分区开采露天煤矿采区接续剥采工程优化研究.pdf

分类号T D 8 2 4 U D C 6 2 2 。8 学校代码 10 14 7 密级公开 博士学位论文 | I I l ll ll ll ll lIl lI l llI II Y 2 9 9 8 6 4 5 分．区．牙．采露．悉煤矿．采．区．攮续． 剥．采。王．程．傀．化研．究． J ⋯OJ ●1 1⋯■■⋯’ U D t l m l Z a t l o nK e s e a r c h0 US t r l D p l n ga n d 上v l l n l n g ⋯●●- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I ⋯⋯山⋯岫⋯- - nn i i i i i i i ⋯B ⋯⋯⋯■⋯ E n g i n e e r i n 2o fM i n i n gb VA r e aS u r f a c eC o a lM i n e A r e au r l a c e o a ld u r i n g E n g l n e e r l n gA 1 l n l n gb y⋯⋯⋯⋯．．g 旦￡里里g 。． M L n - - - - - ．- ．m - - - g ⋯A ⋯⋯r ⋯e a ⋯⋯C ⋯o n t i ⋯n ⋯u ⋯e nuii■ 作者姓名王肇东 指导教师宋子岭 教授 申请学位工学博士 学科专业采矿工程 研究方向露天开采理论与技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解堑主互程堇苤太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意逞宝王程堇苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名 即f ，年6 月7 秒日 导师签名 护c 厂年6 月9 6 日 万方数据 致谢 教诲如春风，师恩似海深。首先要感谢的人莫过于导师宋子岭教授，从论文选题、调 研、撰写以及定稿整个过程，无不凝聚着导师的心血。导师深厚的学术造诣、敏锐的科学 洞察力、严谨的治学态度和求实的工作作风将使我受益匪浅，是我今后努力践行的榜样， 将激励着我在今后的工作、学习和生活中不断地探索和进取。在工作中和生活上导师亦给 予了我无微不至的关怀。值此论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的谢意 衷心感谢辽宁工程技术大学对我的培养，感谢矿业学院和研究生院领导和老师，在我 攻读博士期间给与的大力支持与帮助。更要感谢曾在各方面给予我很大帮助的白润才教 授、曹兰柱教授、魏春启教授、范军富副教授、王东副教授、赵景昌讲师、刘光伟讲师， 感谢他们在我读博期间对我学习上的指导、生活上的关怀、工作上的支持；感谢此次答辩 委员会的各位评审老师们，感谢你们在辛勤的工作之余来审阅我的论文； 在论文的写作过程中得到了仲涛博士、薛冰峰博士等人的帮助，在此一并致以诚挚的 谢意 感谢在参考文献中列出的以及没有列出的所有给予我启发的研究成果的作者 在攻读博士学位和工作期间，得到了家人的理解、支持和鼓励，在此致以深深的谢意 感谢各位专家百忙中对论文的评阅和赐教 万方数据 摘要 我国大型露天煤矿多采用分区开采，相邻采区间必然存在一个转向过渡接续的技术难 题。通过对转向方案及转向期间的采剥工程问题进行研究，深入剖析不同转向方案的工程 特点、适用范围，明确了主要影响因素，通过理论分析、实验室试验、数值模拟，建立了 剥采工程优化模型，并应用于安家岭露天煤矿转向过渡工程中，验证了优化模型的正确性。 基于不同转向方式的工程特点、适用范围，明确了采区接续期间的限制因素和优化目 标，并进行了建模量化分析，基于分区开采露天煤矿基本转向方式，提出了剥采工程量表 叠加法确定采区接续工程位置确定方法。根据转向期间的边坡服务性质、周期和稳定性要 求等基本参数，分类讨论了边坡的几何及力学特征，提出了采区接续期间，边坡的安全管 理和时效优化分析方法。对不同转向方式的特点和约束条件进行分析，明确了连续型和间 断型转向方式的主要约束条件，建立了考虑设备、资金约束及时效边坡与经济运距的露天 煤矿不同转向方式的综合评价模型。针对安家岭露天煤矿开采条件和剥采排工程现状，对 露天矿的首采区向二采区转向接续方案进行研究，提出了四种转向接续方式，综合边坡和 经济耦合的目标，利用综合优化模型确定了安家岭露天煤矿最佳转向方式为“L ”形转向 方案，确定了合理接续工程位置。 关键词分区开采；露天煤矿；转向方案；剥采工程；接续工程位置 万方数据 A b s tr a c t M o s to fC h i n a ’Sl a r g es u r f a c ec o a lm i n eu s e st h ep a r t i t i o nm i n i n g ．T h e r ei sn e c e s s a r ye x i s ta t e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e mo ft r a n s i t i o np a s s i n gc o n t i n u eb e t w e e nb o r d e ru p o nm i n i n ga r e a ．