拉鏟倒堆開采工藝?yán)P臂長(zhǎng)和斗容的優(yōu)化模型

梅曉仁

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.湛江師范學(xué)院 商學(xué)院，廣東 湛江524048）

拉鏟倒堆開采工藝是一種先進(jìn)的、高效的露天開采工藝，它集采掘、運(yùn)輸和排土三個(gè)主要工序環(huán)節(jié)于一身，將開采工作面的剝離物直接采裝、運(yùn)輸并排棄于采空區(qū)中。該工藝在美國(guó)、澳大利亞、加拿大和俄羅斯等國(guó)家的露天煤礦獲得了廣泛的應(yīng)用，獲得了優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。[1]

拉鏟倒堆開采工藝在我國(guó)剛剛起步，近幾年，在幾座大型露天煤礦的設(shè)計(jì)中，推薦了拉鏟倒堆開采工藝。黑岱溝露天煤礦2005年采購(gòu)了一臺(tái)Bucyr us公司生產(chǎn)的斗容為85 m3的拉鏟，目前已經(jīng)投入使用，使用后，露天煤礦的生產(chǎn)規(guī)模由12 Mt/a提高到20 Mt/a。我國(guó)一些露天礦區(qū)的煤層賦存條件，很適合采用拉鏟倒堆開采工藝。針對(duì)我國(guó)露天煤田的地質(zhì)賦存條件，對(duì)拉鏟倒堆開采工藝進(jìn)行研究，是我國(guó)露天采煤的一項(xiàng)新課題，具有重要理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。[1，2]本文提出了在爆堆形狀一定、推土機(jī)降段高度一定時(shí)，拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的優(yōu)化模型。

1 我國(guó)露天煤礦的地質(zhì)賦存條件

我國(guó)已經(jīng)或?qū)⒁_發(fā)的13個(gè)適合露天開采的大型、特大型煤礦中，有相當(dāng)大部分煤田具有采用拉鏟倒堆開采工藝的有利條件。這些礦區(qū)的地質(zhì)賦存條件，見表1、圖1。[1，2]由表1可看出：

（1）煤層埋藏傾角多數(shù)在10°以下，屬近水平或緩傾斜煤層，這是采用拉鏟倒堆剝離最必需的、也是最重要的賦存條件。

（2）煤層數(shù)目不多，主采煤層多為1～3層，煤層結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，煤層厚度不過大，不致成為限制采用拉鏟倒堆剝離工藝的因素。

（3）剝離物巖性多在中硬以下，各煤田巖層厚度大小不一，具備全部或部分剝離物采用拉鏟倒堆剝離的條件。

（4）多數(shù)煤田面積大，儲(chǔ)量豐富，有足夠空間安排必要的工作線長(zhǎng)度，并充分發(fā)揮拉鏟生產(chǎn)能力。

表1 我國(guó)13個(gè)露天煤田的賦存條件

綜合看來，我國(guó)有相當(dāng)多的大型煤田具備采用拉鏟倒堆開采工藝的基本條件，有望建設(shè)一批采用這種先進(jìn)剝離方式的高產(chǎn)高效露天煤礦，從而為加快露天采煤的發(fā)展，大幅度提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，開創(chuàng)一條新的技術(shù)途徑。

從圖2中可以看出，我國(guó)露天煤礦巖層和煤層一般比較厚，如果剝離僅由拉鏟倒堆完成，往往是不經(jīng)濟(jì)的，也是不合理的。因此，適宜采用聯(lián)合作業(yè)方式，即上部剝離物和煤層采用某些開采工藝，最下部煤層上部的巖層部分或者全部采用拉鏟倒堆開采工藝。采用拉鏟倒堆開采工藝時(shí)，倒堆剝離臺(tái)階采用拋擲爆破方式，將一部分剝離物直接拋擲到內(nèi)排土場(chǎng)；然后配備大功率的推土機(jī)為拉鏟準(zhǔn)備工作面，推排倒堆臺(tái)階上部的剝離物，形成推土機(jī)擴(kuò)展平臺(tái)，降低倒堆臺(tái)階的高度，減少拉鏟倒堆量，最后由拉鏟將剩余的剝離物直接倒排至采空區(qū)，如圖2所示[2]。這里涉及到一個(gè)重要的問題：在爆堆形狀一定、推土機(jī)降段高度一定的情況下，拉鏟臂長(zhǎng)和斗容有怎樣的關(guān)系？如何進(jìn)行優(yōu)化？

2 拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的計(jì)算方法

圖1 露天煤田典型地層柱狀及拉鏟作業(yè)范圍示意圖

圖2 聯(lián)合擴(kuò)展平臺(tái)示意圖

2.1 拉鏟斗容的計(jì)算

在拉鏟初步選型的過程中，參考國(guó)外有關(guān)資料，通常采用拉鏟每立方米勺斗的在籍年生產(chǎn)能力A0，來初步計(jì)算拉鏟斗容V0（m3）[3]：

式中：A——拉鏟年剝離工程量，m3；A0——平均按 （25～29）×104m3/ （m3·a）估算。

考慮拋擲爆破有效拋擲系數(shù)μ1、推土機(jī)有效排棄率μ2、拉鏟重復(fù)倒堆率η三項(xiàng)因素后，拉鏟斗容V計(jì)算公式為[2]：

2.2 拉鏟臂長(zhǎng)的計(jì)算

通常，根據(jù)拉鏟生產(chǎn)廠商提供的拉鏟設(shè)備規(guī)格表中的額定懸掛荷重 （Rated Suspension Load），來確定拉鏟的懸臂長(zhǎng)度和懸臂傾角。

