1. 引言
国家能源供需不平衡条件下的能源短缺，使多地区相继出现了限电令，不仅高能耗产业受到了影响，部分居民用电也受到了影响，加快对能源产业结构的调整迫在眉睫 [1]。在此背景下，全国能源重心的西移和新疆地区安全高效露天产能释放的利好政策，使新疆煤炭行业发展迅速，许多露天矿对采区进行扩能开采来提高产能，从而增加效益 [2]，但扩能开采过程中会面临生产管理复杂、采剥量变化大，产能不连续等问题，这些都会导致矿区煤炭开采的效率和效益变低，因此对露天矿采区扩能开采方案研究具有实际意义 [3] [4]。且在露天煤矿产能波动期间，矿山年推进速度过大，将会导致生产辅助系统如破碎站、胶带等移设频繁或移设步距过大 [5]，当推进度较小时，又会产生推进速度太快，工作线长度过大导致运距增加的问题 [6]。所以在矿山生产过程中，尤其是产能波动时期，合理的推进度一直都是露天矿生产的关键问题 [7] [8]。
现有研究中，王永军 [9] 通过模拟开采的方式对比剥采比、过渡时间和剥离物综合运距，分析出了采区接续方案的一般原则、影响因素和评价指标。刘英璐 [10] 通过对塔尔煤田I区块的实地勘察并结合历史数据建立地质模型，对基建量、剥采比对比，推演出了基建工程量、生产剥采比比较小的拉沟位置方案，取得了较好的经济效益。王肇东 [11] 通过建立三维矿床地质模型与模拟开采模型，提出了剥采工程量表叠加法确定采取接续工程位置的方法，并结合边坡与经济耦合的综合优化模型解决了安家岭露天矿最佳转向问题。孙宽等 [12] 通过实例分析了不同电铲优化配置后，在推进度提高的情况，达到了减少电铲调铲且满足产量需求。
国内外对于开采接续方案的研究只探究了采区转向过程中的最优解，对于采区转向后的采区生产状况没有考虑周到，尤其是对于选定好的转向方案后续的开采规划没有说明。本文不仅考虑到了首采区位置以及采区转向过程中对于经济性和合理性的要求，还满足了转向后扩能的要求。现有调研中，相比于王瑞龙 [13] 提出的神华准能露天煤矿扩能方案研究，本文除了通过比较将军戈壁二号露天矿首采区平均剥采比、基建工程量、服务年限和推进度确定最佳扩能接续方案，而且对于最优方案做出了详细的长期规划，为类似露天矿采区接续研究提供参考。
2. 矿山概况
新疆某露天煤矿位于新疆准东奇台县城北东90 km处，位于将军戈壁勘查区的西部，地处于准东煤田西黑山矿区北部。
该矿采用沿倾向拉沟，沿走向推进的开采方式，目前采场北端帮地表长2.90 km，南端帮地表长3.10 km，东端帮地表宽1.05 km，西帮地表宽1.67 km，采场地表面积约3.63 km2。采场现已形成9个剥离台阶，5个采煤台阶(图1)。B5煤上部剥离台阶按水平分层，台阶高度均为15 m，层间剥离及原煤倾斜分层，台阶高度不大于15 m。
Figure 1. Schematic of vertical propulsion in 2022
图1. 2022年垂直推进示意图
首采区主采煤层为B5煤、B2煤和B3煤，B5煤厚约22~26米，B3煤厚约5~8米，B2煤厚约6~22米。
3. 扩能开采首采区及拉沟位置选择
3.1. 首采区及拉沟位置确定原则
首采区及拉沟位置确定应满足以下原则 [14] [15]。
① 遵循先易后难，突出初期效益的原则，拉沟应选择煤层埋藏浅、基建工程量少、生产剥采比小的区段；② 勘探程度高、煤质好；③ 便于采区衔接，有利于后期矿山工程发展；④ 外排运距近，内排条件好及距地面工业场地近；⑤ 便于开采工艺布置。
3.2. 首采区及拉沟位置方案比选
随着计算机技术的发展，数字化建模在矿山生产设计中广泛使用 [16] [17]。主要有Surpac [18]、DIMINE [19]、DATAMINE [20] 和3DMINE [21] 等软件，本文采用3DMINE软件来进行创建地质数据库、表面模型与块体模型等，实现露天矿山的可视化，并对矿体储量和剥离工程量进行计算。
根据该矿的地质地形、煤层赋存条件和首采区选择的原则及影响因素，为了更经济合理的开发该露天煤矿，设计提出以下四个方案进行比较以确定扩能开采背景下露天煤矿首采区及拉沟的合理位置。
方案一：首采区继续扩帮开采方案，见图2。
Figure 2. Schematic diagram of the mining scheme for the first mining area
图2. 首采区继续扩帮开采方案示意图