T h i s p a p e rr e s e a r c h e so nt h et r a n s i t i o nm e t h o da n ds t r i p p i n ge n g i n e e r i n gp r o b l e m sd u r i n gp e r i o d ．I t d e a l sw i t ht h ed i f f e r e n tt r a n s i t i o nm e t h o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s c o p eo fa p p l i c a t i o n ，a n dm a d et h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o r sc l e a r ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rs t r i p p i n ge n g i n e e r i n gi se s t a b l i s h e d t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i n g ．A f t e ra p p l i e do nt r a n s i t i o ne n g i n e e r i n g p r o b l e mo fA n j i a l i n go p e n p i tm i n e ，t h ec o r r e c t i o no ft h eo p t i m i z a t i o nm o d e lh a sb e e na c h i e v e d ． B a s e do ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o ns c o p eo fd i f f e r e n tt r a n s t i o ns c h e m e s ， t h el i m i t i n gf a c t o r sa n do p t i m i z e dg o a li nt h ep e r i o do fm i n i n ga r e at r a n s t i o nh a sb e e nc l e a r ，a n d t h em o d e lw a se s t a b l i s h e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ．A c c o r d i n gt ot h eb a s i ct r a n s t i o nw a yo f p a r t i t i o nm i n i n go p e n p i tc o a lm i n e ，t h em e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r df o rt h em i n i n ga r e a c o n t i n u ee n g i n e e r i n gp o s i t i o nd e t e r m i n a t i o nb ys t r i p p i n ge n g i n e e r i n gs u p e r p o s i t i o nm e t h o d ． A c c o r d i n gt ot h es l o p es e r v i c et i m ea n ds t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h es l o p e g e o m e t r ya n dm e c h a n i c a lw e r ec l a s s i f i e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h es l o p es a f e t ym a n a g e m e n ta n d t h et i m e l i n e s so p t i m i z a t i o na n a l y s i sm e t h o dw a sp r o p o s e di nt h ep e r i o do fm i n i n ga r e ac o n t i n u e ． A f t e ra n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt r a n s i t i o nm e t h o d s ，t h e m a i nc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fc o n t i n u o u sa n dd i s c r e t et r a n s i t i o nm e t h o dh a sb e e nc l e a r ．T h e c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e lf o r d i f f e r e n tt r a n s t i o ns c h e m e so fo p e np i tm i n et h a t c o n s i d e r i n ge q u i p m e n t ，c a p i t a lc o n s t r a i n t s ，t i m e l i n e s ss l o p es t a b i l i t ya n de c o n o m i ch a u lw a s e s t a b l i s h e d ．