中煤平朔安太堡露天矿排土规划研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目中煤平朔安太堡露天矿排土规划研究中煤平朔安太堡露天矿排土规划研究 英文题目英文题目The research on dumping engineering project of China Coal Energy Group Co. Ltd. Ping Shuo AnTaibao surface mine 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 孙健东 学号学号 201002099 学科学科（（领域领域））名称名称 采矿工程 指导教指导教师师 刘敬国 职称职称 高级工程师 协助指导教协助指导教师师 郝全明 职称职称 教授 2013 年 6 月 8 日 分类号分类号 T TD8 D8 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 论文简要介绍了安太堡露天矿开采现状，在第三采区遇到的芦子沟背斜对开 采过程中造成了以下影响剥离厚度增加，剥离台阶增加，运距变大，剥离费用 增加剥采比增大， 按现有设备能力无法完成公司预定的产量任务； 煤层倾角较大， 以目前设备和生产组织将使露煤量减少，生产接续困难；进入背斜东翼范围内， 地表下降，原有的部分运输道路被切断，而且煤层底板下降也需要建立新的开拓 运输系统；背斜东翼影响范围内煤层底板倾角较大，实现内排困难，有的区域甚 至无法实现内排。 为解决以上问题，实现合理的排弃规划，根据安太堡露天煤矿的地质报告、 储量核实报告、各煤层的钻孔资料等资料构建了安太堡露天煤矿的矿床地质模型。 据此对煤层赋存状态分析了表土、覆岩、4 煤、9 煤、11 煤的厚度；对煤层底板变 化规律做了简要分析，并对安太堡露天矿在背斜影响区域的煤层倾角和典型剖面 做了统计和分析，并进行了定量化的评价，为下面进一步安太堡过背斜期间生产 技术方案提供基础数据和设计依据。应用开采优化模型对原定的现采区开采程序 即基准方案的开采技术条件，包括煤岩量、剥采比、生产能力、均衡生产、内外 排和运距以及直接成本的变化进行了客观系统的分析研究。 论文接着对安太堡露天煤矿的生产能力进行了分析，得出自营设备的穿孔环 节总能力 12400 万立方米、采装环节总能力 12430 万立方米、运输环节总能力为 12345 万立方米，结合开采程序方案以及改造后的开拓运输系统，论文对采场内排 弃空间、采场外排弃空间做了分析，对于内排土场在背斜构造地段是否能够安全 作业做了稳定性计算，得出稳定系数为 1.20，符合国家规范要求。对目前可安排 外排土场的位置进行了分析，依据外排选择的原则，确定了羊圈排土场、南寺沟 排土场、马关河排土场三处外排位置。合理选择了外排土场的位置及相关参数。 根据剥采工程安排，计算了各年排弃空间需求，根据剥采工程安排与排土场 形成的时间和空间关系，对各年的排土容量进行了详细的计算，依据排土计划安 排原则，应用流量流向线性规划模型对 9 年的采排量做了优化规划，编制了 9 年 排土计划和运距高差表。 关键词关键词安太堡露天煤矿；排土规划；复垦计划；背斜 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract This paper give an outline of the Antaibao open pit mining of the status quo, of the reed Zaigou encountered in the third mining area anticline mining process resulted in the following effects,peel thickness increases, increased stripping bench, the transport distance is larger, peel expenses increased stripping ratio increases, the company is scheduled production tasks can not be completed according to the capacity of the existing equipment; seam dip angle is large, the amount of exposed coal will reduce equipment and production organization, production continuation difficulties; 3, enter the anticline within the East Wing, surface dropped, the original part of the carriage roads are cut off, and the decline in coal seam floor also need to create a new pioneering transport system; 4, the anticline east wing of the impact within the seam floor large inclination angle, Noi Bai difficult, Some regions even can not be achieved within the row. In order to solve the above problem, a reasonable disposable discharge planning, according to the the Antaibao