露天礦垂向反向運(yùn)輸對運(yùn)輸成本的影響

潘飛亞，車兆學(xué)，師兵團(tuán)，曾啟瑞

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

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【環(huán)境與能源 / Environment and Energy】

露天礦垂向反向運(yùn)輸對運(yùn)輸成本的影響

潘飛亞1,2，車兆學(xué)1,2，師兵團(tuán)1,2，曾啟瑞1,2

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

提出露天礦運(yùn)輸設(shè)備在運(yùn)輸過程中存在先下后上問題，并將此定義為垂向反向運(yùn)輸問題.指出實(shí)際生產(chǎn)中，露天礦往往只考慮運(yùn)輸設(shè)備克服裝載點(diǎn)與卸載點(diǎn)之間的高程差帶來的成本，并未考慮因垂向反向運(yùn)輸增加的運(yùn)輸成本.垂向反向運(yùn)輸時(shí)運(yùn)輸成本相對增加，主要由動力消耗增大、上下坡時(shí)速度損失和機(jī)械設(shè)備磨損增加造成的. 以黑岱溝露天煤礦為例，通過對露天礦垂向反向運(yùn)輸中運(yùn)輸成本的增加值進(jìn)行量化計(jì)算，為露天礦提供較為精確的運(yùn)輸成本計(jì)算模型，從而為露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場管理提供依據(jù).

采礦工程； 露天礦； 高程提升； 垂向反向運(yùn)輸； 物料調(diào)度和流優(yōu)化； 運(yùn)輸成本量化； 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

由于巖土的擴(kuò)容特性及露天礦往往沿礦體傾向推進(jìn)[1]的特征，剝離物在內(nèi)排土場排棄的標(biāo)高要比在采場時(shí)的高，因此，露天開采存在大規(guī)模剝離物克服高差進(jìn)行提升搬運(yùn)的現(xiàn)象.但是由于地形、工程布置和相鄰露天礦影響等原因，造成運(yùn)輸設(shè)備在由工作幫去往排土場的過程中，經(jīng)常不是持續(xù)提升，而是先下后上，在垂向上存在反向運(yùn)輸，造成運(yùn)輸成本增加.

一般情況下，運(yùn)輸設(shè)備爬坡都是直上直下式的，而垂向反向運(yùn)輸(vertical reverse transportation, VRT)過程則存在先下后上的問題[2]，如圖1所示.垂向反向運(yùn)輸過程比直上直下式的爬坡過程多了重車下坡、重車上坡、空車下坡和空車上坡的過程.

圖1　垂向反向運(yùn)輸說明圖Fig.1　Illustration of vertical-reverse transportation

中國的露天礦大多采用外包加自營的方式完成露天礦的生產(chǎn)工作，計(jì)價(jià)時(shí)，沒有具體規(guī)定垂向反向運(yùn)輸?shù)膬r(jià)格，其與爬坡取同一值[3]，目前，尚未見相關(guān)研究文獻(xiàn).根據(jù)神華準(zhǔn)能公司和中電投白音華露天煤礦的資料，爬坡單價(jià)取0.01元/(m3·m)，即單位體積物料提升1 m的價(jià)格是0.01元.重車和空車上下坡的垂向反向運(yùn)輸成本并沒有考慮進(jìn)去.

露天礦的年生產(chǎn)能力大，國內(nèi)的大型露天煤礦年剝離量可達(dá)1.50×108m3以上[4]，如果單位運(yùn)費(fèi)節(jié)約一分錢，將產(chǎn)生150萬元/年以上的經(jīng)濟(jì)效益.如果考慮垂向上的反向運(yùn)輸，部分物料的流向?qū)l(fā)生變化，比不考慮時(shí)的運(yùn)輸成本也將下降.因此，研究露天礦垂向上的反向運(yùn)輸定量計(jì)算模型對露天礦物料流向優(yōu)化、降低露天礦生產(chǎn)成本和指導(dǎo)露天礦管理具有重要意義.

通過分析，筆者認(rèn)為垂向反向運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸成本要比平面運(yùn)輸增加了3部分，即動力消耗增加、上下坡時(shí)速度損失和機(jī)械設(shè)備磨損增加造成的運(yùn)輸成本增加.所以有

C=(cp+cs+cm)∑h

(1)

其中， C為垂向反向運(yùn)輸時(shí)成本增加量(單位：元/m3)； cp為動力消耗增加引起的成本增加值； cs為速度損失引起的成本增加值； cm為機(jī)械設(shè)備磨損引起的成本增加值； ∑h為垂向反向運(yùn)輸?shù)目偢叨?下面分別對這3部分進(jìn)行量化分析，確定垂向反向運(yùn)輸成本的增加量.