C o n t r a p o s et h em i n i n gc o n d i t i o na n dc u r r e n ts i t u a t i o no fs t r i p p i n ga n dm i n i n ga n d d u m p i n ge n g i n e e r i n go fA n ji a l i n gs u r f a c ec o a lm i n e ．I tr e s e a r c ho nt h ef o u rt r a n s t i o nc o n t i n u e s c h e m e sb e t w e e nf i r s tt os e c o n dm i n i n ga r e ao fo p e np i tm i n e ．C o m b i n et h ec o u p l i n gt a r g e to f t h es l o p ea n dt h ee c o n o m i c ，t h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o nm o d e li su s e dt od e t e r m i n et h eb e s t w a y f o rA n j i a l i n go p e n - p i tc o a lm i n ei st h e ”L ”t y p et r a n s t i o ns o l u t i o n ． K e yW o r d s M i n i n gb ya r e a s ；S u r f a c ec o a lm i n e ；T r a n s i t i o nm e t h o d ；S t r i p p i n ga n dm i n i n g e n g i n e e r i n g ；T h em i n i n ga r e ac o n t i n u ee n g i n e e r i n gp o s i t i o n ．I I ． 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1选题背景与研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1露天矿分区开采及转向研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2露天矿边坡研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3露天矿经济问题研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．2 ．4露天矿剥采工程优化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．3主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 1 ．3 ．2研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2露天煤矿采区转向方式及接续工程位置确定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．1露天煤矿采区接续的关键技术问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．1 ．1分区开采重要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．1 ．2采区转向接续的关键技术问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2采区转向方式影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．2 ．1露天开采工艺因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．2边坡稳定性因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．3工程量因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3分区开采露天煤矿采区转向方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．1‘L ’形转向过渡方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．2扇形顺时针 逆时针 转向过渡方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．3重新拉沟过渡方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．