surface mine geological report, reserves verification report, each seam drilling data and other ination to build a Antaibao Opencast Coal Geological model. Analysis of topsoil, overburden rock, under which the state of the coal seam 4 coal, coal, coal thickness; made a brief analysis of the variation of the seam floor, and Antaibao open pit mine in the coal seam dip angle of the the anticline impact area The typical profile of statistics and analysis, and quantitative uation further the Antaibao over anticline during production technology program to provide basic data and design basis for the following. The application mining optimization model program intended exploitation of the active mining area that is the benchmark programs mining technology conditions, including the amount of coal and rock, stripping ratio, production capacity, balanced production, inside and outside the row and the transport distance, and changes in the direct costs of the objective system analysis of research. The paper went on to open pit coal mine production capacity Antaibao analysis 内蒙古科技大学硕士学位论文 III obtained proprietary equipment perforated part of the total capacity of 124 million cubic meters, mining equipment part of the total capacity of 124.3 million cubic meters, the transport part of the total capacity of 123.45 million cubic meters, the combined mining program program and the transation of the pioneering transport system, the paper stope the abandoned space, mining OTC row of abandoned space analysis, lots anticlinal structure within Dump safe operation stability calculation obtained the stability factor of 1.20, in line with national regulatory requirements. Location can be arranged External Dump analysis, based on the principle of efflux, OK the sheepfold dump, South Xiaosigou, Dump, the three efflux position of the the Maguan River Dump. Reasonable choice outside the dump location and related parameters. Arrangements of the project according to the stripping, calculate the space requirements of the abandoned, according to the stripping project arrangements Dump ed temporal and spatial relations, detailed calculation dump capacity, arranged according to the waste dump plan principle application traffic flows to the linear programming model of the 9-year mining displacement optimized planning, the preparation of a 9-dump scheme and transport distance height difference table. Key WordsAnTaibao surface mine；Dumping engineering project; Reclamation project; Anticlin 内蒙古科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ........................................................... I Abstract ............................................................ II 1 绪论 ....................................................................................................................... - 1 - 1.1 安太堡露天矿概况 .................................................................................... - 1 - 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................ - 2 - 1.3 选题目的与意义 ........................................................................................ - 5 - 1.4 研究方案 .................................................................................................... - 7 - 2 3Dmine 地质建模工作及煤层赋存规律研究..................................................... - 10 - 2.1 地质模型的建立 ...................................................................................... - 10 - 2.2 煤的赋存变化及剥离物厚度变化规律研究 .......................................... - 12 - 3 安太堡露天矿生产现状分析 ............................................................................. - 17 - 3.1 生产能力分析与设备能力计算 .............................................................. - 17 - 3.2 开采程序方案、开拓运输系统现状分析 .............................................. - 22 - 3.3 基础方案剥采进度计划分析 .................................................................. - 26 - 4 内排土场规划研究 ............................................................................................. - 30 - 4.1 背斜区域内排土场问题分析 .................................................................. - 30 - 4.2 内排土场稳定性 flac3d 模拟研究 .......................................................... - 32 - 4.2.1 FLAC 软件介绍 ............................................................................... - 32 - 4.2.2 岩石力学参数的选取 ................................................................... - 32 - 4.2.3 典型剖面的选取 ........................................................................... - 33 - 4.2.4 典型剖面的数值模拟分析 ........................................................... - 36 - 4.3 内排土场设计 .......................................................................................... - 39 - 4.3.1 通道的留设位置和标高 ................................................................ - 39 - 4.3.2 内排土场最终排弃标高的确定 .................................................... - 40 - 4.3.3 内排土场排弃参数 ....................................................................... - 40 - 4.4 内排土场排弃空间分析 .......................................................................... - 41 - 5 外排土场规划研究 ............................................................................................. - 44 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 5.1 外排土场现状分析 .................................................................................. - 44 - 5.2 外排土场设计 .......................................................................................... - 44 - 5.3 外排土场排弃空间分析 .......................................................................... - 47 - 6 排土场容量分平盘计算 ..................................................................................... - 49 - 7 运距计算及剥离物运输流量流向优化研究 ..................................................... - 59 - 7.1 重心法优化运距 ...................................................................................... - 59 - 7.2 线性规划模型的建立 .............................................................................. - 62 - 7.2.1 线性规划原理 ............................................................................... - 63 - 7.2.2 内排线性规划模型的建立 ........................................................... - 64 - 7.2.3 外排线性规划模型的建立 ........................................................... - 65 - 7.3 线性规划模型计算结果 .......................................................................... - 66 - 结 论 ........................................................ - 71 - 参考文献 ........................................................ - 71 - 在学研究成果 .................................................... - 77 - 致 谢 ........................................................ - 78 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 绪论绪论 简要介绍安太堡露天矿的概况，通过对安太堡露天矿具体遇到的地质情况分析， 并结合矿方实际生产情况，提出了本论文的主要内容、研究方法与技术路线。 1.1 安太堡露天矿概况安太堡露天矿概况 安太堡露天煤矿坐落于山西省朔州市内，1987 年 9 月 10 日建成投产，初次设计 能力 15.33Mt/a。2002 年原煤生产能力达到 15.81Mt，已经达到设计产量。根据 2009 年平朔矿区总体规划，安太堡露天矿保有地质储量 959.85Mt，可采储量 865.35Mt， 开采规模 22Mt/a，服务年限 35.79 年[1]。 矿区交通方便，沿矿区专用线与国铁朔州站相距约 20km，距大秦线秦皇岛煤码 头 898km。 安太堡矿井田位于宁武煤田北部的平朔矿区内的西北部， 区域之东为东露 天煤矿，南为安家岭 2 号井工矿和安家岭露天煤矿，其地理坐标为东经 112 经 19 经 03″～11224′17″，北纬 3930′29″～3935′26″，矿田面积 36.19km2[2]。安太堡交通位 置示意图如图 1.1 所示。 图 1.1 安太堡露天矿交通位置关系图 该矿主要开采古生代石炭纪煤层，煤层结构较为简单，可采煤层共计 6 个，即 4 号、5 号、8 号、9 号、10 号和 11 号煤层，其中 4 号、9 号和 11 号煤层为主要可采 安太堡露天矿安太堡露天矿 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 煤层[3]。 安太堡露天煤矿的生产工艺采用的是单斗─卡车剥离工艺,岩石剥离采用 25m3斗 容单斗挖掘机和 154t 自卸卡车；采煤为 12m3前装机采装和 25m3单斗挖掘机，154t 级卡车运输至坑口半固定式破碎站，最后由胶带机运至洗煤厂工艺系统。岩石台阶高 度 15m，采煤分 4 号煤、9 号煤、11 号煤三个台阶，台阶高度分别为 8～12m、10～ 15m 和 3～5m，工作平盘宽度为 80m，采掘带宽度为 40m. 安太堡露天煤矿采煤工作线长度为1000～1500m， 年推进度300m左右。 采用优、 劣煤分采分运的采运方式，在地面破碎站处进行配煤，煤炭经露天煤矿坑内半固定式 破碎站破碎后，用带式输送机运往选煤厂落煤塔[4]。