嚴(yán)寒氣候條件下露天煤礦開采經(jīng)濟(jì)剝采比

白潤才 孫有剛 劉 闖 劉光偉 孫 磊

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 阜新123000)

在露天礦開采設(shè)計(jì)中，開采境界的確定非常重要，直接影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益。露天礦開采境界確定的基本原則是使投資經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu)［1-2］，即境界剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。目前，對于確定露天煤礦開采境界的影響因素，主要考慮到以下幾點(diǎn)［3］:地質(zhì)因素、開采技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素等。在對露天煤礦開采境界進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其目的在于確定能夠產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益的露天礦開采境界［4-8］，在最新的《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，褐煤、非焦煤、焦煤露天礦的經(jīng)濟(jì)剝采比分別不大于6 m3/t、10 m3/t、15 m3/t。而事實(shí)上我國相當(dāng)一部分露天煤礦分布在內(nèi)蒙古、新疆等北方地區(qū)，冬季漫長嚴(yán)寒，對礦山設(shè)備的成本投入、作業(yè)效率等都會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響，進(jìn)而影響到露天礦經(jīng)濟(jì)剝采比，影響露天礦開采境界的圈定，因此，有必要對嚴(yán)寒氣候條件下的露天煤礦經(jīng)濟(jì)剝采比進(jìn)行研究。

1 露天礦開采境界確定原則及影響因素分析

露天礦開采境界，即在設(shè)計(jì)露天礦時(shí)，首先要確定的技術(shù)上可能，經(jīng)濟(jì)上合理的露天開采范圍界限，主要由露天礦深度、底的周界和最終邊坡角等決定。

1.1 露天礦開采境界確定原則

根據(jù)露天開采理論，確定露天礦開采境界的原則［9］有按境界剝采比小于或等于經(jīng)濟(jì)合理剝采比的原則、按平均剝采比等于經(jīng)濟(jì)合理剝采比的原則和按自然生產(chǎn)剝采比(時(shí)間剝采比)或均衡生產(chǎn)剝采比等于經(jīng)濟(jì)合理剝采比的原則。其中，按境界剝采比nk小于或等于經(jīng)濟(jì)合理剝采比nj確定境界的原則被廣泛采用，是露天開采設(shè)計(jì)確定開采境界的主要依據(jù)。

1.2 影響露天礦開采境界的因素

影響露天礦開采境界的因素有很多，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，可大致分為自然因素和技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素。其中技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素包括采用的開采工藝及設(shè)備、礦山的基建投資、礦石成本和銷售價(jià)格、礦石質(zhì)量、開采中的貧化損失、基本建設(shè)年限及達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量的期限、設(shè)備供應(yīng)情況及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等，本研究通過研究嚴(yán)寒氣候條件對礦石開采成本的影響，優(yōu)化露天礦開采境界。

2 嚴(yán)寒氣候條件下露天礦開采境界優(yōu)化

單斗—卡車工藝以其機(jī)動(dòng)靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)在我國露天煤礦被廣泛采用，但這種工藝同樣存在燃油消耗高、機(jī)械設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高、系統(tǒng)效率低等缺點(diǎn)，嚴(yán)寒氣候條件對上述缺點(diǎn)的影響更加明顯，下面一一分析嚴(yán)寒氣候?qū)θ加汀⒃O(shè)備維修養(yǎng)護(hù)、系統(tǒng)效率等的影響。

2.1 嚴(yán)寒氣候?qū)ΦV山設(shè)備燃油的影響

露天礦山設(shè)備均為重型設(shè)備，燃油以柴油為主，根據(jù)適用溫度不同，柴油主要分6 種，分別是10 號油、0 號油、－10 號油、－20 號油、－35 號油和－50號油。10 號柴油適合于有預(yù)熱設(shè)備的高速柴油機(jī)使用，在此不予考慮。每種型號的柴油有對應(yīng)的溫度區(qū)間，如果選用柴油的型號不符合適用溫度區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油系統(tǒng)就可能結(jié)蠟，堵塞油路，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。各種型號柴油的適用溫度區(qū)間及價(jià)格見表1。

單斗—卡車工藝露天礦1 a 中燃油耗費(fèi)計(jì)算:

式中，P 為燃油年消耗費(fèi)用，元;ai為第i 月燃油價(jià)格，元/L;Vi為第i 月燃油消耗量，L。

表1 不同油號對應(yīng)的溫度區(qū)間及價(jià)格Table 1 The different temperature range and prices corresponding to different oil model