4留沟缓帮转向方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．4采区转向接续工程位置确定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 万方数据 2 ．4 ．1露天矿矿床地质模型及模拟开采模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4 ．2新旧采区剥采工程量表叠加法确定采区接续工程位置⋯⋯⋯．2 8 2 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3采区接续期间的边坡稳定性分析及靠帮开采方案优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．1转向期间边坡服务周期时间计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1 ．1边坡的服务性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．1 ．2边坡的服务周期时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．2边坡的几何及力学特征与实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．2 ．1不同方案的边坡几何结构差异⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．2 ．2边坡岩体力学参数的时效性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．2 ．3力学参数实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 3 ．3转向期间边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．3 ．1不同边坡的稳定性要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 3 ．3 ．2边坡稳定性分析方法与选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 3 ．3 ．3采区转向接续期间的边坡数值模拟模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．4转向期间靠帮开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 3 ．4 ．1靠帮开采的有利边帮⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 3 ．4 ．2采掘平盘宽度的调整方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 3 ．4 ．3靠帮开采的经济效益评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 4采区接续期间剥采工程优化模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．1采区接续期剥采排工程模式及优化模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．1 ．1考虑设备约束的推进与扩帮同步工程模式的优化模型⋯⋯⋯．6 0 4 ．1 ．2考虑资金约束的推进与拉沟工程模式的优化模型⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 4 ．1 ．3多约束因素耦合条件下接续期剥采排工程优化模型⋯⋯⋯⋯．7 1 4 ．2接续期剥采排模型关键因子优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 4 ．2 ．1考虑边坡工程可行性因子优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 4 ．2 ．2考虑运距的经济因子优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 万方数据 4 ．3综合经济与边坡工程因子的工程优化模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 4 。3 。1考虑经济与边坡工程因子的综合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 4 ．3 ．2工程优化模型的计算流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 4 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 5基于经济与边坡管理的安家岭露天煤矿转向方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 9 5 ．1安家岭露天煤矿开采概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．