郭 強(qiáng) 才慶祥 陳樹召

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

露天礦破碎站部分下坑時(shí)布置水平優(yōu)化

郭 強(qiáng)1,2才慶祥1陳樹召1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

隨著露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大，半連續(xù)工藝在露天礦的應(yīng)用也越加廣泛。實(shí)踐證明，半連續(xù)工藝的應(yīng)用對(duì)煤礦經(jīng)濟(jì)效益有很大的提升，而在半連續(xù)工藝中，破碎站的位置對(duì)煤礦生產(chǎn)效益起到?jīng)Q定性作用。借助于限制坡度的定義和坑內(nèi)破碎站的生產(chǎn)能力要求，對(duì)坑內(nèi)煤層進(jìn)行分區(qū)；在此基礎(chǔ)上，給出了運(yùn)煤卡車到坑內(nèi)破碎站和地表破碎站的運(yùn)距、內(nèi)排增加運(yùn)距和坑內(nèi)提升膠帶長(zhǎng)度的計(jì)算方法；在對(duì)半連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行整體考慮后，以總運(yùn)輸費(fèi)用最小為原則，建立破碎站布置水平優(yōu)化模型，給出了卡車運(yùn)費(fèi)、增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)和提升膠帶系統(tǒng)總費(fèi)用的計(jì)算方法，并將建立的優(yōu)化模型應(yīng)用到實(shí)例研究中。計(jì)算結(jié)果表明，寶日希勒露天煤礦將破碎站布置在+625 m水平上時(shí)總運(yùn)輸費(fèi)用最小，此為破碎站布置的最優(yōu)水平。另外，通過(guò)分析可知，坑內(nèi)破碎站的位置不宜過(guò)低，避免對(duì)內(nèi)排產(chǎn)生較大的影響。

露天礦 半連續(xù)工藝 半固定式破碎站 煤層分區(qū) 位置優(yōu)化

露天礦單斗—卡車—半固定式破碎站—帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝綜合了連續(xù)工藝與間斷工藝各自的優(yōu)點(diǎn)，是露天礦高效的開采工藝，已經(jīng)成為當(dāng)今露天礦開采工藝中最具生命力和發(fā)展?jié)摿Φ拈_采工藝之一[1-6]。隨著大型近水平露天礦生產(chǎn)規(guī)模的增大，開采深度的不斷增加，開采初期布置在地表的破碎站的作用明顯降低[7-8]。為了充分發(fā)揮半連續(xù)工藝的優(yōu)勢(shì)以減少汽車運(yùn)距，降低運(yùn)費(fèi)，提高露天礦經(jīng)濟(jì)效益，破碎站的位置就要向坑內(nèi)的某一個(gè)水平進(jìn)行移設(shè)。而對(duì)于半連續(xù)工藝能否取得更大的經(jīng)濟(jì)效益，取決于該工藝諸多關(guān)鍵技術(shù)，半固定破碎站合理布設(shè)水平的合理確定既是最重要的影響因素之一[9-11]，也是降低生產(chǎn)成本的有效保證[9-11]。但是由于露天礦的地質(zhì)條件、開采工藝、開采參數(shù)、地面系統(tǒng)等限制使得滿足產(chǎn)量要求的破碎站不能全部下到坑內(nèi)，這樣就只能使用坑內(nèi)破碎站和地表破碎站相結(jié)合的方式來(lái)滿足生產(chǎn)要求。本研究根據(jù)采煤半連續(xù)工藝的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)坑內(nèi)煤層進(jìn)行分區(qū)，規(guī)劃好坑內(nèi)破碎站和地表破碎站的服務(wù)煤量區(qū)域，在此基礎(chǔ)上建立破碎站布置水平優(yōu)化模型，對(duì)坑內(nèi)破碎站位置進(jìn)行優(yōu)化。

1 坑內(nèi)煤層分區(qū)

當(dāng)滿足生產(chǎn)能力的破碎站不能全部下坑進(jìn)行服務(wù)，但為了更好地發(fā)揮破碎站的作用，還需要其下坑時(shí)，就只能讓滿足一定產(chǎn)量的破碎站下坑服務(wù)，在這種情況下本研究提出了坑內(nèi)煤層分區(qū)的觀點(diǎn)，另外也是為了充分利用坑內(nèi)破碎站來(lái)減少煤的運(yùn)距和減少折返運(yùn)輸?shù)惹闆r。其分區(qū)原則是：以煤層重心所在標(biāo)高與破碎站所在地表標(biāo)高之差Hmd和煤層重心所在標(biāo)高到地表破碎站的直線距離Lmd的比值與限制坡度R來(lái)相互比較，當(dāng)Hmd/LmdR時(shí)，運(yùn)煤卡車不能直線到達(dá)地表。

其余部分煤量為MB，煤礦年產(chǎn)量M=MA+MB，這樣的條件下每個(gè)采煤臺(tái)階的A和B部分的煤量分別為MAi和MBi。

圖1 坑內(nèi)煤層分區(qū)示意

Fig.1 Sketch map of coal seam partition in pit

2 優(yōu)化模型

2.1 基本計(jì)算公式

2.1.1 汽車運(yùn)距

基于煤層劃分方式，坑內(nèi)汽車運(yùn)距將分成2個(gè)部分。破碎站布置到不同水平時(shí)，A和B 2部分的汽車運(yùn)距的計(jì)算：

A部分坑內(nèi)運(yùn)距

(1)