由式(1)可知，設(shè)備月耗油費(fèi)用P 隨著油價(jià)ai以及耗油量Vi的增加而增大，根據(jù)表1，不同溫度下不同型號燃油價(jià)格也不同，溫度越低，適用油號越低，燃油價(jià)格ai越高，Vi主要根據(jù)設(shè)備當(dāng)月耗油量而定，嚴(yán)寒天氣中設(shè)備因故障率高、作業(yè)效率低，需要增加設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而影響Vi值。具體影響程度將在后面進(jìn)行討論。

2.2 嚴(yán)寒氣候?qū)ΦV山設(shè)備效率的影響

在嚴(yán)寒天氣中作業(yè)時(shí)，電鏟勺斗、卡車廂斗容易出現(xiàn)黏結(jié)物料的現(xiàn)象。尤其對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜的露天礦，溫度越低，其黏結(jié)物料的情況越嚴(yán)重。電鏟勺斗黏物料嚴(yán)重時(shí)可達(dá)勺斗容積的一半［9-11］，卡車車廂黏結(jié)物料嚴(yán)重時(shí)更是達(dá)到了廂斗容積的2/3，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，為確保采剝工程量按計(jì)劃完成，必須增加設(shè)備。

2.2.1 嚴(yán)寒氣候?qū)﹄婄P效率的影響

電鏟的技術(shù)生產(chǎn)能力計(jì)算［12］:

式中，Qj為電鏟的技術(shù)生產(chǎn)能力，m3/h;E 為電鏟斗容，m3;tj為挖掘機(jī)完成1 斗采裝的技術(shù)周期，s;Kw為挖掘系數(shù)，也叫實(shí)方滿斗系數(shù);Km為滿斗系數(shù);Ks為松散系數(shù);kf為電鏟移動(dòng)、處理大塊、選采等因素形成的輔助操作系數(shù)，其值為0.5 ～0.9。

電鏟在嚴(yán)寒天氣中作業(yè)時(shí)易黏斗，由式(2)、式(3)，對于同一電鏟，其斗容E、技術(shù)周期tj、輔助操作系數(shù)kf以及松散系數(shù)Ks均是定值，只有滿斗系數(shù)Km受黏斗影響較顯著。當(dāng)電鏟勺斗黏斗時(shí)，Km變小，Kw隨之減小，此時(shí)電鏟的生產(chǎn)能力Qj也減小，電鏟效率降低。根據(jù)某礦山實(shí)際情況，電鏟黏斗嚴(yán)重時(shí)黏結(jié)物料可達(dá)廂斗容積1/2，此時(shí)生產(chǎn)能力減半。為確保采剝工程量按計(jì)劃完成，必須增加設(shè)備。

2.2.2 嚴(yán)寒氣候?qū)ㄜ囆实挠绊?/p>

與電鏟情況類似，卡車在嚴(yán)寒天氣作業(yè)時(shí)其廂斗也存在黏結(jié)物料的現(xiàn)象。根據(jù)某礦山維修部門記錄數(shù)據(jù)，氣溫在零下20 ～40 ℃時(shí)，卡車裝卸3 次廂斗黏結(jié)便能達(dá)到2/3 左右，這時(shí)必須由反鏟進(jìn)行清理，每次清理耗時(shí)6 ～7 min，每輛卡車每班平均清理7 次，共耗時(shí)約45 min，相當(dāng)于每班作業(yè)時(shí)間內(nèi)每輛卡車少裝卸2 趟?？ㄜ囋谘b卸3 趟過程中黏結(jié)物料分別是廂斗容積的1/5，1/2，2/3;氣溫在零下1 ～19 ℃時(shí)，每輛卡車每班平均清理3 次;氣溫在零上時(shí)，設(shè)備基本不存在黏結(jié)物料的情況。

影響卡車作業(yè)效率的因素主要有卡車廂斗容積、黏斗系數(shù)以及卡車裝卸次數(shù):

式中，Qz為裝卸礦巖量，t;n 為卡車數(shù)量，輛;M 為卡車額定載重，t;d 為卡車裝卸次數(shù)，次;k 為卡車黏斗系數(shù);T班為卡車班作業(yè)時(shí)間，min;T 為卡車裝卸周期，min;t清為卡車平均清理時(shí)間，min。

由式(4)和式(5)可知，隨著卡車黏斗系數(shù)k 的增大，清理廂斗的時(shí)間t清隨之增大，卡車裝卸一次的周期T 延長，從而使班裝卸次數(shù)d 減少，M 為定值，為確保采剝工程量按計(jì)劃完成，需增加卡車數(shù)量n，從而造成成本增加，在增加的成本中，主要包括增加卡車成本、原有卡車因燃油差價(jià)增加成本和卡車清理成本:

