基于產(chǎn)量目標(biāo)的露天煤礦倒堆臺(tái)階高度優(yōu)化研究＊

馬 力 呂 粲 李克民 彭洪閣 丁小華 肖雙雙 劉 干

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

拉斗鏟倒堆開采工藝是一種先進(jìn)的合并式開采工藝，集采掘、運(yùn)輸、排土于一體。國(guó)外通常采用拋擲爆破技術(shù)配合拉斗鏟一同應(yīng)用，可以將30%以上的剝離物拋擲到采空區(qū)，進(jìn)一步降低了剝離費(fèi)用。因此，采用拋擲爆破拉斗鏟倒堆剝離工藝具有生產(chǎn)能力大、效率高、剝離費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。黑岱溝露天煤礦通過擴(kuò)能改造技術(shù)，引進(jìn)大型拉斗鏟設(shè)備應(yīng)用在煤層頂板45m 的高臺(tái)階的剝離中，使礦山生產(chǎn)能力達(dá)到22 Mt／a。然而，由于拉斗鏟倒堆作業(yè)直接位于煤層頂板，其揭露煤層速度是直接影響煤炭產(chǎn)量的重要因素。露天煤礦逐年擴(kuò)能，而為保證生產(chǎn)能力的持續(xù)供給，需合理調(diào)節(jié)倒堆臺(tái)階高度，即重新分配間斷工藝與倒堆工藝剝離比重。

在倒堆工藝條件下，露天煤礦生產(chǎn)能力主要受倒堆臺(tái)階高度和有效拋擲率的影響，與工作線長(zhǎng)度及采掘帶寬度之間的關(guān)系較小。而倒堆臺(tái)階高度也是直接影響有效拋擲率的重要因素，因此，研究?jī)?yōu)化合理的倒堆臺(tái)階高度對(duì)保證露天煤礦生產(chǎn)能力具有重要意義。

1 臺(tái)階高度與有效拋擲率之間的關(guān)系

有效拋擲率受煤層厚度、臺(tái)階高度、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、采空區(qū)形狀等因素影響。然而，因煤層厚度、采空區(qū)形狀對(duì)有效拋擲率影響較小，且工程條件具有不確定性，宜歸結(jié)為外因；而臺(tái)階高度、炸藥單耗及孔網(wǎng)參數(shù)直接影響有效拋擲率的大小，歸為內(nèi)因。從拋擲爆破參數(shù)特征來(lái)看，臺(tái)階高度是影響有效拋擲率的關(guān)鍵決定性因素，且與以彈道理論為基礎(chǔ)的公式 （1）所描述的臺(tái)階高度與拋擲距離的關(guān)系相符。

式中：S——拋擲距離，m；

v——拋擲初速度，m／s；

α——拋擲爆破臺(tái)階坡面角，（°）；

l——拋擲點(diǎn)與落地點(diǎn)的高差，即臺(tái)階高度，m。

對(duì)與深孔爆破炮孔長(zhǎng)度而言，在增大臺(tái)階高度的同時(shí)，超深和堵塞長(zhǎng)度保持不變，提高了裝藥長(zhǎng)度占炮孔長(zhǎng)度的比例，提高了炮孔利用率。因此，在其他條件不變時(shí)，增大臺(tái)階高度可相應(yīng)地增大炮孔間距。為分析臺(tái)階高度對(duì)有效拋擲率的影響，選取黑岱溝露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拋擲爆破統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表1，繪制了有效拋擲率與臺(tái)階高度之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

表1 黑岱溝露天煤礦不同臺(tái)階高度情況下拋擲爆破統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 黑岱溝露天煤礦有效拋擲率與臺(tái)階高度關(guān)系

從圖1可以看出，有效拋擲率隨臺(tái)階高度的增大而增大，其影響程度逐漸降低，當(dāng)臺(tái)階高度增大到一定程度時(shí)，有效拋擲率不再受臺(tái)階高度變化影響。為確定有效拋擲率與臺(tái)階高度之間相互影響的變化關(guān)系，根據(jù)圖1曲線擬合有效拋擲率η與臺(tái)階高度H 函數(shù)為：