2 考虑边坡管理与经济耦合条件下的采区转向方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．2 ．1 转向期间基础参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 l 5 ．2 ．2L 形过渡方案边坡管理与工程位置参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 5 ．2 ．3其他过渡方案参数研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 0 5 ．2 ．4转向过渡方案的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 4 5 。3本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 8 6结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 9 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 11 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 0 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题背景与研究意义 一直以来，能源作为人类社会赖以生存和发展的物质基础，对人类生产和生活提供了 根本的动力来源，在一定的社会条件下，也是经济发展的制约因素。近些年来，能源消费 水平随着我国经济的迅速发展逐年增长，也产生了不断扩大的能源结构，但整体上来说能 耗水平仍然偏高，更加突出了能源瓶颈制约问题，有待进一步升级能源结构。如何在提高 我国能源开发和资源利用率的同时，协调与经济、社会、环境发展，是我们面临的一个重 要发展战略问题。 国内已开发的能源资源种类少，其中主要是煤炭、石油、天然气、水电和核能，同样 作为一次能源产品，相比之下，煤炭具有投资强度低、投资周期较短、生产效率较高等优 势，因而煤炭资源被我国重点开发。当前来看，世界上只有少数几个国家以煤炭为主要能 源，作为其中国家之一，煤炭的比例在一次能源中甚至超过了7 0 ％，不难看出，对于我国 经济发展和现代化建设来说煤炭资源的意义是十分重大和特殊的。 在我国经济大步向前迈进的同时，煤炭行业在我国的地位大有中流砥柱之势【l J 。从历 史数据看，我国一次能源消费量在1 9 9 0 年为9 ．8 7 亿吨标准煤，这一数据竟然以约为6 ．2 ％的年平均增长率在2 0 0 9 年攀升至3 l 亿吨标准煤，在1 9 9 0 年至1 9 9 9 年期间平均为3 ．3 7 ％期间6 ．9 ％为最高一年的增长率；2 0 0 0 年至2 0 0 9 为高速增长阶段，年平均为8 ．8 4 ％，这 期间最高的增长率为1 6 ．1 ％；经过计算2 0 0 5 年以来的平均增长率保持在8 ．8 2 ％。全国平 均能源消费弹性系数在1 9 9 0 年至2 0 0 0 年期间为O ．3 2 ，这一系数在2 0 0 1 年至2 0 0 9 年期间 增长到了0 ．8 3 ，其中，2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别达到了1 ．5 3 和1 ．6 0 。从数据看来，在新的时 代背景下，能源对我国经济的发展起着愈来愈重要的作用，每增加1 ％的G D P ，对能源需 求的增长率是9 0 年代平均水平的2 ．7 倍。我国正在逐步加强调整产业结构，淘汰落后产能 方式，关闭高耗能的落后企业，但能源的需求依然十分强烈。我国煤炭是重要的基础能源 和工业原料，是最丰富的能源矿产，在国家常规能源储备中占9 0 ％，在国家经济及能源安 全中具有重要的战略地位I 5 I 。 露天开采【l 】既是在实体上构造空间又是在空间上构造实体的复杂动态过程，地表在这 个过程中会有起伏变化，大型岩土工程也在这个过程中周期性交替，煤炭资源在采场从形 成到消失的过程中得到充分的回收。优先发展露天开采是世界各产煤大国的政策[ 2 1 。世界 主要产煤国有加拿大、德国、澳大利亚、印度、美国、俄罗斯，露采产量均占有很大比重， 露采产量比重依次为为8 8 ％、7 8 ％、7 1 ．2 ％、7 0 ．5 ％、6 7 ．0 ％、5 8 ．2 ％。我国煤炭开采主要以 万方数据 分区开采露天煤矿采区接续剥采工程优化研究 井工开采而不是露天开采，原因是煤炭资源赋存条件相对较差，而煤层又埋藏深。在生产 成本上，上述国家露天开采成本低于井工7 5 ％．8 3 ％，生产效率高于井工矿7 - 9 倍。国内条 件下，露天开采和井工开采对比，吨煤投资比井工低2 0 ％．3 0 ％，建设工期短1 ／4 ．1 ／3 ，生产 成本低1 5 ％，3 0 ％，生产效率高1 倍以上，煤炭回收率达9 5 ％，百万吨死亡率为国有井工矿 1 ／3 0 。假设我国露天采煤的比重得到提高，同时也会提高煤炭资源回收率，这种趋势下我 国可节约可采储量上百亿吨。不难看出，改变煤炭开采技术方式，提高露天开采在全国总 产量中的比重，这是保障开发煤炭资源的有序合理，提高煤炭资源安全十分重要的一条途 径。目前，我国露天煤矿年总产量已接近5 亿吨，露天煤矿作为其中的重要组成部分，对 于整个行业的进步和发展起到了巨大的推动作用。我国大型露天煤矿多数为复合煤层近水 平赋存、采深多达数百米，采用分区开采、高强度推进，并实行压帮内排【3 圳。 