式中，P月為當(dāng)月總?cè)加驮黾映杀?，?P加為增加卡車的燃油成本，元;P差為原有卡車因油價(jià)差異增加的成本，元;P清為反鏟清理卡車耗油成本，元;n加為增加卡車數(shù)量，輛;a 為當(dāng)月燃油價(jià)格，元/L;V 為單輛卡車月耗油量，L;a差為當(dāng)月與常溫燃油差價(jià)，元/L;d 為反鏟每晝夜清理單輛卡車次數(shù)，次;W 為增加人員成本，元;r 為作業(yè)班數(shù);M 為工人工資，元/月。

2.3 嚴(yán)寒氣候?qū)ΦV山設(shè)備維護(hù)的影響

設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)是露天礦必不可少的一項(xiàng)程序，在嚴(yán)寒氣候條件下作業(yè)的設(shè)備，其故障率較常溫顯著增高。

露天煤礦設(shè)備月維護(hù)費(fèi)用主要由維修費(fèi)用和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用組成，其中維修費(fèi)用由設(shè)備數(shù)量和故障率決定，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用主要由設(shè)備數(shù)量和潤滑油的價(jià)格［12-14］決定，冬季嚴(yán)寒氣候條件下，設(shè)備故障率和潤滑油價(jià)格都增高，維護(hù)費(fèi)用也相應(yīng)地增高。

2.4 嚴(yán)寒氣候條件下經(jīng)濟(jì)剝合理采比計(jì)算

根據(jù)露天采礦原理，經(jīng)濟(jì)合理剝采比計(jì)算公式為

式中，dl為露天采煤售價(jià)，元/t;a 為純采煤成本，元/t，包括a基建、a設(shè)備、a征地等投資折舊，a穿爆、a采裝、a運(yùn)輸、a排土、a維檢、a輔助等生產(chǎn)費(fèi)用。b 為純剝離成本，元/m3，包括b基建、b設(shè)備、b征地等投資折舊，b穿爆、b采裝、b運(yùn)輸、b排土、b維檢、b輔助等生產(chǎn)費(fèi)用。

對于嚴(yán)寒地區(qū)的露天礦，氣候條件通過影響設(shè)備使用效率，增加設(shè)備、燃料成本和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，增加礦山剝離成本和采煤成本。

結(jié)合式(11)，可以得出嚴(yán)寒氣候條件下經(jīng)濟(jì)合理剝采比

式中，A 為純采煤總成本，元/t;B 為純剝離總成本，元/m3;az為嚴(yán)寒氣候條件下開采單位煤炭增加的成本，元/t;bz為嚴(yán)寒氣候條件下剝離單位巖石增加的成本，元/t。

3 實(shí)例研究

3.1 應(yīng)用背景

A 礦為采用單斗—卡車開采工藝的褐煤露天礦，有55 m3電鏟6 臺，326 t 卡車42 輛，分3 班工作，所在地區(qū)基本沒有冰凍期。假設(shè)存在一露天礦B 與A礦在生產(chǎn)規(guī)模、煤質(zhì)、工藝、設(shè)備型號等參數(shù)上均相同，唯一不同的是B 礦所在地區(qū)1 a 有7 個(gè)月的冰凍期，最低氣溫在－40 ℃以下，該地區(qū)各月氣溫變化區(qū)間見表2。

表2 B 露天煤礦各月氣溫Table 2 Temperature of each month in open-pit coal mine B

3.2 電鏟成本計(jì)算

由式(2)、式(3)可算得55 m3電鏟技術(shù)生產(chǎn)能力

由于A 礦不受嚴(yán)寒氣候影響，設(shè)備基本不存在黏斗的現(xiàn)象，電鏟月挖掘量可達(dá)2.1 mm3，B 礦所在地區(qū)一年有7 個(gè)月的冰凍期，電鏟生產(chǎn)能力受嚴(yán)寒氣候影響顯著，溫度越低，黏斗越嚴(yán)重，根據(jù)某礦山實(shí)際記錄，黏斗程度與溫度關(guān)系為:－30 ℃以下時(shí)，黏斗1/2;－15 ～－30 ℃時(shí)，黏斗1/3;－15 ～0 ℃時(shí)，黏斗1/4左右;0 度以上時(shí)，基本不存在黏斗。黏斗致使電鏟生產(chǎn)能力下降，為確保采剝工程量按計(jì)劃完成，需增加設(shè)備，考慮增加電鏟配備人員及耗電費(fèi)用，根據(jù)表2，得出A 礦和B 礦各月挖掘量及B 礦成本增加情況見表3。

表3 A 礦、B 礦電鏟各月挖掘量及B 礦成本增加Table 3 Mining quantity by electric shovel in coal mine A and B ＆ increased cost of coal mine B