式中：H——倒堆臺(tái)階高度，m；

η——有效拋擲率，%。

式 （2）擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.8017，有效拋擲率與倒堆臺(tái)階高度的二次函數(shù)有關(guān)，呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。除臺(tái)階高度外，炸藥單耗是影響有效拋擲率的另一重要因素，此處僅為分析臺(tái)階高度對(duì)有效拋擲率的影響，式 （2）是在炸藥單耗0.67kg／m3時(shí)確定的函數(shù)關(guān)系。

2 倒堆臺(tái)階高度對(duì)露天煤礦生產(chǎn)能力的影響

煤層上部采用倒堆工藝追蹤式開采方式的露天煤礦，倒堆工藝的推進(jìn)度是直接影響露天煤礦生產(chǎn)能力的重要因素。在倒堆工藝工作線長(zhǎng)度及拉斗鏟年生產(chǎn)能力確定的前提下，拉斗鏟系統(tǒng)推進(jìn)度與選擇的倒堆臺(tái)階高度呈負(fù)相關(guān)。因此，倒堆臺(tái)階高度是最終影響露天煤礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵決定因素。露天煤礦年生產(chǎn)能力計(jì)算式：

拉斗鏟年需完成剝離作業(yè)量為：

式中：M——露天煤礦年生產(chǎn)能力，t／a；

V——拉斗鏟年需完成剝離作業(yè)量，m3／a；

Lm——煤層工作線長(zhǎng)度，m；

L——拉斗鏟平均工作線長(zhǎng)度，m；

ks——松散系數(shù)；

γ——煤容重，t／m3；

D——推進(jìn)度，m／a；

h——煤層平均厚度，m。

而相對(duì)拉斗鏟設(shè)備自身而言，年最大生產(chǎn)能力Qmax為：

式中：Qmax——年最大生產(chǎn)能力，t／a；

A——拉斗鏟作業(yè)采掘帶寬度，m；

Qc——拉斗鏟小時(shí)能力，m3／h；

δ——拉斗鏟作業(yè)有效利用率，%；

T——拉斗鏟年計(jì)劃動(dòng)用時(shí)間，h；

tk——拉斗鏟全年開切時(shí)間，h；

tkA——開采一幅的開采時(shí)間，h；

λ——開切效率，%；

tx——拉斗鏟全年走行時(shí)間，h；

txA——拉斗鏟開采一幅的走行時(shí)間，h。

為保證年剝離任務(wù)，要滿足拉斗鏟設(shè)備能力大于需完成作業(yè)量，即：

將式 （4）、（5）、（8）代入式（3），可得：

式中：β——端幫邊坡角。

將式 （2）帶入式 （9）中，可以得出露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺(tái)階高度關(guān)系為：

露天煤礦生產(chǎn)能力受多種因素共同影響，煤層厚度為自然因素，無(wú)法根據(jù)產(chǎn)量需求調(diào)節(jié)，而拉斗鏟設(shè)備生產(chǎn)能力及相關(guān)作業(yè)及走行時(shí)間也基本固定不變。因此，從構(gòu)成露天煤礦生產(chǎn)能力的眾多因素而言，唯有工作線長(zhǎng)度、采掘帶寬度及倒堆臺(tái)階高度為可調(diào)節(jié)因素，而倒堆臺(tái)階高度是最主要的關(guān)鍵性決定因素。

