理工作线长度具体方法为：

步骤S4021，根据各煤层在境界内的分布发育情况，在可达到的推进速度下，分析工作线长度与产能之间的关系；

步骤S4022，根据煤层数和煤层厚度的不同将整个采区划分为不同的单独区域，从而得到要达到某一目标产能时各单独区域的工作线长度、产能及工作线推进速度之间的定量关系。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明解决了将来实际生产中存在的技术经济问题。通过对亟待解决的主要技术问题进行深入研究，提出技术先进、经济合理、安全可靠的当前采区北帮及其它采区端帮采排方案，以及采区间过渡接续方案，达到减少二次剥离量、缩短运距、降低剥采比、产能可靠接续的目的，使露天煤矿达到减少二次剥离量、缩短运距、降低剥采比、产能可靠接续的目的，使露天煤矿在开采期间整体经济效益最大化。

附图说明

图1为本发明实施例的边坡稳定性分析参数优化流程图；

图2为本发明实施例的坡高80m，边坡角12°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图3为本发明实施例的坡高80m，边坡角14°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图4为本发明实施例的坡高80m，边坡角16°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图5为本发明实施例的坡高80m，边坡角18°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图6为本发明实施例的坡高100m，边坡角12°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图7为本发明实施例的坡高100m，边坡角14°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图8为本发明实施例的坡高100m，边坡角16°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图9为本发明实施例的坡高100m，边坡角18°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图10为本发明实施例的坡高120m，边坡角12°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图11为本发明实施例的坡高120m，边坡角14°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图12为本发明实施例的坡高120m，边坡角16°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图13为本发明实施例的坡高120m，边坡角18°时的排土场稳定性计算结果示意图；

图14为本发明实施例的境界内煤层发育分布区域划分图；

图15为本发明实施例的煤层间空间关系图；

图16本发明实施例的区域一3

图17本发明实施例的煤层间空间关系图；

图18本发明实施例的区域二3

图19本发明实施例的煤层间空间关系图；

图20本发明实施例的区域三3

图21本发明实施例的煤层间空间关系图；

图22本发明实施例的区域四3

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1～22所示，本发明提供一种基于露天矿分区开采工艺的开采方案优化方法，优化方法包括如下步骤：

步骤S1，对矿床地质模型、采场排土场现状模型及资源开采条件进行分析，步骤S1具体包括：

步骤S101，分析矿床地质模型、采场排土场现状模型，采用带约束的 Delaunay三角网凸包算法构建露天矿地形、采场、排土场、地质界面三维模型DEM；采用基于多层DEM的包络面固化成体构模法建立三维地质实体模型SOLID，为开采境界圈定，剥、采、排工程位置推进，采剥工程量、排土场容量的计算提供基础。

步骤S102，分析资源开采条件，对露天矿煤层的分布发育情况、剥采比的变化规律、断层的分布情况进行分析，这些因素是影响境界圈定、采区划分、开采顺序规划的重要因素，在考虑这些因素的前提下，结合开采现状，针对产能目标要求，对矿权界内剩余的开采范围重新圈定境界、规划采区。

如图1所示，边坡稳定性分析与参数优化技术路线，步骤S2，确定边坡的形态及参数，步骤S2包括如下步骤：

步骤S201，分析采场工程地质特征，调查露天矿剥采工程现状、发展规划情况以及采场、排土场边坡地质概况，统计分析露天矿滑坡历史及变形情况；总结以往的工程地质调查成果，明确各层岩性、厚度，裂隙发育状态及特征、与边坡稳定性有关的地质构造、软弱层(面)的赋存状态、分布规律、接触关系及接触面的特征，判定边坡的坡体结构类型，定性评价边坡稳定性，确定重点研究区段。

在露天开采过程中，在不同区段，将形成各种类型的采场、排土场边坡，由于地质条件和工程条件的差异，其变形破坏机理各异，给边坡稳定性分析及治理增加了极大难度。为减轻和消除滑坡对露天矿生产造成的威胁，为露天矿开采设计和工程实施提供依据，必须对后续剥采工程所形成的采场及排土场边坡稳定性进行深入系统地研究，优化设计边坡参数。

步骤S202，分析与确定边坡岩土体物理力学参数，对以往露天矿典型滑坡实例进行反分析，并结合以往的边坡稳定性分析成果，综合确定边坡岩土体物理力学参数。

步骤S203，分析采场边坡工程地质特征、潜在滑坡模式、变形破坏机制，分析地层岩性、地质构造、岩体结构、水及采矿工程活动等因素对边坡稳定性的影响；对各影响因素进行定性评价，确定滑坡的形成条件及诱发因素，分析可能造成的灾害；结合工程地质及影响因素分析结果，判定所涉及到的采场边坡、排土场边坡及由二者构成的复合边坡的潜在滑坡模式。