该方案于2022年进行南侧扩帮，其东部距离西部境界仅于1000 m，为完成快速增大产能，必须加大推进度，且于2025年达到西北部境界点，从2026年开始加大推进度至420 m，延长工作线3年后南帮缓帮，扩大工作线，形成L型，于2026年增加扩帮量，L型工作线持续2年后，南侧到设定界，西侧工作线延长到位西侧推进，南帮靠帮5年后西帮到界，开始下一采区，该方案工作线频繁变动，过渡不平稳。各年推进度及采剥量、剥采比见下表1。
Table 1. First mining area continuing to expand mining plan statistics
表1. 首采区继续扩帮开采方案统计
方案二：首采区西部重新拉沟，在西部重新拉沟，西部按照30.0 Mt/a进行开采，东部采掘工作面按照20.0 Mt/a进行开采。在东西侧采掘工作面相交后，继续向东推进，具体位置见图3。
Figure 3. Schematic diagram of ditch-pulling scheme in the west of the first mining area
图3. 首采区西部重新拉沟方案示意图
该方案由西重新拉沟向东推进，与目前首采区的开采配合形成50 Mt产量，但释放内排空间快，外排工程量小，但使得露天矿存在两个开采工作面，且基建期较长，共2.5年，不便管理且难以通过环测审查。该方案年推进度，采剥量及剥采比见表2。
方案三：首采区扇形转向，工作面扇形推进，转向后向南推进。具体位置见图4。
扇形转向方案工作线长度在不断变化，由1000 m至1200 m至1500 m，每年转向10˚，需要4年时间完成转向，需要完成37˚的转向。年推进度400 m (最大700 m)，2022年，2023年，2024年，2025年产量分别为24 Mt，28 Mt，32 Mt，35 Mt。2026年可达到40 Mt，2028年可达到50 Mt。该方案实施难度较大且剥采失衡，地表北侧工作面推进度过大，内排空间释放滞后，产能释放缓慢。
Table 2. The first mining area in the west re-trench mining scheme statistics
表2. 首采区西部重新拉沟开采方案统计
Figure 4. Diagram of fan-shaped steering in the first mining area
图4. 首采区扇形转向示意图
方案四：首采区北部重新拉沟，沿着首采区北部(现有首采区北部西段)东西向重新拉沟，北帮拉沟区域与现有工作帮相接，拉沟西帮逐步扩帮至露天矿西部境界相接，随后向南推进开采。具体位置见图5。
Figure 5. Schematic diagram of the north of the first mining area re-pulling ditch
图5. 首采区北部重新拉沟示意图
北部重新拉沟方案采用L型工作线扩展原有工作线，北部拉沟剥采比小，基建工程量小，能迅速联通采坑，长期来看，主推进方向较为稳定，产能释放较快，过渡平稳。L型工作线过渡期间两侧推进度的调整。
根据上述扩能开采方案，对四个方案进行对比分析，比选指标见表3。
Table 3. First mining area and initial ditch location scheme comparison table
表3. 首采区及初始拉沟位置方案比选表
方案一首采区继续扩帮开采的优点是：① 在现在的扩帮的基础上继续向南扩帮，施工组织简单，便于管理；② 生产系统布置集中；③ 增加的剥离工程量可以继续加高内排土场，减少外土场占地面积。缺点是：① 扩帮区域煤层埋藏较深，扩帮时间长，基建工程量大；② 首采区原煤量不满足露天矿20年开采要求。
方案二首采区西部重新拉沟的优点是：① 首采区西部煤层赋存较浅，扩产至50.0 Mt/a基建工程量小。② 重新拉沟向东推进，释放内排空间，外排工程量小。缺点是：① 在首采区西部拉沟，露天矿存在两个开采工作面，不便于施工管理。② 两个开采工作面难以通过环评审查。
方案三首采区扇形转向的优点是：工作帮扇形推进，生产区相对集中，占地面积小。缺点是：① 首采区北侧推进度超过400 m/a，前七年北侧工作面推进度有700 m/a；② 过渡期时间长，长时间无法达产；③ 现有生产与扩产工程交叉较多，无法按区划分。