1　動力消耗

運(yùn)輸設(shè)備爬坡時(shí)，實(shí)際上不僅有高程提升造成的動力消耗增加[5]，還有運(yùn)距增加造成的動力消耗增加，如圖2所示，α為坡道的角度； l為坡道水平長度； l′為坡道長度； h為坡道提升高度.

圖2　高程提升時(shí)運(yùn)距增加示意圖Fig.2　Schematic of transport distance increase with vertical lifting

相比水平運(yùn)輸，高程提升時(shí)增加的運(yùn)距為

(2)

由于露天礦運(yùn)輸設(shè)備的提升坡度都不大[6]，爬坡能力最強(qiáng)的帶式輸送機(jī)爬坡坡度一般在16°以下，這樣Δl=1.040 0l， 爬坡比水平運(yùn)輸運(yùn)距增加4%.對于露天礦用自卸卡車8%爬坡坡度[7-8]來說，Δl=1.003 2l， 即爬坡僅比水平運(yùn)距增加0.32%，可以忽略.

對于礦用自卸卡車、鏟運(yùn)機(jī)和前裝機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備，其動力消耗主要發(fā)生在柴油的消耗上，而帶式輸送機(jī)的動力消耗為電力消耗.對于使用柴油的自卸卡車、鏟運(yùn)機(jī)和前裝機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備，以自卸卡車為例，動力消耗為

(3)

其中，ct為燃油設(shè)備垂向反向運(yùn)輸增加單位動力費(fèi)用(單位：元/(m3·m))； a為柴油單價(jià)(單位：元/t)；mt為卡車自重； mts為卡車車貨總重； mtl為卡車額定載重(單位：t)； g為重力加速度； ηt為燃油效率；ηm為發(fā)動機(jī)效率； ηe為傳動效率；q為柴油的熱值(單位：J/kg)； Vtl為卡車裝載的物料體積(單位：m3)； ρ為物料密度(單位：kg/m3).

帶式輸送機(jī)的反向運(yùn)輸動力消耗為

(4)

其中， cb為帶式輸送機(jī)垂向反向運(yùn)輸增加單位動力費(fèi)用(單位：元/(m3·m))； b為電力單價(jià)(單位：元/(kW·h))； mb為單位長度上膠帶的重量(單位：t/km)； mbs為單位長度上膠帶和物料總重(單位：t/km)； mbl為單位長度上帶式輸送機(jī)載重(單位：t/km)； ηb為驅(qū)動站電力轉(zhuǎn)換效率； w為每度電包涵能量(單位：J/(kW·h))； Vbl為單位長度膠帶上裝載巖石的體積(單位：m3/km).

運(yùn)輸設(shè)備垂向反向運(yùn)輸增加單位動力費(fèi)用為

(5)

式(5)中最難確定的是燃油效率ηt， 其由發(fā)動機(jī)熱效率ηm和和傳動效率ηe決定， 且ηt=ηmηe. 其中， ηm和ηe可通過制造商標(biāo)定和現(xiàn)場實(shí)際測定， ηm因發(fā)動機(jī)類型不同而多異，汽油發(fā)動機(jī)、柴油發(fā)動機(jī)和增加柴油機(jī)的熱效率范圍分別為25%～30%、30%～40%和35%～40%[9].

2　上下坡速度損失

對于燃油運(yùn)輸設(shè)備上下坡時(shí)，雖然運(yùn)距增加量很少，但是速度損失明顯[10]，導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)輸過程用時(shí)增長.速度損失后，運(yùn)輸設(shè)備能力降低，需要購置新的運(yùn)輸設(shè)備保持總運(yùn)量不變，或減少總運(yùn)量，即減少剝離量或礦石產(chǎn)量[11].

2.1新購買運(yùn)輸設(shè)備

沒有垂向反向運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量為

(6)

存在垂向反向運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量為

(7)

增加的運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量為

ΔN=N2-N1=

(8)

由于露天礦運(yùn)輸設(shè)備的提升坡度都不大，爬坡運(yùn)距和坡道投影長度相差很小，爬坡時(shí)增加的運(yùn)距可以忽略，所以s1≈s2，則增加的運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量為

ΔN=N2-N1=

(9)

(10)

(11)

其中， ∑h為運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸過程中垂向反向運(yùn)輸總高度(單位：m).

因?yàn)榭ㄜ嚁?shù)量增加，導(dǎo)致需要增加的投資為

ΔA=10 000ΔNe

(12)

其中，ΔA為購買新的運(yùn)輸設(shè)備增加的投資(單位：萬元)； e為單臺運(yùn)輸設(shè)備需增加的投資(單位：萬元/臺).

單位物料反向運(yùn)輸單位高度增加時(shí)，因速度降低增加的費(fèi)用為

(13)

其中， IRR為資金內(nèi)部收益率(internal rate of return).