步骤S204，分析采场边坡稳定性及确定边坡形态参数，根据边坡重要程度、服务年限选定不同时期、区段和类型边坡的安全储备系数，对采场典型工程位置边坡进行稳定性计算和评价，分析边坡形态对边坡稳定性的影响，在此基础上对采场到界边坡参数进行优化，通过不同形态边坡稳定性分析，确定内、外排土场的边坡参数。

步骤S3，对排土场边坡形态及参数进行优化，步骤S3包括如下步骤：

步骤S301，分析确定排弃物料及排土场基底岩土体物理力学参数，步骤 S301具体包括：

步骤S3011，根据地质地形图，确定外排土场的基底倾斜方向以及倾角；

步骤S3012，根据确定的倾斜方向及倾角对排弃物料的力学指标反分析，反分析也称为反演，该方法是通过恢复已破坏边坡的原始状态，在分析其变形破坏机理的基础上，建立极限平衡方程，即稳定系数Fs＝1左右；据此反求滑面位置区域岩土体的抗剪强度指标内聚力C和摩擦角

步骤S3013，恢复已破坏边坡的原始状态，在分析边坡变形破坏机理的基础上，建立极限平衡方程，即稳定系数约等于F

步骤S3014，根据极限平衡方程计算滑面位置区域岩土的抗剪强度指标内聚力C和摩擦角

步骤S3015，选取不同排弃物料的内摩擦角对排土场稳定性进行试算，直至稳定系数Fs介于0.98～0.99时，该内摩擦角

步骤S302，分析外排土场边坡稳定性及确定形态参数，步骤S302中分析外排土场边坡稳定性具体方法为：

步骤S3021，对基底逆倾条件下外排土场稳定性进行分析，分别对至少三种不同坡高条件下时的排土场的稳定性进行计算，具体实施时，包括如下两种情况：

情况一，基底逆倾条件下外排土场稳定性分析：

基底逆倾条件下外排土场稳定性分析，以基底逆倾2°条件下为例，分别对坡高80m、100m和120m三种条件下不同坡角时排土场稳定性进行计算，如图2～13所示。

通过计算可知，当基底逆倾时，随着边坡角的减小和边坡高度的降低，边坡稳定性提高，其中边坡角减小更为明显；坡高80m、100m和120m三种条件下北排南帮排土场的稳定边坡角均为14°。

情况二，基底水平外排土场稳定性分析：

基底水平条件下，同样分别对坡高80m、100m和120m三种条件下不同坡角时排土场稳定性进行计算，其计算原理与情况一相同，通过计算可知，当基底水平时，同样随着边坡角的减小和边坡高度的降低，边坡稳定性提高，其中边坡角更为明显；坡高80m、100m和120m三种条件下北排南帮排土场的稳定边坡角均为14°。

情况三，内排土场稳定性分析：

对于内排土场，以基底顺倾1°为例考虑，分别对坡高160m、180m、200m、 220m和240m五种条件下不同坡角时内排土场稳定性进行了计算，其计算原理与情况一相同，通过计算可知，随着边坡角的减小和边坡高度的降低，内排土场稳定性提高，其中边坡角影响相对明显；坡高160m、180m、200m、 220m和240m五种条件内排土场的稳定边坡角均为12°。

步骤S3022，对基底水平外排土场稳定性进行分析，基底水平条件下，分别对至少三种不同坡高时的排土场稳定性进行计算。

步骤302中分析内排土场边坡稳定性分析时，分别对至少五种不同坡高条件不同坡角时的内排土场的稳定性进行计算。

通过上述分析可知，运用现场调研、工程地质踏勘、理论分析、极限平衡分析法等手段和方法，综合分析和评价神宝能源公司露天煤矿采场、排土场边坡的稳定性，确定采场、排土场边坡参数，为境界圈定、剥采排工程设计与安全实施提供了支持。可以得出如下结果：

(1)影响采场边坡稳定性的因素主要有坡体内部的软弱夹层、地下水、各地层岩体的物理力学性质及边坡形态等；影响排土场边坡稳定性的因素主要有排弃物料性质、基底形态及其力学特性以及排土场形态等。

(2)通过北排土场北帮滑坡反分析，确定了排弃物料的抗剪强度指标：内聚力为0kPa，内摩擦角为14°；结合以往的地质及边坡稳定性分析成果，确定了各地层及弱层的物理力学指标。