3 實(shí)例分析

黑岱溝露天煤礦2011 年生產(chǎn)能力達(dá)31 Mt，是我國(guó)在生產(chǎn)露天煤礦中單坑生產(chǎn)能力最大的露天煤礦。其如此高的生產(chǎn)能力，得力于獨(dú)具特色的綜合式開采工藝，上部黃土采用輪斗連續(xù)工藝剝離，中部45～75m 厚巖石采用單斗挖掘機(jī)—汽車間斷工藝剝離，臺(tái)階高度15～20 m；下部煤頂板以上40～45m 左右?guī)r石采用拋擲爆破—拉斗鏟無(wú)運(yùn)輸?shù)苟褎冸x工藝。煤層平均厚度28.8 m，煤的容重1.47t／m3，平均有效拋擲率為34%，松散系數(shù)1.3，拉斗鏟平均工作線長(zhǎng)度2200m，采掘帶寬度為80m，采煤工作線2120m，端幫邊坡角為60°。采用BE8750-65 拉斗鏟，拉斗鏟小時(shí)作業(yè)能力3938m3，年計(jì)劃動(dòng)用時(shí)間7200h，拉斗鏟作業(yè)有效利用率為95%，每幅走行時(shí)間12h，每幅開切時(shí)間8h，開切效率為90%，采掘帶寬度80m。將相關(guān)參數(shù)帶入式 （11），計(jì)算出不同臺(tái)階高度H 條件下的生產(chǎn)能力變化情況，見表2和圖2。

從圖2可以看出，隨倒堆臺(tái)階高度的增大，露天煤礦生產(chǎn)能力逐漸降低，其主要表現(xiàn)為倒堆作業(yè)量的增大影響煤層揭露速度。通過函數(shù)擬合，確定露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺(tái)階高度之間的關(guān)系式為：

露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺(tái)階高度的二次函數(shù)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=1。為保證露天煤礦達(dá)到年設(shè)計(jì)產(chǎn)量要求，需調(diào)整合適的臺(tái)階高度與之相適應(yīng)，如要達(dá)到33Mt／a的生產(chǎn)能力，需調(diào)整臺(tái)階高度在37m 以下。

圖2 黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺(tái)階高度變化曲線

4 結(jié)論

（1）基于彈道理論和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合確定了有效拋擲率與倒堆臺(tái)階高度的二次函數(shù)有關(guān)，有效拋擲率隨臺(tái)階高度的增大而增大，且其影響程度逐漸降低，當(dāng)臺(tái)階高度增大到一定程度時(shí)，有效拋擲率不再受臺(tái)階高度變化影響。

（2）分析了拉斗鏟作業(yè)參數(shù)對(duì)露天煤礦生產(chǎn)能力的影響，并結(jié)合倒堆臺(tái)階高度和有效拋擲率之間的關(guān)系，給出了拋擲爆破拉斗鏟倒堆工藝條件下露天煤礦生產(chǎn)能力的計(jì)算公式，確定了在設(shè)備作業(yè)參數(shù)不變的情況下，露天煤礦生產(chǎn)能力與倒堆臺(tái)階高度的二次函數(shù)有關(guān)。

（3）黑岱溝露天煤礦在現(xiàn)有工藝條件下，欲保證生產(chǎn)能力達(dá)到33 Mt／a，倒堆臺(tái)階高度應(yīng)調(diào)整至37m 以下，以滿足煤層揭露速度要求。

［1］ 李克民，馬軍，張幼蒂等.拉斗鏟倒堆剝離工藝在我國(guó)應(yīng)用前景 ［J］.煤炭工程，2005（10）

［2］ 梅曉仁，王志宏 .露天煤礦拉鏟設(shè)備選型的研究［J］.工礦自動(dòng)化，2009（6）

［3］ 王平亮，周偉，楊海春等.高臺(tái)階拋擲爆破作用機(jī)理研究及應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（4）

［4］ 孫文彬，劉希亮，王洪斌等.基于MIV 的拋擲爆破影響因子權(quán)重分析 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（6）

［5］ 丁小華，李克民，狐為民.基于非線性理論的拋擲爆破爆堆形態(tài)預(yù)測(cè) ［J］ .中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（5）

［6］ 馬力，李克民，丁小華等.拋擲爆破巖體拋擲距離影響因素研究 ［J］.工程爆破，2013（2）

［7］ 李祥龍.孔距、排距對(duì)高臺(tái)階拋擲爆破拋擲率的影響 ［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（11）