結(jié)合式(9)、(11)、(12)和(13)，得到單位物料反向運(yùn)輸單位高度增加時(shí)，因速度降低增加的費(fèi)用為

(14)

2.2減少剝離物運(yùn)量或礦石運(yùn)量

在不新購置運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，由于垂向反向運(yùn)輸導(dǎo)致剝離物運(yùn)量或礦石運(yùn)量減少，造成經(jīng)濟(jì)效益降低.

2.2.1剝離運(yùn)輸設(shè)備

剝離運(yùn)輸設(shè)備垂向反向運(yùn)輸時(shí)降低的經(jīng)濟(jì)效益可結(jié)合式(6)和(7)計(jì)算得到ΔQ.ΔQ為在不購置新的運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，由于垂向反向運(yùn)輸導(dǎo)致減少的剝離物的運(yùn)量(單位：m3/年).

(15)

增加的費(fèi)用為

(16)

其中， pc為礦石單位利潤(單位：元/m3)； n為生產(chǎn)剝采比(單位：t/m3).

將式(6)、(11)和(15)帶入式(16)得

(17)

2.2.2礦石運(yùn)輸設(shè)備

礦石運(yùn)輸設(shè)備垂向反向運(yùn)輸時(shí)降低的經(jīng)濟(jì)效益為

(18)

將式(6) 、(11)和(15)帶入式(18)得

(19)

減少剝離物運(yùn)輸量時(shí)，增加的運(yùn)營費(fèi)為

(20)

減少礦石運(yùn)輸量時(shí)，增加的運(yùn)營費(fèi)用為

(21)

3　機(jī)械磨損

運(yùn)輸設(shè)備尤其是礦用自卸卡車滿載下坡時(shí)，車輛制動系統(tǒng)負(fù)荷很大；滿載上坡時(shí)，車輛動力系統(tǒng)需要滿負(fù)荷工作，從而額外造成運(yùn)輸設(shè)備的機(jī)械磨損[13].機(jī)械磨損又會導(dǎo)致運(yùn)輸設(shè)備的故障率增加，導(dǎo)致保養(yǎng)與維修成本增加[14].但是運(yùn)輸設(shè)備因垂向反向運(yùn)輸造成的保養(yǎng)與維修成本增加量很難量化，原因有：① 維修保養(yǎng)成本與露天礦維修部門的技術(shù)、管理水平有很大關(guān)系，不同露天礦維修保養(yǎng)成本相差很大[15]；② 即使相同的運(yùn)輸設(shè)備，使用年限不同，其維修保養(yǎng)成本也不同[15]；③露天礦維修保養(yǎng)的對象針對的是具體的運(yùn)輸設(shè)備，是統(tǒng)一維修保養(yǎng)整個(gè)運(yùn)輸過程中造成的故障、機(jī)械磨損，并沒有單獨(dú)區(qū)分平路和上下坡維修成本.

筆者認(rèn)為，因垂向反向運(yùn)輸造成的成本增加量，可根據(jù)具體礦山的設(shè)備維修保養(yǎng)成本情況估計(jì)為

“民用分類代碼”將基礎(chǔ)地理信息要素分為：1定位基礎(chǔ)，2水系，3居民地及設(shè)施，4交通，5管線，6境界與政區(qū)，7地貌，8植被與土質(zhì)，共計(jì)8個(gè)大類，46個(gè)小類，768個(gè)要素（除注記外723個(gè)要素）。本文按照大類對所有地理信息要素（注記除外）的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中，定位基礎(chǔ)占3%，水系占14%，居民地及設(shè)施占25%，交通占18%，管線占14%，境界與政區(qū)占7%，地貌占12%，植被與土質(zhì)占7%。

(22)

其中， cm為垂向反向運(yùn)輸造成的維修保養(yǎng)成本增加值(單位：元/(m3·m))； k為垂向反向運(yùn)輸維修保養(yǎng)成本增加系數(shù)； cr為露天礦運(yùn)輸設(shè)備單位維修成本(單位：元/m3).

4　實(shí)例說明

將上述參數(shù)分別代入式(3)、(5)、(11)、(14)、(17) 、(20)和(22)，得到因動力消耗增加的成本cp=0.026 0元/(m3·m)，因速度損失增加的成本為

0.000 5元/(m3·m).

因機(jī)械磨損增加的成本

cm=0.015 3元/(m3·m).