(3)选取外排场西帮和南帮边坡的安全储备系数为1.3，通过分析计算确定排弃高度为100～120m时，稳定边坡角为14°。

(4)选取内排土场的安全储备系数为1.2，通过分析计算确定排弃高度 160～240m时，稳定边坡角约为12°。

(5)控制采场边坡稳定的关键弱层有2个，第一个关键弱层位于12煤顶板以下11m处位置，第二个关键弱层为3

步骤S303，分析内排土场边坡稳定性及确定形态参数。

步骤S4，圈定开采境界、划分采区及确定开采顺序方案，步骤S4具体方法为：

步骤S401，圈定开采境界，为了规划生产规模，必须根据各煤层在境界内的分布发育情况，研究工作线长度、产能及工作线推进速度的关系，据此关系，在可达到的推进速度下，规划的产能和工作线长度在生产中才可能实现。以露天煤矿境界内赋有B、12、21、31煤层可采为例，B煤只分布在境界内的东南部，12煤在境界内全区发育，21煤分布在境界内的中、东部，31 煤在境界内全区发育。根据煤层数和煤层厚度的不同划分为五个区域如图14所示，区域一赋有12、31煤层可采，区域二赋有12、21、31煤层可采，区域三赋有12、21、31煤层可采，区域四赋有12、21、31煤层可采。分区域分析研究工作线长度、产能及工作线推进速度的关系，为产能规划及采区规划提供依据。

步骤S402，分析确定合理工作线长度及生产规模，复合煤层工作线长度、推进速度、煤层厚度关系的确定较为复杂，根据端帮的帮坡角、煤层之间的层间距，推算出各煤层工作线长度关系后，就可确定出工作线长度、推进速度、煤层厚度之间的关系。以露天煤矿端帮帮坡角按20°计算为例，煤的可采量为其体积乘1.16t/m

步骤S402中确定合理工作线长度具体方法为：

步骤S4021，根据各煤层在境界内的分布发育情况，在可达到的推进速度下，分析工作线长度与产能之间的关系；

步骤S4022，根据煤层数和煤层厚度的不同将整个采区划分为不同的单独区域，从而得到要达到某一目标产能时各单独区域的工作线长度、产能及工作线推进速度之间的定量关系

(1)区域一3

表1区域一1

表2区域一3

区域一只赋有1

①当3

②当3

③当3

④当3

工作线长度、推进度、产能指标落到图17阴影区域，露天矿就能完成产能3000万t/a～3500万t/a。

(2)区域二3

区域二赋有1

表3区域二1

表4区域二3

区域二赋有1

①当3

②当3

③当3

④当3

工作线长度、推进度、产能指标落到图18阴影区域，露天矿就能完成产能3000万t/a～3500万t/a。

(3)区域三3

区域三赋有B、1

表5区域三B、1

表6区域三3

区域三赋有B、1

①当3

②当3

③当3

④当3

工作线长度、推进度、产能指标落到图19阴影区域，露天矿就能完成产能3000万t/a～3500万t/a。

(4)区域四3

区域四赋有B、1

表7区域四1

表8区域四3

区域四赋有B、1

①当3

②当3

③当3

④当3

工作线长度、推进度、产能指标落到图21阴影区域，露天矿就能完成产能3000万t/a～3500万t/a。

步骤S403，确定采区划分及开采顺序方案。

步骤S5，确定当前采区及其相邻采区间端帮的采排方案。

步骤S6，确定剥采程序、采区间过渡接续方案及采场，制定排土场建设发展规划，步骤S的具体方法为：

步骤S601，确定采场、排土场工作线布置及发展方式；

步骤S602，制定相邻采区转向期间剥采排工程过渡接续方案；

步骤S603，制定采场、排土场建设发展规划。

步骤S7，编制采排工程进度计划及实施方案，步骤S7包括如下步骤：

步骤S701，确定开采工艺及开采参数。

步骤S702，建立模拟开采模型。

步骤S703，确定生产模式、二量留设标准分析及合理推进强度。

步骤S704，确定年度计划工程位置及采剥工量。

步骤S705，规划剥离物流向流量及开拓运输系统布置。

综上所述，本发明在深入分析露天煤矿开采设计、开采现状及矿田地质资料的基础上，建立了三维地质实体模型、开采现状模型等基础模型，为剥、采、排工程量计算提供基础；研究了采场及排土场边坡稳定性，计算确定了采场、排土场边坡形态参数，圈定了剩余资源开采境界；确定了工作线长度，规划了分区开采方案，提出了各采区工作线布置、推进方向、内排留沟/压帮、采区转向过渡接续方案，以及相邻采区端帮采排方案。在此基础上，进行了采场、排土场建设发展规划，并利用模拟开采技术，编制了神华宝日希勒露天煤矿2021年2800万吨产能、2022年3000万吨产能的剥采排工程进度计划。通过开展上述研究，得出如下结论：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。