剥离物初期外排，目前已经实现 全部内排，内排土场最下台阶坡底线距 11 号煤台阶坡底线最小安全距离为 50～ 1000m 左右，采剥工作线与排土工作线同步推进。安太堡煤矿位置关系图如图 1.2 所 示。 安太堡露天煤矿在近几年的不断开采中，产量稳步增加，科技创新和管理水平逐 步提高，在节能减排和生态重建方面取得重要的成果，在煤矿不断高速跨越式前进的 同时，与当地的社会、经济、环境协调发展，逐步形成了中国特色的露天煤矿可持续 发展模式，为中国露天煤矿的发展提供了宝贵的经验[5]，同时通过与各科研院校的合 作，不断加大科技创新力度，整体上提高了露天采矿学科的水平。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 众所周知，露天矿的开采方式就是不断征用大量土地以进行矿物的开采，尤其对 类似平朔矿区这样的特大型露天矿来说， 其年推进度平均可达 350-400m/a， 每年需要 占用土地面积逐年增大[610]。故而针对露天矿开采境界内包括村庄、耕地等的征地工 作成为矿产资源开发企业的一项艰巨而重要的任务。近年来，随着国家土地利用相关 政策的调整以及整个市场经济的影响，由征地、搬迁及土地复垦所带来的相关费用逐 年增高，沉重的排弃成本负担严重威胁着整个公司的经济效益。因此各科研单位都加 大了对露天矿排弃规划的研究力度[1115]。 近年来露天矿发展迅速，对于露天矿排土场规划的研究主要着重于以下几点 1、根据采场具体情况，结合开拓运输道路设计，采用计算机模拟等方法对选择 排土场位置，降低排弃运距； 2、对排土参数（最终高度、排土台阶高度等）进行优化； 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 3、对排弃过程中、排弃结束后形成的边坡进行稳定性研究； 图 1.2 安太堡露天煤矿位置关系图（2010 年） 4、最终排弃方案评价方法的研究。 随着国家政策对征地的倡导， 土地复垦及恢复问题在排土设计过程中也逐渐占有 一定地位，由于国内外国情的差异性，国内对此研究较多，但近年来土地复垦与恢复 问题主要以已形成的排土场作为研究对象， 在传统优化设计方法对排土场规划问题进 行研究之后提出一些建议，尚未将排土与生态恢复重建作为一个有机整体进行研究 [1618]。 根据金属、非金属矿山排土场安全生产规则 ，露天煤矿排土场选择的一般原 则有以下几类[19] 东露天矿田 安太堡露天矿田 安家岭露天矿田 安家岭一号井工矿 安太堡矿联井 安家岭二号井工矿 安太堡井工矿 潘家窑整合区 井东整合区 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 1、选定排土场位置是，应避免排弃土岩时产生滑坡塌方等事故威胁采场、工业 设备以及周边田地等的安全。 2、对于在工程地质或水文地质条件不良的地带设置排土场时；如因地基不良而 影响安全，必须采取有效措施； 3、 居民区或工业建筑的主导风向的上风向和生活水源的上游， 不宜设置排土场， 废石中的污染物要按照国家相关规定堆放、处置； 4、 选定排土场的位置后， 应计划进行专门的水文、 工程地质勘探、 地形测绘等， 并分析确定排土参数； 5、内部排土场不得影响矿山正常开采和边坡稳定，排土场坡底与矿体开采工作 线和其他构筑物之间留有一定的安全距离，必要时应建设滚石或泥石流拦挡设施； 6、按照安全生产的要求在设计中规定以下工艺参数排土场的阶段高度、总堆 置高度、安全平台宽度等。 我国对于露天矿排土场边坡、工作面、端帮等边坡的研究落后于国外科研机构。 这些原因可以归纳为两部分第一，国外发达国家经济建设早，经济实力雄厚，为边 坡研究提供了资金基础，因此相比国内，国外积累了丰富的经验；第二，发达国家的 试验条件、测试手段、勘探手段、机械设备等都十分先进。 目前，我国的露天矿近年来所占的比重越来越大，目前随着国内大规模露天煤矿 的大力发展，如安太堡露天矿、安家岭露天矿、黑岱沟露天矿、胜利西一号露天矿、 胜利东二号露天矿等， 边坡稳定问题逐步成为现场工程设计所不可或缺的理论指导和 技术支持。 我国的露天矿边坡稳定性研究的起源于二十世纪五十年代， 当时的国内外的露天 矿发展水平比较落后，边坡分析理论和研究方法较为落后，这一时期主要着重边坡方 面的地质灾害为切入点，大多集中边坡工程破坏的定性分类、工程地质类比法、边坡 滑坡稳定性影响因素与治理措施等方面的研究， 对边坡岩体地质方面和构造方面影响 因素的考虑较少，此时期分析方法有一定的局限性。 我国的边坡稳定性分析在六十年代稳步发展阶段。 陈宗基教授在边坡方面的研究 开始注重了岩体的物理力学性、力学参数的研究，并对所研究的岩体中岩块进行了试 验研究， 同时在数值模拟等理论分析的基础上进行了现场地应力大小和变形情况的监 测，孙玉科等学者划分了边坡岩体的结构类型，提出岩体结构及其内部结构对整体边 坡控制的观点，在赤平极射投影的基础上提出了实体比例投影方法，用来分析和判断 边坡稳定性，在露天矿边坡稳定性研究方面开展了诸多大型工程岩体的力学试验，推 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 动了边坡稳定性的研究和发展。 七十年代，我国在边坡的稳定性在理论性方面有较大的发展。这一时期主要是注 重边坡变形破坏机制方面的研究。 这一时期中国科学院地质研究所对边坡的稳定性进 行了比较深入的研究。中科院研究所通过对金川露天矿边坡相关问题进行全面的、系 统的和深入的研究，中科院对边坡稳定性的分析强调了地质是基础、地质构造的控制 作用， 其突出的特点是在研究边坡稳定性时更加注重了岩体力学和工程地质等多学科 间相互结合和渗透，此外通过岩体工程地质力学的原理与方法分析边坡问题，在边坡 稳定性研究领域又是一突破性进展。 