根據(jù)表3，A 礦全年現(xiàn)有電鏟可完成采剝工程量計(jì)劃，B 礦需增設(shè)6 臺電鏟，每臺11 400 萬元，電鏟購置費(fèi)用總計(jì)68 400 萬元，礦山服務(wù)年限79 a，每年折合685.8 萬元。根據(jù)某礦山設(shè)備維護(hù)記錄，單臺電鏟冬季月平均維護(hù)費(fèi)用67.5 萬元，夏季51.8 萬元，單臺設(shè)備冬季維護(hù)費(fèi)用較夏季多出15.7 萬元/月。由此可知，由于嚴(yán)寒氣候影響，B 礦電鏟比A 礦增加成本2 176.5 萬元/a。

3.3 卡車成本計(jì)算

卡車作業(yè)主要消耗燃油，A 礦常年可使用0#柴油，依據(jù)表1 和表2，得出B 礦卡車各月所需燃油型號見表4。

326 t 卡車的利用系數(shù)為0.9，正常情況下實(shí)際載重可達(dá)293.4 t。由式(4)、式(5)和表2 可算出B 礦各月裝卸量以及所需增加卡車數(shù)量，得出結(jié)果:1 月需增加卡車15 輛;2 月15 輛;3 月9 輛;4 月4 輛;10月4 輛;11 月9 輛;12 月15 輛。

表4 B 露天煤礦各月適用燃油型號Table 4 Fuel oil model of each month in open-pit coal mine B

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析單輛卡車班耗油量約960 L，配備反鏟每小時(shí)耗油15 L，每分鐘則為0.25 L，反鏟每次清理時(shí)間平均5 min，耗油1.25 L。增加卡車所配備司機(jī)工資6 000 元/月，由式(6)～式(10)可知B 礦各月燃油和人員增加成本情況見表5。

表5 冬季各月卡車成本增加情況Table 5 The increased truck cost of each month in winter 元

326 t 卡車每輛2 350 萬元，B 礦共需增加卡車15 輛，購置成本總計(jì)35 250 萬元，礦山服務(wù)年限79年，每年折合446 萬元。根據(jù)某礦山卡車維護(hù)記錄，單輛卡車冬季月平均維護(hù)費(fèi)用為52 713 元，夏季19 430元，冬季比夏季每月高出33 283 元。由此可以知B 礦卡車1 a 中由于嚴(yán)寒氣候影響比A 礦增加成本8 619.6萬元。

3.4 境界優(yōu)化

當(dāng)前褐煤售價(jià)115.69 元/t，A 礦開采成本12.76元/t，剝離成本16.27 元/m3?？傻肁 礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比

由于B 礦受嚴(yán)寒氣候影響，電鏟和卡車增加的成本總計(jì)10 796.1 萬元，采煤成本較A 礦增加0.93元/t，剝離成本增加1.35 元/m3?？芍狟 礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比

分析以上2 式可知:A 礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比為6.32 m3/t，因此A 礦按露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定的褐煤露天礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比6 m3/t 圈定開采境界是可行的;受嚴(yán)寒氣候影響的B 礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比為5.78 m3/t，顯然按露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定的褐煤露天礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比6 m3/t 圈定B 礦開采境界是不合理的，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后B 礦開采境界與A 礦對比如圖1 所示。

圖1 A、B 2 礦開采境界對比Fig.1 Comparison between pit limit of coal Mine A and B

以上對比分析表明，氣候條件是影響露天礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比的重要因素，尤其我國相當(dāng)部分露天煤礦位于嚴(yán)寒地區(qū)，其開采境界不能僅按設(shè)計(jì)規(guī)范確定的經(jīng)濟(jì)剝采比圈定，還必須將氣候條件作為重要影響因素考慮在內(nèi)。

4 結(jié) 論

(1)北方地區(qū)氣候嚴(yán)寒，嚴(yán)寒氣候條件對露天礦開采境界圈定造成顯著影響。

(2)設(shè)備在嚴(yán)寒天氣中作業(yè)時(shí)，存在效率低，投入費(fèi)用高的特點(diǎn)，直接影響到礦山經(jīng)濟(jì)剝采比的準(zhǔn)確性以及開采境界的合理性。

(3)以2 個(gè)采用單斗—卡車工藝、規(guī)模相當(dāng)、氣候環(huán)境不同的露天煤礦為例，對比分析了2 礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比，結(jié)果表明露天礦開采境界不能僅按設(shè)計(jì)規(guī)范確定的經(jīng)濟(jì)剝采比圈定。

(4)我國受嚴(yán)寒氣候影響的露天煤礦數(shù)量眾多，僅按露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定的經(jīng)濟(jì)剝采比圈定開采境界不盡合理，因此考慮氣候因素的露天礦開采境界優(yōu)化方法具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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