露天礦破碎站部分下坑時布置水平優(yōu)化

郭 強 才慶祥 陳樹召

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

露天礦破碎站部分下坑時布置水平優(yōu)化

郭 強1,2才慶祥1陳樹召1,2

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

隨著露天煤礦生產規(guī)模的不斷加大，半連續(xù)工藝在露天礦的應用也越加廣泛。實踐證明，半連續(xù)工藝的應用對煤礦經濟效益有很大的提升，而在半連續(xù)工藝中，破碎站的位置對煤礦生產效益起到決定性作用。借助于限制坡度的定義和坑內破碎站的生產能力要求，對坑內煤層進行分區(qū)；在此基礎上，給出了運煤卡車到坑內破碎站和地表破碎站的運距、內排增加運距和坑內提升膠帶長度的計算方法；在對半連續(xù)系統(tǒng)進行整體考慮后，以總運輸費用最小為原則，建立破碎站布置水平優(yōu)化模型，給出了卡車運費、增加的內排運費和提升膠帶系統(tǒng)總費用的計算方法，并將建立的優(yōu)化模型應用到實例研究中。計算結果表明，寶日希勒露天煤礦將破碎站布置在+625 m水平上時總運輸費用最小，此為破碎站布置的最優(yōu)水平。另外，通過分析可知，坑內破碎站的位置不宜過低，避免對內排產生較大的影響。

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，是露天礦高效的開采工藝，已經成為當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)勢以減少汽車運距，降低運費，提高露天礦經濟效益，破碎站的位置就要向坑內的某一個水平進行移設。而對于半連續(xù)工藝能否取得更大的經濟效益，取決于該工藝諸多關鍵技術，半固定破碎站合理布設水平的合理確定既是最重要的影響因素之一[9-11]，也是降低生產成本的有效保證[9-11]。但是由于露天礦的地質條件、開采工藝、開采參數、地面系統(tǒng)等限制使得滿足產量要求的破碎站不能全部下到坑內，這樣就只能使用坑內破碎站和地表破碎站相結合的方式來滿足生產要求。本研究根據采煤半連續(xù)工藝的特點，通過對坑內煤層進行分區(qū)，規(guī)劃好坑內破碎站和地表破碎站的服務煤量區(qū)域，在此基礎上建立破碎站布置水平優(yōu)化模型，對坑內破碎站位置進行優(yōu)化。

1 坑內煤層分區(qū)

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

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

圖1 坑內煤層分區(qū)示意

Fig.1 Sketch map of coal seam partition in pit

2 優(yōu)化模型

2.1 基本計算公式

2.1.1 汽車運距

基于煤層劃分方式，坑內汽車運距將分成2個部分。破碎站布置到不同水平時，A和B 2部分的汽車運距的計算：

A部分坑內運距

(1)

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

B部分地表運距

(2)

(3)

式中，DBi為汽車將A部分煤量運到坑內破碎站的運輸距離，m。

2.1.2 內排增加運距

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階仍可以采用雙環(huán)內排，以上臺階受到提升膠帶明溝的限制，只能通過運煤卡車下降到破碎站布置水平，然后再經過端幫進行內排，未布設破碎站的一側端幫運輸，從而增加了內排卡車的運距。因破碎站布置到坑下端幫H0水平，第i水平工作平臺增加的卡車內排運距的計算公式為

(4)

式中，DΔpi為第i水平工作平臺增加的卡車內排運距，m；ΔHpi為破碎站所在水平標高與第i水平工作平臺標高之差，m；Hi為第i水平工作平臺標高，m；Hmin為露天礦開采最低標高，m；Hmax為地表境界標高，m。

2.1.3 端幫提升帶式輸送機長度

當破碎站布置在坑內不同水平時，所需要的端幫提升帶式輸送機長度是不同的，當破碎站布置在坑內H0水平時，端幫提升帶式輸送機長度的計算公式為

(5)

式中，Lj為端幫提升帶式輸送機長度，m；H為破碎站初始所在水平標高，m；θ為端幫提升膠帶傾角，(°)。

2.2 優(yōu)化目標

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，以總運輸費用最小為原則，建立優(yōu)化目標函數為

(6)

式中，C為半連續(xù)工藝總運輸費用，萬元；Cq為破碎站布置在一定位置時汽車總運費，萬元；CΔp為由于坑內破碎站的布置而增加的內排運費，萬元；Cij為提升膠帶系統(tǒng)總費用，萬元。

2.3 模型求解

2.3.1 汽車運輸費用

(7)

因此，運煤汽車的運費為

(8)

式中，Cq1為破碎站布置在一定位置時的汽車總運費，萬元；cq為汽車運輸單價，元/(t·km)。

(9)

因此，運煤汽車的運費為

(10)

2.3.2 增加的內排運費

由式(5)可進一步得出,破碎站在坑內的布置造成的內排運費增加的加權運距為

(11)

因此，由于坑內破碎站的布置而增加的內排運費為

(12)

式中，CΔp為增加的內排運費，萬元；W為破碎站布置水平以上剝離量，萬t；cp為剝離物運輸單價，元/(t·km)。

2.3.3 提升膠帶系統(tǒng)總費用

提升膠帶系統(tǒng)總費用包括膠帶運輸費、膠帶機延長費和土建工程投資等，由式(6)可以得出膠帶系統(tǒng)總費用為

(13)

式中，cj為膠帶機運輸單價，元/(t·km)；cp為膠帶機每米延長費，元/m；Cjt為提升膠帶機土建投資費用，元/m。

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

3 應用研究

寶日希勒露天煤礦的年產量為25 Mt，現(xiàn)有的生產工藝為采煤用單斗—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，破碎站設置在地表，主要開采1#煤，隨著采礦工程的進一步發(fā)展，特別是3#煤層的開采，使得開采深度進一步加大，汽車運距增加。在這樣的條件下，將破碎站布置到坑內某一水平成為必然，但是從寶日希勒露天煤礦的現(xiàn)實情況可知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)復雜，不易改造，將3臺原有的破碎站全部移設到坑內的方案是行不通的。在這種情況下，只能考慮將部分破碎站移設到坑內端幫某一水平上。結合寶日希勒露天煤礦的基本參數和實際情況，根據露天礦破碎站布置位置優(yōu)化模型，對破碎站布置在不同位置時的各項指標進行計算，計算結果如表1所示。

表1 半連續(xù)系統(tǒng)運輸費用

Table 1 Transportation costs of semi-continuous system 萬元

標高/m汽車總運費Cq增加的內排運費CΔp膠帶系統(tǒng)費用Ctj系統(tǒng)總費用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)總費用最低，破碎站布置在該水平時，增加的內排運費和提升膠帶系統(tǒng)費用都很小，起決定性作用的是汽車運輸總運費，隨著破碎站布置深度的加大，增加的內排運費增加明顯，所以在將破碎站布置到坑內時不宜過低，以減少對內排的影響。

4 結 論

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

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

(3)選取的各項費用指標不包括破碎站移設費用、停產損失費用等，這是因為在本方案對比中以上各項費用指標相同。

(4)研究實例說明了寶日希勒露天煤礦坑內破碎站布置的最優(yōu)位置，即坑內+625 m水平端幫上，并且從費用曲線可以看出坑內破碎站的位置不宜過低，避免對內排產生較大的影響。

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(責任編輯 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

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(編號：2012AA062004)，國家自然科學基金重點項目(編號：51034005)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2014BAC14B00)。

郭 強(1990—)，男，碩士研究生。

TD824

A

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