边坡稳定性研究理论和方法在 80 年代进入了一个新的发展阶段，在这一阶段各 方面理论和方法都在逐步完善。随着对岩质边坡变形破坏的典型地质模型的研究、计 算计算机数值模拟技术和 CAD 技术等手段的发展和应用，边坡稳定性逐步发展为定 量和定性相结合的研究手段， 逐步形成了一套完整的边坡工程变形破坏机制和边坡变 形发展变化趋势的理论体系。同时对边坡工程的可靠度进行研究和分析了分析，在现 场实践方面注重露天矿边坡角因素的分析和钻探技术的发展。 系统论和非线性科学等 相关理论都被引入到边坡工程稳定性研究中， 总体来说分析手段和分析方法的全方面 发展和多学科交叉、互相渗透极大地推动了边坡稳定性评价领域的发展。 90 年代，随着我国大型露天矿数目逐步增多、发展规模的逐步扩大，露天矿边 坡稳定性研究领域受到越来越多的露天矿企业和研究机构的重视， 同时取得了不少新 的进展，强调理论与技术相结合、各种计算机模拟方法相结合、生产与设计之间的相 结合， 加强地质方面岩土力学参数的研究和发展， 边坡稳定性的发展逐步完善和系统。 目前国内外诸多专家学者都在致力在边坡稳定性方面的研究， 已经达到相当的水 平与规模，通过对边坡稳定性研究的历史和发展阶段可以得知，边坡工程是一个包含 了工程地质，岩体内部特性、时间和空间等多方面影响因素系统工程。边坡的发展一 方面向岩体内部结构方向深入研究， 另一方面对相关的影响因素进行更加全面的分析。 1.3 选题选题目的目的与意义与意义 作为中煤集团主要生产矿的平朔煤炭工业公司安太堡露天煤矿， 随着采场的不断 推进，集中遇到了芦子沟背斜、上部煤层大面积风氧化、煤层倾角在纵横向上变化较 大引起煤层落差大等复杂地质条件的组合变化，这些变化导致开采条件的急剧变化 [2023]，长期以开采近水平煤层即采场工作面推进为主的开采方式，不可避免地要调 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 整为以采场向深部延深和推进相协调的开采方式，而由此带来的对排弃空间、排弃位 置的影响是不可忽视的，必须提前做好整体规划，为未来生产工作做准备。 安太堡露天煤矿继续向东推进即将遇到芦子沟背斜[24]。 由于芦子沟背斜处煤层倾 角急剧增大， 煤层平均倾角达到 8～12 ， 局部最大倾角 22 ， 煤层落差达到 270 多米， 地表和基岩面下降 50～100m，倾角变大范围长 1200～2100m。由于芦子沟背斜的影 响，造成煤层下降，剥离层厚度增加，剥采比急剧增大；在背斜东翼影响范围内煤层 底板倾角较大，实现内排困难，有的区域甚至无法实现内排。上述问题的存在，给安 太堡露天煤矿的生产带来诸多不利影响，主要有 （1）剥离厚度增加，剥离台阶增加，运距变大，剥离费用增加剥采比增大，按 现有设备能力无法完成公司预定的产量任务； （2）煤层倾角较大，以目前设备和生产组织将使露煤量减少，生产接续困难； （3）进入背斜东翼范围内，地表下降，原有的部分运输道路被切断，而且煤层 底板下降也需要建立新的开拓运输系统； （4）背斜东翼影响范围内煤层底板倾角较大，实现内排困难，有的区域甚至无 法实现内排，必须重新对排土场基地进行处理和优化设计，并合理选择外排土场，保 证经济安全的排土。 本次研究通过分析中煤平朔安太堡露天矿采场及现有排土场的详细资料[2528]， 力争从安全合理、科学经济的角度对安太堡露天矿的排土场进行系统的规划。达到以 下目的[29] （1）规划安太堡露天煤矿的排土计划，确定外排土场位置、最终内排高度、容 量等，最后对设计方案做边坡稳定验算。 （2）合理规划安太堡露天煤矿的排土，可以实现在生产成本增加不大的情况下 顺利通过因芦子沟背斜区和因上部无煤区的存在造成的对开采的影响。 此次研究的意义如下 （1）实现稳产增产，保证平朔公司亿吨矿区目标。 中国中煤能源集团公司在产业发展规划中， 要把平朔公司建成亿吨级大型煤炭企 业集团，根据 10 年实际产量，两露天矿产量占到平朔矿区总产量的一半。按照平朔 公司十二五规划， 到十二五末总产能将达到 14500 万吨[30]。 安太堡作为平朔公司产量 最大的煤矿，按照公司的发展战略，以后安太堡露天煤矿每年至少要实现 2500 万 t 的产量，所以，安太堡露天煤实现高效经济的开采对保证公司战略的实施至关重要 [3137]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - （2）通过采运排综合优化，实现降成本增效益的要求。 安太堡露天煤矿长期以开采近水平煤层即采场工作面推进为主的开采方式， 在目 前遇到的集中出现的特殊条件下的剥采技术问题， 不可避免地要调整为以采场向深部 延深和推进相协调的开采方式， 传统的技术和方法难以有效地解决特大型露天煤矿快 速推进过程中遇到复杂地质条件时系统复杂、采运排影响大、工程实施困难等重大问 题。 为保证生产正常接续， 减少安全隐患， 最大限度降低复杂地质条件对效益的影响， 需结合安太堡露天矿开采中出现的实际问题进行系统科学地理论研究[38]， 综合优化煤 岩剥采工程和开拓运输系统，制定合理的开采方案，保障露天矿在完成生产能力的前 提下，实现降低生产成本，增加企业效益的要求。并且通过科学高效的工程实践予以 总结提炼，形成特大型露天煤矿特殊复杂地质条件下工程的开采技术[3940]和实践成 果。 （3）填补国内外复杂地质条件下露天开采理论的需要。 安太堡露天煤矿目前遇到的集中出现的特殊条件下的剥采技术问题， 传统的技术 和方法难以有效地解决特大型露天煤矿快速推进过程中遇到复杂地质条件时系统复 杂、 采运排影响大、 工程实施困难等重大问题。 为保证生产正常接续， 减少安全隐患， 最大限度降低复杂地质条件对效益的影响， 需结合安太堡露天矿开采中出现的实际问 题进行系统科学地理论研究，并且通过科学高效的工程实践予以总结提炼，形成特大 型露天煤矿特殊复杂地质条件下工程的