煤炭露天开采有诸多独具特色的优点生产量巨大，根据实际情况，最大的年产量己 超过3 0 0 0 万t ，回收率较高，回收率达到9 5 ％以上。从劳动生产率看，全员劳动生产率高 达l O O t ／工以上，而生产成本较低，安全程度大幅提高，并且具备良好的劳动条件，同时具 备高度机械化和集中化，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。 8 0 年代以来，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，目前的千万 吨级露天矿工作线达到l k m - 2 k m ，每年可推进3 0 0 m 作业，剥采总量非常惊人。露天开采 过程中，在产量规模、开采强度、设备规格及经济性等因素的约束下，对于近水平及缓倾 斜矿床，分区开采是一种常见的方式。结合煤田的走向结构进行分区处理，首采区的多从 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【6 J ，整个作业按照预先设定好的顺序进行逐步开采。 分区开采是一种提高开采效率和经济效益的作业方式，但不是提高矿山经济效益的唯 一方式，之所以在采用分区开采，除了上述原因之外，还存在其他因素，其中经济因素就 是露天矿面临的主要因素，如果采用纵向拉沟、横向推进时，整个采场的工作线会非常大， 汽车运输距离明显提高，这将会极大的增加运输成本，因此，对于赋存条件良好的露天煤 矿多采用分区开采方式1 7 j 。在采场推进过程中，充分结合采场现状及所在位置的地质条件、 岩性特征，进行合理的工程方案优化，可优化的因素有提高边坡角、减小运输距离，优化 采场结构、提高设备效率等。 分区开采对于露天煤矿具有一定的积极效应，但同样会给矿山生产造成一定的不利影 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 响，将煤田划分成若干采区，采区之间如何顺畅接续就是露天矿所必须面临的工程问题， 采区之间接续的过程称为转向过程，转向期间内外侧的工作线推进速度不同，两侧的运输 距离相差较大，同时，采场上下部工作线长度不同，转向过程中，新采区的超前剥离增加 的剥采比和旧采区靠帮开采降低的剥采比不能相互抵消。新采区地形结构、煤层走向变化 及开拓运输系统调整，这些因素共同影响着采区接续工程的复杂性。采区转向会面临很多 技术难题，尤其是剥采的不均衡以及开拓运输系统的重新调整，会极大的扰动剥离物料的 走向、流向，排土空间的合理优化，已经超前剥离成本的核算等【l8 I 。 论文针对近水平赋存、分区开采的露天煤矿，在采区接续期间的剥采工程问题进行研 究，综合露天开采基本知识理论和不同岩性及胶结情况的边坡稳定性分析理论，以及技术 经济学的基础知识，进行转向方案的技术经济比选。具体涉及边坡角度的确定及优化，剥 采工程量的核算，空间运输成本模型的建立，以及不同方案的经济性评价。基于安家岭露 天煤矿采区转向问题进行实例研究，提供适合该露天矿的最佳转向方案。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 。1露天矿分区开采及转向研究现状 现在的大型近水平露天矿绝大多数采用分区开采的方式，其目的是减少基建投资，减 少占用耕地，缩短内排运输距离。但这样的开采方式势必会出现采区转向问题，这又关系 到很多问题，如外排量大小，运距远近，产量的接续等。目前，采区转向方案有间断式和 连续式两种，连续式的转向顺畅性较好，借助原有的工程条件建设新采区；连续式转向又 有留沟缓帮连续式和扇形推进连续式两种。前者是将开采方向改变9 0 。，本质是把原来的 采区端帮当成现在的工作帮；而后者是确定转向中心，工作线做扇形运动，实现所需角度 的转动作业，间断式转向方案，是脱离旧采区，在新采区重新拉沟基建、开采资源，间断 式转向方案新旧采区之间相互干扰较少，但是对设备能力的考验较大‘1 9 , 2 0 , 3 0 ] 。 朱建新[ 3 2 】对黑岱沟露天矿转向问题进行研究，综合对比两种连续式转向方案 扇形转 向、缓帮留沟直角转向 的优劣性，然后结合量化对比进行了综合评价，主要从开采工艺 的适应性角度进行了转向方案的评价，由于黑岱沟露天煤矿开采工艺复杂，兼具连续、半 连续、间断工艺和拉斗铲倒堆工艺，如果采用扇形转向，其他工艺可以顺利转向，但是拉 斗铲无法与之配合，如果采用缓帮留沟直角转向，现有的这些工艺均可以顺利过渡。但是 不可避免的存在一些问题，比如卡车运输距离远，剥离排弃量大。 才庆祥【3 7 】多年来一直致力于露天开采和边坡工程的研究工作，并且在全国大型露天矿 万方数据 分区开采露天煤矿采区接续剥采工程优化研究 山均进行应用，取得了良好的效果，也给一些矿山带来了巨大的经济效益。针对中煤平朔 安家岭露天矿，才庆祥教授及其团队对安家岭露天煤矿采区转向问题进行了全面的研究， 探讨了多种转向方案，并根据转向过程中的变动因素进行探究，确定该露天矿转向过程中 的合理工作线长度、采剥工程量、生产剥采比等技术指标。 