式中，DAi為汽車將A部分煤量運(yùn)到坑內(nèi)破碎站的運(yùn)輸距離，m；ΔHi為第i層煤所在重心標(biāo)高與坑內(nèi)破碎站所在水平標(biāo)高之差，m；R為汽車限制坡度，一般取8%～10%；k為汽車運(yùn)輸展線系數(shù)；Lgi為第i層煤所在標(biāo)高的工作線長(zhǎng)度，m；Mi為第i層煤的年采出量，萬(wàn)t；φ為端幫的幫坡角，(°)；Dd為端幫運(yùn)輸距離，m。

B部分地表運(yùn)距

(2)

(3)

式中，DBi為汽車將A部分煤量運(yùn)到坑內(nèi)破碎站的運(yùn)輸距離，m。

2.1.2 內(nèi)排增加運(yùn)距

在露天礦剝離采用單斗卡車工藝的條件下，破碎站所在水平以下臺(tái)階仍可以采用雙環(huán)內(nèi)排，以上臺(tái)階受到提升膠帶明溝的限制，只能通過(guò)運(yùn)煤卡車下降到破碎站布置水平，然后再經(jīng)過(guò)端幫進(jìn)行內(nèi)排，未布設(shè)破碎站的一側(cè)端幫運(yùn)輸，從而增加了內(nèi)排卡車的運(yùn)距。因破碎站布置到坑下端幫H0水平，第i水平工作平臺(tái)增加的卡車內(nèi)排運(yùn)距的計(jì)算公式為

(4)

式中，DΔpi為第i水平工作平臺(tái)增加的卡車內(nèi)排運(yùn)距，m；ΔHpi為破碎站所在水平標(biāo)高與第i水平工作平臺(tái)標(biāo)高之差，m；Hi為第i水平工作平臺(tái)標(biāo)高，m；Hmin為露天礦開采最低標(biāo)高，m；Hmax為地表境界標(biāo)高，m。

2.1.3 端幫提升帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度

當(dāng)破碎站布置在坑內(nèi)不同水平時(shí)，所需要的端幫提升帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度是不同的，當(dāng)破碎站布置在坑內(nèi)H0水平時(shí)，端幫提升帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

(5)

式中，Lj為端幫提升帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度，m；H為破碎站初始所在水平標(biāo)高，m；θ為端幫提升膠帶傾角，(°)。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

基于煤層劃分方式，采煤半連續(xù)工藝在破碎站部分下坑的情況下，以總運(yùn)輸費(fèi)用最小為原則，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(6)

式中，C為半連續(xù)工藝總運(yùn)輸費(fèi)用，萬(wàn)元；Cq為破碎站布置在一定位置時(shí)汽車總運(yùn)費(fèi)，萬(wàn)元；CΔp為由于坑內(nèi)破碎站的布置而增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)，萬(wàn)元；Cij為提升膠帶系統(tǒng)總費(fèi)用，萬(wàn)元。

2.3 模型求解

2.3.1 汽車運(yùn)輸費(fèi)用

(7)

因此，運(yùn)煤汽車的運(yùn)費(fèi)為

(8)

式中，Cq1為破碎站布置在一定位置時(shí)的汽車總運(yùn)費(fèi)，萬(wàn)元；cq為汽車運(yùn)輸單價(jià)，元/(t·km)。

(9)

因此，運(yùn)煤汽車的運(yùn)費(fèi)為

(10)

2.3.2 增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)

由式(5)可進(jìn)一步得出,破碎站在坑內(nèi)的布置造成的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)增加的加權(quán)運(yùn)距為

(11)

因此，由于坑內(nèi)破碎站的布置而增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)為

(12)

式中，CΔp為增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)，萬(wàn)元；W為破碎站布置水平以上剝離量，萬(wàn)t；cp為剝離物運(yùn)輸單價(jià)，元/(t·km)。

2.3.3 提升膠帶系統(tǒng)總費(fèi)用

提升膠帶系統(tǒng)總費(fèi)用包括膠帶運(yùn)輸費(fèi)、膠帶機(jī)延長(zhǎng)費(fèi)和土建工程投資等，由式(6)可以得出膠帶系統(tǒng)總費(fèi)用為

(13)

式中，cj為膠帶機(jī)運(yùn)輸單價(jià)，元/(t·km)；cp為膠帶機(jī)每米延長(zhǎng)費(fèi)，元/m；Cjt為提升膠帶機(jī)土建投資費(fèi)用，元/m。

綜上所述，將式(8)或式(10)、式(12)、式(13)代入到目標(biāo)函數(shù)中可以得出采煤半連續(xù)工藝系統(tǒng)總運(yùn)費(fèi)。