因垂向反身運(yùn)輸增加的單位成本

黑岱溝露天煤礦二采區(qū)南部和哈爾烏素露天煤礦交叉，為了減少重復(fù)剝離量，經(jīng)過優(yōu)化，黑岱溝南幫壓幫高度在煤層頂板以上120 m[16].在2018年，壓幫高度為1 130 m，則工作幫1 130 m水平以上的剝離物要從南幫經(jīng)過就必定存在垂向反向運(yùn)輸.未考慮垂向反向運(yùn)輸時(shí)，物料從工作幫的中央一分為二，工作幫北部的物料經(jīng)北幫到內(nèi)排土場排棄，南部的物料經(jīng)南幫到內(nèi)排土場排棄.考慮垂向反向運(yùn)輸后，為了降低運(yùn)輸成本就要減少垂向反向運(yùn)輸?shù)奈锪狭?，使原?jīng)過南幫內(nèi)排的剝離物部分剝離物經(jīng)北幫內(nèi)排棄.這部分剝離的確定應(yīng)以工作幫中點(diǎn)為界，逐漸向南幫擴(kuò)展，直至節(jié)約的垂向反響運(yùn)輸費(fèi)用不能彌補(bǔ)走北幫增加的平面運(yùn)距運(yùn)費(fèi)時(shí)為止.

優(yōu)化結(jié)果見表1，預(yù)測2018年黑岱溝露天煤礦自營剝離考慮垂向反向運(yùn)輸后，對于1 150～1 180 m臺階，工作幫中點(diǎn)以南300 m范圍內(nèi)的剝離物由原來經(jīng)南幫到排土場改為經(jīng)北幫去往排土場，雖然運(yùn)距增加了150 m左右，但是節(jié)約了垂向反向運(yùn)輸費(fèi)用，綜合可節(jié)約236.56萬元的費(fèi)用；1 130～1 150 m臺階同理，這2個(gè)臺階共節(jié)約運(yùn)輸成本256.81萬元.

表1　2018年黑岱溝露天煤礦自營剝離考慮垂向反向運(yùn)輸效益計(jì)算結(jié)果

5　結(jié)　論

1)根據(jù)露天礦運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行特征，提出了垂向反向運(yùn)輸?shù)母拍?，垂向反向運(yùn)輸造成了運(yùn)輸設(shè)備動力消耗增加、平均運(yùn)行速度降低和機(jī)械磨損增加，從而使運(yùn)輸成本增加.

2)動力消耗增加造成的成本增加量是垂向反向運(yùn)輸成本的主要組成部分，其與柴油(電力)價(jià)格呈正相關(guān)，而因速度損失造成的運(yùn)輸成本增加量不大，必要時(shí)可忽略.

3)確定垂向反向運(yùn)輸增加的成本后，生產(chǎn)單位可據(jù)此以總成本最小為原則對運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行路線，即物料流向進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減少存在垂向反向運(yùn)輸現(xiàn)象的剝離物的量，進(jìn)而節(jié)約運(yùn)輸成本.

4)通過研究實(shí)例說明僅測試若干卡車技術(shù)與運(yùn)行參數(shù)并調(diào)整物料流向，在2018年黑岱溝露天煤礦自營巖石剝離(不計(jì)黃土剝離)可節(jié)省256.81萬元. 該項(xiàng)技術(shù)可操作性強(qiáng).可供露天礦優(yōu)化物流，節(jié)約運(yùn)輸成本參考.

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【中文責(zé)編：晨兮；英文責(zé)編：天瀾】

2016-02-24；Accepted：2016-05-23

Influence of the vertical-reverse transportation on the transportation cost of open-pit mines

Pan Feiya1,2, Che Zhaoxue1,2?, Shi Bingtuan1,2, and Zeng Qirui1,2

1) School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, P.R.China 2) State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, P.R.China

The issue of first downhill and then uphill for open-pit mine transport equipment in the transport processis is raised as a problem of vertical reverse transportation(VRT). It is well known that, in actual production, only the cost of overcoming vertical difference between the starting and ending points has been already considered while the transport cost of the VRT is ignored. When the VRT occurs, the other three parts should be added into the transport costs, including the increased power consumption, the speed loss during the downhill and uphill of the transport equipment, and the increased machinery wear and tear. By taking Heidaigou open-pit coal mine as an example, this paper quantifies the additional value of open-pit transport costs when the VRT occurs, and provides a more accurate model for the open-pit transport costs, so as to provide the basis for the design and management of the pit haulage system.

mining engineering; open-pit mine; vertical upgrade; vertical-reverse transportation; material flow scheduling and optimizating; transportation cost quantification; open haulage system

Pan Feiya, Che Zhaoxue, Shi Bingtuan, et al. Influence of the vertical-reverse transportation on the transportation cost of open-pit mines[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 464-469.(in Chinese)

TD 804

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05464

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA062004)

潘飛亞(1990—)，男，中國礦業(yè)大學(xué)碩士研究生．研究方向：露天采礦. E-mail: pcumter@cumt.edu.cn

Foundation：National High-Tech Research and Development Program of China (2012AA062004)

? Corresponding author：Professor Che Zhaoxue. E-mail: chezhaoxue@163.com

引文：潘飛亞，車兆學(xué)，師兵團(tuán)，等. 露天礦垂向反向運(yùn)輸對運(yùn)輸成本的影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2016，33(4)：464-469.