转向期间的主要任务是确定剥离物的排弃的地点和排弃量的大小，合理的开拓运输系 统布置将会直接影响整个矿山的生产成本，由于很多因素的影响，导致露天矿开拓运输系 统并不能够达到最经济的程度，随着开采作业和采场的不断推进，每年的剥采工作重心都 在发生改变，基于这一特点，中国矿业大学对安家岭露天矿转向问题进行研究，提出了每 年剥采工作地点的差异特性，根据这一特点，设定不同地点的排弃物选择最优的运输道路， 来减小运输距离以提高经济效益；为减小运距，可适当加快开采进度提前靠帮，若是征地 工作可以顺利实施，可以考虑就近新建排土场来排弃转向期间的剥离土石方量；而且缓帮 作业应该尽早实施并且与旧采区保持良好的协调关系，避免出现旧采区到界后，新采区的 土石方剥离作业已经完成，造成旧采区留下一个采坑，并持续很长时间的现象。新建的外 排土场可以有效的降低剥离物的运输距离，提高经济效益Ⅲ】。 整理现有的研究成果可知，目前对于煤田采区划分的研究技术较为成熟，而且通过安 家岭、黑岱沟等大型露天煤矿的应用，已经取得了较好的应用效果。但是每个露天矿都有 各自的地形条件，在面对转向问题时，会表现出不同的特征和技术难度，而且，大型露天 煤矿采用的开采工艺和设备各不相同，因此，在对露天煤矿转向问题进行研究时，应该充 分结合地形、地质结构、开采工艺进行研究，追求转向作业过程中的最大经济效益。 1 ．2 ．2 露天矿边坡研究现状 露天煤矿作为采掘作业的主要场所，涉及到众多设备和人员的参与。由于地质因素、 自然条件及人为因素的交互影响，露天煤矿高陡边坡经常出现滑坡现象。露天矿滑坡是一 种重大的工程灾害，会掩埋采场、冲垮道路、危及人员和设备的安全，造成较大的直接或 间接经济损失。从露天开采发展历史角度来看，边坡滑坡一直影响着露天矿山的安全生产， 有些滑坡甚至造成了巨大的经济损失。国内外露天矿山对于边坡稳定性都非常重视，对于 边坡安全的研究课题也不断出现，对于这个复杂的工程技术问题，需要从内部机理进行分 析和研究，电子计算工具的出现大大提升了数据处理计算的速度，也为边坡稳定性分析提 供良好的研发和应用平台。从边坡失稳的内部机理进行探究，揭示造成边坡滑塌的根本原 因，将复杂的非线性力学问题进行模型化和单元化处理，解决了很多复杂的边坡问题。对 于边坡稳定性的研究历史已经超过百年，期间形成了丰富的理论和物化成果【7 】，边坡的发 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 展方向也随着基础理论的完善和研发工具的产生从定性逐渐向定量方向发展。 自古以来，边坡滑坡事故就经常出现，有资料记载的滑坡报道也非常多，一次次的惨 痛教训让人们明确了对于边坡稳定认识的严重不足，必须从力学机理上进行分析研究，灾 难性的滑坡事故成了边坡研究理论发展的基本动力。传统的稳定性评价基于统计数据和经 验规律，通过对天然边坡的形成机理和岩层产状、构造进行分析，基于长期的观察结果， 判断边坡的发展趋势，并预估滑坡可能发生的几率。这是一种基本的定性评价方法，评价 方法较为简单，但是准确度相对较低，在对天然边坡的评价上应用效果较好，对于露天矿 的动态变化边坡，应用效果较差。 1 9 2 0 年以来，极限平衡原理被引入边坡稳定性评价【45 | ，在短期内就取得了较好的效果， 并在岩土工程界得到了迅速的推广。1 9 1 6 年瑞典条分法是最早对圆弧滑动模式进行力学分 析，将滑体进行竖直条分，然后逐条进行力学分析和力学效应累加。之后F e l l e n i u s 1 9 3 6 年 、B i s h o p 1 9 5 5 年 J 、M o r g e n s t e r n 、P r i c e 1 9 6 5 年 和J a m b u 1 9 7 3 年 等很多的专家学者 不断的改进条分法的计算精度和条件【4 6 1 。B i s h o p 法是以瑞典条分法基础上的改进和发展， 该方法考虑了条块之间的剪切应力，力学系统更为严谨，考虑的因素更多，并且采用显式 迭代计算方法，计算结果精度更高，但是B i s h o p 法没有考虑滑动过程中条块之间在竖直方 向上的相对错动。J a n b u 法可以分析曲折滑面圈定滑体的稳定系数，通过合成作用力确定 其作用点，然后计算其安全系数。S p e n c e r 法对稳定性分析方法进行了进一步的改进，并且 省去了对滑动方向的假设，同时可以求解滑体不对称的问题，在整体滑体的稳定系数求解 的基础上，还可以进一步分析局部区域的安全系数矢量方向【4 7 1 。 随着计算机技术的不断更新，边坡稳定性分析获得了较大的改进和发展，二维分析的 精度和可靠性相对较低，三维稳定性评价已经成为近期的主流发展模式【4 引，不仅如此，还 兼顾主要外部因素 诸如水、震动 的影响。边坡工程专家众多，百家争鸣，很多学者针 对露天矿边坡展开研究，从分析方法、预测方法、滑坡模式以及治理方案都获得了较大的 发展。B u d i a n s k yB e m a r d 等【4 9 J 人对裂隙中的弹性模量进行了研究，得到了较好的结论； S e r r a n oA ．等【5o 】对节理发育岩体的各项异性特点进行了研究，并通过实验测定了其极限荷 载；R o s eN ．D ．等【5 l J 用通过对监测数据的反演分析揭示滑坡的发展过程；S t a c e yT ．R ．等【5 2 1 研究了露天矿边坡稳定性与几何结构的函数关系和影响规律；B y eA ．R ．【5 3 J 研究了南非 S a n d s l o o t 露天矿的边坡稳定性病对边坡角度设计；N o o nD ．[ 5 4 】人设计了边坡监测方案，并 将边坡雷达应用于边坡危险区域监测；P a t n a y a kS i b a b r a t a 【”】人采用多种方法进行了露天矿 边坡稳定性的对比分析，并得到这个露天矿的边坡稳定状态；M o 街t tK ．M ．等【5 6 J 研究了自然 万方数