3 應(yīng)用研究

寶日希勒露天煤礦的年產(chǎn)量為25 Mt，現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝為采煤用單斗—卡車—半固定式破碎站半連續(xù)工藝，剝離用單斗卡車間斷工藝?，F(xiàn)有的采煤工藝中，破碎站設(shè)置在地表，主要開采1#煤，隨著采礦工程的進(jìn)一步發(fā)展，特別是3#煤層的開采，使得開采深度進(jìn)一步加大，汽車運(yùn)距增加。在這樣的條件下，將破碎站布置到坑內(nèi)某一水平成為必然，但是從寶日希勒露天煤礦的現(xiàn)實(shí)情況可知3#煤上部巖層的剝離使得坑底空間明顯不足，而且寶日希勒露天煤礦的地面膠帶系統(tǒng)復(fù)雜，不易改造，將3臺(tái)原有的破碎站全部移設(shè)到坑內(nèi)的方案是行不通的。在這種情況下，只能考慮將部分破碎站移設(shè)到坑內(nèi)端幫某一水平上。結(jié)合寶日希勒露天煤礦的基本參數(shù)和實(shí)際情況，根據(jù)露天礦破碎站布置位置優(yōu)化模型，對(duì)破碎站布置在不同位置時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 半連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)輸費(fèi)用

Table 1 Transportation costs of semi-continuous system 萬(wàn)元

標(biāo)高/m汽車總運(yùn)費(fèi)Cq增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)CΔp膠帶系統(tǒng)費(fèi)用Ctj系統(tǒng)總費(fèi)用C+67015216.720015216.72+65514076.3382.97247.3114406.61+64013087.34497.81494.6314079.78+62512053.471244.53741.9414039.94+61010901.932323.13989.2614214.32+59510003.633733.591236.5714973.79+5859870.564425.001401.4515697.01+5759985.824978.131566.3216530.27

從中可以看出，破碎站布置在+625 m水平系統(tǒng)總費(fèi)用最低，破碎站布置在該水平時(shí)，增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)和提升膠帶系統(tǒng)費(fèi)用都很小，起決定性作用的是汽車運(yùn)輸總運(yùn)費(fèi)，隨著破碎站布置深度的加大，增加的內(nèi)排運(yùn)費(fèi)增加明顯，所以在將破碎站布置到坑內(nèi)時(shí)不宜過(guò)低，以減少對(duì)內(nèi)排的影響。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)大型近水平露天煤礦的特點(diǎn)，借助于限制坡度的定義和坑內(nèi)破碎站的生產(chǎn)能力要求，提出了坑內(nèi)煤層分區(qū)的方法，并且在煤層分區(qū)的基礎(chǔ)上提出了運(yùn)煤卡車到坑內(nèi)破碎站和地表破碎站的運(yùn)距計(jì)算方法。

(2)以半連續(xù)工藝總運(yùn)費(fèi)最小為目標(biāo)，建立了露天礦破碎站布置位置優(yōu)化模型，并給出了卡車運(yùn)費(fèi)、增加的內(nèi)排費(fèi)用和提升膠帶系統(tǒng)費(fèi)用等指標(biāo)的計(jì)算方法。

(3)選取的各項(xiàng)費(fèi)用指標(biāo)不包括破碎站移設(shè)費(fèi)用、停產(chǎn)損失費(fèi)用等，這是因?yàn)樵诒痉桨笇?duì)比中以上各項(xiàng)費(fèi)用指標(biāo)相同。

(4)研究實(shí)例說(shuō)明了寶日希勒露天煤礦坑內(nèi)破碎站布置的最優(yōu)位置，即坑內(nèi)+625 m水平端幫上，并且從費(fèi)用曲線可以看出坑內(nèi)破碎站的位置不宜過(guò)低，避免對(duì)內(nèi)排產(chǎn)生較大的影響。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Location Optimization of Crushing Station under Pit in Surface Mine

Guo Qiang1,2Cai Qingxiang1Chen Shuzhao1,2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221116，China)

With the increasing of production scale，semi-continuous system is widely used in surface coal mine.The practice proved that application of the semi-continuous system has greatly improved economic efficiency in opencast mines.Among this，location of crushing station plays a decisive role in improving production efficiency.With the aid of the definition of limiting slope and capacity requirements of crushing station in pit，the coal seam partition was made.On this basis，the calculation method for the transport distance of coal truck to underground crushing station and surface crushing station，increased transport distance of internal dumping and the elevating belt length in pit was present.After considering the semi-continuous system as a whole，and by the principle of totally minimum transport cost，the optimization model of crushing station layout was established to propose calculation methods for total transport freight of the truck，the increasingly internal dumping and the hoist system.Meanwhile，the model was applied into the practical engineering.The calculation results showed that the total transport cost is minimum when crushing station is arranged on +625 m level in Baorixile Open Pit Mine，and this is the optimal position for crushing station.In addition，the analysis indicated that location of crushing station in pit can not be too low to avoid from a worse impact on internal dumping.

Surface mine，Semi-continuous system，Semi-stationary crushing station，Seam partition，Location optimization

2014-03-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2012AA062004)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：51034005)，“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2014BAC14B00)。

郭 強(qiáng)(1990—)，男，碩士研究生。

TD824

A

1001-1250(2014)-05-050-05