額定懸掛荷重由勺斗自重和勺斗中物料重量組成。根據(jù)Bucyr us公司資料，每立方碼勺斗自重Y （P）與勺斗容積V （立方碼）的關(guān)系為[4]：

則某一規(guī)格勺斗的最大懸掛荷重M （P）為：

式中：γ——物料散方容重，P/每立方碼。

3 拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的優(yōu)化模型

3.1 拉鏟設(shè)備選型方案

對(duì)于某種型號(hào)的拉鏟，其設(shè)備總重量、最大懸吊載荷是一定的，懸臂長(zhǎng)度與勺斗容積成反比關(guān)系，即拉鏟懸臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其勺斗容積就越小，反之亦然。因此，在爆堆形狀一定、推土機(jī)降段高度一定的條件下，完成相同的露煤量。根據(jù)拉鏟懸臂長(zhǎng)度與勺斗容積的關(guān)系，拉鏟設(shè)備有兩種選擇方案：

（1）長(zhǎng)臂小斗方案

拉鏟的臂長(zhǎng)較長(zhǎng)，卸載半徑較大，拉鏟的擴(kuò)展平臺(tái)較小，二次倒堆量較少，拉鏟完成的剝離工程總量就少，相應(yīng)的，拉鏟的勺斗容積比較小。

（2）短臂大斗方案

拉鏟的臂長(zhǎng)較短，卸載半徑較小，拉鏟的擴(kuò)展平臺(tái)較大，二次倒堆量較多，拉鏟完成的剝離工程總量就多，相應(yīng)的，拉鏟的勺斗容積比較大。

3.2 拉鏟制造價(jià)格與臂長(zhǎng)、斗容的關(guān)系

我們知道，在其它費(fèi)用一定的情況下，拉鏟的作業(yè)成本與拉鏟的設(shè)備折舊費(fèi)用有關(guān)系，也就是與拉鏟的價(jià)格有關(guān)系。根據(jù)掌握的資料，對(duì)拉鏟的出廠價(jià)格進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：拉鏟價(jià)格與拉鏟的作業(yè)半徑的平方成正比，與拉鏟的斗容的0.83次方成正比，其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99679，計(jì)算公式為[5]：

式中：F——拉鏟價(jià)格，百萬(wàn)元；R——拉鏟作業(yè)半徑，m。

按公式 （5）計(jì)算出來的不同規(guī)格的拉鏟設(shè)備價(jià)格見表2。由式 （1）和表2可以看出，隨著拉鏟作業(yè)半徑的加大，拉鏟的制造價(jià)格急劇加大（平方關(guān)系），平均作業(yè)半徑每增加1 m，拉鏟制造價(jià)格增加0.72百萬(wàn)元，并且隨著作業(yè)半徑的增加，制造價(jià)格增加的幅度有增大的趨勢(shì)；而勺斗容積每增加1 m3，拉鏟制造價(jià)格僅增加0.335百萬(wàn)元，不及作業(yè)半徑的一半，并且隨著勺斗容積的增加，制造價(jià)格增加的幅度有減小的趨勢(shì)。同時(shí)，作業(yè)半徑的加大，拉鏟作業(yè)循環(huán)時(shí)間也相應(yīng)的增大，使得生產(chǎn)效率相對(duì)下降，雖然二次倒堆量相對(duì)減少，但拉鏟的年作業(yè)費(fèi)用不一定低。因此，拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的優(yōu)化，要綜合考慮拉鏟價(jià)格和剝離工程量等因素。

表2 不同規(guī)格拉鏟價(jià)格表

3.3 優(yōu)化模型

在兩種拉鏟設(shè)備選型方案中，拉鏟價(jià)格不同（作業(yè)成本不同），年完成的剝離工程量不同。因此，優(yōu)化的目標(biāo)是使得拉鏟的年作業(yè)總費(fèi)用最小，即目標(biāo)函數(shù)為[2]：

式中：f （R，V）——當(dāng)推土機(jī)降段高度為h時(shí)，排棄作業(yè)的總費(fèi)用，元；CO——拉鏟作業(yè)成本，元/m3；Cp——拉鏟折舊成本，元/m3。

拉鏟作業(yè)成本Co主要由折舊費(fèi)、修理費(fèi)、材料費(fèi)、動(dòng)力費(fèi)用 （電費(fèi)）、工人工資組成。各項(xiàng)費(fèi)用計(jì)算方法如表3所示，P表示拉鏟價(jià)格 （元），n表示拉鏟服務(wù)年限 （a），f ee表示電費(fèi) （元/度）。

表3 拉鏟作業(yè)成本構(gòu)成表

拉鏟折舊成本Cp計(jì)算如下：

式中：Vc——設(shè)備的回收殘值，取0.97。

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)我國(guó)露天煤礦地質(zhì)賦存特點(diǎn)，提出拉鏟倒堆開采工藝適宜采用聯(lián)合作業(yè)方式，即上部剝離物和煤層采用某些開采工藝，最下部煤層上部的巖層部分或者全部采用拉鏟倒堆開采工藝。

（2）綜合考慮拋擲爆破有效拋擲系數(shù)、推土機(jī)有效排棄率、拉鏟重復(fù)倒堆率三項(xiàng)因素，提出拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的計(jì)算方法。

（3）提出了長(zhǎng)臂小斗和短臂大斗兩種拉鏟設(shè)備選型方案，綜合考慮拉鏟制造價(jià)格、年剝離工程量等因素，提出了拉鏟臂長(zhǎng)和斗容的優(yōu)化模型。