方案四首采区北部重新拉沟的优点是：① 首采区初始拉沟位置与现有工作帮相接，工作面向南及向西推进，北部煤层埋藏浅，基建工程量小；② 工作面集中便于组织管理；③ 采掘工作面相连接，对环境影响小；④ 初始拉沟位置距离现在内排土近，直接进入内排土场，减少外排占地面积。根据上述方案比选，最终确定将二矿首采区及拉沟位置选择为北部重新拉沟方案，即方案四，配合矿山原有生产能力20 Mt/a，共同完成扩能开采。
4. 扩能开采采区划分及中长期规划
4.1. 采区划分
采区划分应遵循以下几个原则：① 采区划分应在已圈定的露天开采境界内进行；② 在已确定的首采区基础上结合煤层赋存地质条件进行采区划分，并合理地安排采区工程发展及接续；③ 尽可能减少重复剥离量，合理划分各采区宽度；④ 采区的开采顺序应由优到劣，并兼顾采场内外部运输系统衔接关系。
在年产量一定，煤层变化基本稳定情况下，设备数量及能力基本维持稳定，需要保证推进度在一个合理的范围内，单斗卡车工艺年推进度一般为250~400 m之间。依据将军戈壁二号露天矿现有设备及实际情况，年推进度在280~380 m。故考虑煤层变化情况下，在产能为50 Mt背景下，选择首采区工作线长度2600 m，平均煤厚44 m，平均推进度320 m。采区划分图如下图6所示。
Figure 6. The first mining area in the north of the ditch expansion plan mining area division
图6. 首采区北部拉沟扩能方案采区划分
首采区(剩余) 8.5亿，服务时间17年。二采区13.2亿，服务时间26.4年。三采区21.57亿，服务时间43年。二采区工作线长度较大，保证了远期规划和决策的灵活性。三采区剥采比较大，采区为自然分区。
4.2. 扩能开采方案中长期规划
新采区划分中首采区(剩余) 8.5亿，服务时间17年。二采区13.2亿，服务时间26.4年。三采区21.57亿，服务时间43年。且配有北排20 Mm3，1号排土场容量65 Mm3，2号排土场容量200 Mm3排土容量。整体与2026年完成转向，2028年实现完全内排，2032年进行考虑配剥及二采区规划，中长期规划见图7。
Figure 7. Medium and long term planning of ditching expansion program in the north of the first mining area
图7. 首采区北部拉沟扩能方案中长期规划
首采区北部拉沟扩能方案细化参数如表4。
Table 4. Refining parameter table of ditching and energy expansion scheme in the north of the first mining area
表4. 首采区北部拉沟扩能方案细化参数表
2022年基建量30 Mm3，基建时间1年。结合现有设备能力，在北部首先拉沟地表工作线1 km，降段4个台阶，到B5煤顶板，并与现有矿坑连接。该部分煤层赋存情况为B5煤厚24 m，B3煤厚12 m，B2煤厚8 m。2023年北推进度400 m，东400 m。剥离8400 Mm3，采煤量42 Mt，外排面积1.56 km2，容量65 Mm3，台阶高度20 m。排弃高度100 m。北排剩余20 Mm3，内排土场剩余5 Mm3，结合现有设备能力及实际外委单位现状，北部降段到B2煤底板，8个台阶。该年煤层赋存情况为B5煤厚24 m，B3煤厚12 m，B2煤厚8 m。且于该年规划两个地面生产系统，规划增加2#、3#破碎站。2024年北帮内排土场开始内排，推进度300 m，剥离量44 Mm3，采煤量47 Mt。2026年开始逐步内排，推进度350 m，剥离量50 Mm3，采煤量40 Mt。煤层厚度情况B5煤厚24 m，B3煤厚12 m，B2煤厚8 m。2029年采区平直工作线全面拉开，采剥关系均衡时间为5年。2031年地表工作线缩短，需要考虑配剥问题及新采区的基建。推进度300 m，剥离量65 Mm3，采煤量50 Mt。
5. 结论
1) 该矿采用北部拉沟与现有采场连接的方式，可以保证合理的产能接续，尽快完成产能扩增。
2) 首采区北侧拉沟剥采比小，效益高，采用L形工作线完成采区转向，采剥量过渡平稳。
3) 采区划分东西境界采用不均分的方式，一分为三，首采区深部境界工作线长度2.6 km，首采区剩余服务年限15年，年推进度300~380 m。