在近水平露天煤矿产能扩张阶段对横向采区划分的优化研究

为何重塑巨型矿坑至关重要

在世界许多地区，电力与工业仍高度依赖煤炭。在中国，广阔的露天矿为这种燃料提供了大量供应，但随着这些矿场规模不断扩大，安全性可能下降、成本上升并对地表造成更大破坏。本文考察了中国东北一座露天矿如何通过重新组织布局，在保证安全的前提下提高产量、减少废弃物并更有效利用土地和设备。这里提出的理念对于任何需在不让成本或风险失控的情况下扩张的大型露天矿都具有参考意义。

由单一大坑到更智能的作业区划

宝清朝阳露天煤矿目前年产约700万吨，目标为1100万吨。该矿开采一层几乎平缓的煤层，采用传统的“长向”布置：采场前缘近似平直，卡车将破碎的岩土运至外部堆场。随着产量上升，这种布置暴露出问题。活动采掘线过短，导致每年必须快速推进矿壁，给设备和调度带来压力。坑内的内部弃土场正在填满，其低矮、被夷平的坡面与设计值不符，提示可能存在不稳定并且缺乏额外空间。与此同时，扩建外部弃土场困难重重，因为需要更多土地。作者认为，与其在相同模式下单纯加快开采，不如将矿区划分为若干更宽的“横向”采区，更好地顺应煤层并缓解弃土场压力。

寻找采场长度与成本的平衡点

一个核心问题是：活动采掘前沿应有多长？如果太短，采场必须非常迅速地推进，增加边坡风险并使车辆在高低处往返更远；如果太长，设备可能被分散，坑内运输距离增加，也会推高成本。研究团队建立了一个简单的几何与成本模型，将年产量、煤层厚度与密度、允许推进速率和岩石覆盖厚度等与剥离比（每吨煤需移动多少岩石）及爆破、挖掘和运输成本联系起来。他们发现，随着工作线长度增加，总剥离成本呈浅槽形（U型）变化：工作线非常短时成本高，因为废石须从陡峭的端壁处搬出；而工作线非常长时则因运输距离增大而增费。针对1100万吨/年的目标，模型表明，经济的工作线长度约在1.35至2.05公里之间，最佳点约为1.35公里，对应年推进约400–500米。该范围为每个新采区的宽度提供了指导。

将矿场横向转向以获得更安全的弃土坡

接着，作者探讨了如果逐步将矿场从长向布局转为横向布局，会发生什么变化，使得开采与弃土更顺应煤层的缓坡。运用简化的边坡稳定性分析，他们解释道，在当前模式下，坑内弃土场横跨基底岩层的倾向方向，这种几何关系往往增大了控制滑移的有效下坡分力并缩短潜在滑动路径，使弃土堆更易发生滑动。而在横向布局中，内部弃土更接近沿自然倾向方向堆置，这会降低下坡分力、拉长滑动路径并增加岩体与弃土的抗力。简而言之，相同量的废料可以以更不易失稳的形状和方向堆放。这种更合理的几何也有助于排水更有序、台阶更规则，二者对长期边坡健康都很重要。

用公平的评分体系比较四种方案

矿山规划者随后设计了四种不同的大采区划分方案，每种方案在推进顺序和弃土布置上各有侧重。各方案的利弊各异：有的偏向短期便利和较短的运输距离，有的则有利于延长寿命或为未来大型连续化设备提供更简洁的布局。为在这些方案中择优，作者构建了一个八项评分表，权衡地质条件、岩石强度、水文条件、地表形态、工程量、经济性、环境扰动及如征地等社会影响。他们没有依赖单一指标或纯主观排序，而是结合了两类赋权方法：专家判断（层次分析法）与考量各指标信息量的“熵”权法。然后将加权因子输入一种称为“不确定测度理论（Unascertained Measure Theory）”的框架，该方法能处理混合数值与专家评分，并为每个方案分配“优”、“良”、“中”、“差”四级的置信度。

胜出方案及其成果

在这一综合评价下，第二种方案明显脱颖而出。它将原采区重组为四个宽阔的横向区域，工作线虽长但仍可管理，布局也很适合未来采用下坡破碎机与皮带运输等连采或半连采系统。该选项在“优”类中获得约0.71的置信度，显著领先于其他方案。在其寿命期内，可开采资源约9.71亿吨煤，平均剥离比约为每吨煤5.8立方米岩石，最长使用年限超过34年。尽管其内部运输距离在绝对值上更长，但当成本摊摊到更大且更高效的产量上时，它仍能提供最低的单位吨成本并改善安全裕度。

超出单一矿山的意义

对非专业读者而言，关键结论是：如何切分与组织大型露天矿的作业，可能与地下蕴藏的煤炭量同样重要。通过数学化地调整活动采掘前沿的长度，并将矿场重定向为与地质走向相一致的横向采区，可以在提高产量的同时减少废弃物与风险。该研究方法——把技术、经济、环境与社会因素放在一个结构化清单中，并采用透明的评分法——为其他面临扩张的大型地表矿山提供了可借鉴的模板。它表明，谨慎规划可以把产能增长从一场赌博变为一条更可控、更可持续的路径。

引用: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

关键词: 露天煤矿开采, 矿山规划, 边坡稳定性, 产能扩张, 多准则评价