露天煤礦合理工作線長(zhǎng)度確定

蔡忠超

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

露天煤礦合理工作線長(zhǎng)度確定

蔡忠超

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

為探求露天煤礦合理的工作線長(zhǎng)度，對(duì)影響工作線長(zhǎng)度的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析，最終通過(guò)函數(shù)模型及凈現(xiàn)值NVP值綜合分析工作線長(zhǎng)度對(duì)采、運(yùn)、排影響，從而確定露天煤礦的最佳工作線長(zhǎng)度。

工作線長(zhǎng)度；影響因素；經(jīng)濟(jì)效益；NPV；露天煤礦

工作線長(zhǎng)度是露天礦開(kāi)采的主要參數(shù)之一，工作線越長(zhǎng)露天礦端幫剝離量所占的比例就越小，剝采比降低，但是工作線越長(zhǎng)基建工程量越大，工作面運(yùn)輸距離增加，運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量也會(huì)增加，并且延長(zhǎng)邊坡暴露時(shí)間，不利于邊坡穩(wěn)定[1]；工作線過(guò)短，則作業(yè)空間受限，影響礦山的生產(chǎn)能力，且由于端幫量的影響使生產(chǎn)剝采比增加。因此，確定合理的工作線長(zhǎng)度是必要的。

1 露天礦概述

露天礦所在地區(qū)屬干旱、半干旱的沙漠地貌。南部、東部和北部地形復(fù)雜，多為起伏較大的風(fēng)成沙丘，沙丘走向一般為近東南-西北向，最高標(biāo)高為112.5 m；中部和西部為較平坦沙漠區(qū)，最低標(biāo)高為52.5 m，一般標(biāo)高在60.0～80.0 m。露天礦所在煤田地層傾角平緩，一般在2°～4°。煤層基底起伏不平，煤系地層下部產(chǎn)狀略有起伏，構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層埋藏較深，一般約為150 m。本區(qū)煤全水分（Mt）平均為47.8%，干燥基灰分（Ad）平均為13.98%，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分（Vdaf）一般為52%～60%，硫分（St,d）平均為2.57%，干燥基高位發(fā)熱量（Qgr，d）為23.99 MJ/kg，收到基低位發(fā)熱量(Qnet，ar)為10.89 MJ/kg，為低灰、特高全水分、特高揮發(fā)分、低固定碳、中高硫、中發(fā)熱量煤、特低氯、中等可磨煤，是良好的電廠用煤。

剝離物由第四系松散層和第三系松散軟巖層組成。主要巖性為細(xì)砂，黏土質(zhì)粉砂巖，粉砂巖，中粗砂巖和泥巖等組成，抗壓強(qiáng)度均小于6 MPa。砂巖含水率小于20%，泥巖含水率為40%左右。

本露天礦生產(chǎn)能力為原煤7.8 Mt/a，開(kāi)采對(duì)象為A、B和C煤層，開(kāi)采境界內(nèi)3個(gè)可采煤層厚度約為23～35 m，其中C煤層16～27 m。剝離采用單斗－卡車開(kāi)采工藝，采煤采用單斗－卡車+半移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝。

2 與工作線長(zhǎng)度有關(guān)的主要因素

2.1 工作線長(zhǎng)度與基建量的關(guān)系

露天礦工作線長(zhǎng)度是由露天礦采掘場(chǎng)尺寸決定的[2]，依據(jù)露天礦選定的拉溝位置，在地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，選取了采區(qū)寬度分別是600、800、1 000、1 200 m 4個(gè)寬度方案，按最終幫坡角為24°，工作幫坡角為13°對(duì)各方案的基建工程量進(jìn)行了計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，其變化趨勢(shì)如圖1所示。

表1 不同工作線長(zhǎng)度基建量

圖1 基建量與工作線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

由以上計(jì)算結(jié)果可知，隨著工作線長(zhǎng)度的增加，基建工程量也將近似線性增加，因此應(yīng)盡量減小露天礦的工作線長(zhǎng)度，從而降低基建期投資。

2.2 工作線長(zhǎng)度對(duì)工作面卡車運(yùn)距影響

工作線的長(zhǎng)度對(duì)工作面卡車的運(yùn)距有一定影響，從而影響所需卡車數(shù)量，根據(jù)本露天礦的實(shí)際情況對(duì)上述4個(gè)方案的采區(qū)工作線長(zhǎng)度條件下所需設(shè)備數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算，工作線長(zhǎng)度變化對(duì)運(yùn)距及卡車數(shù)量的影響情況見(jiàn)表2[1]。

表2 工作線長(zhǎng)度對(duì)卡車運(yùn)距、數(shù)量影響

由表2可知，為了減少自卸卡車運(yùn)距，減少生產(chǎn)所需卡車數(shù)量、降低初期投資，宜選取相對(duì)較小的工作線長(zhǎng)度。

2.3 工作線長(zhǎng)度與年推進(jìn)速度的關(guān)系

工作線長(zhǎng)度應(yīng)能保證選定生產(chǎn)工藝在允許推進(jìn)度條件下達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模[3]。本露天煤礦建設(shè)規(guī)模為7.80 Mt/a，境界內(nèi)的煤層平均可采厚度為23～35 m，煤層傾角一般在2°～4°。剝離、采煤開(kāi)采工藝均為單斗-卡車開(kāi)采工藝，根據(jù)單斗卡車開(kāi)采工藝對(duì)工作線推進(jìn)速度的要求，本礦工作線推進(jìn)速度不宜大于400 m/a[4]，據(jù)此計(jì)算，本礦采煤工作線長(zhǎng)度不宜小于690 m。

2.4 工作線長(zhǎng)度與邊坡和疏干的關(guān)系

采掘場(chǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)排的條件下，工作線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，推進(jìn)速度越慢，則邊坡暴露時(shí)間越久，對(duì)邊坡穩(wěn)定性要求更高；工作線長(zhǎng)度越短，推進(jìn)速度越快，實(shí)現(xiàn)內(nèi)排壓幫速度快，邊坡暴露時(shí)間越短，更有利于邊坡的穩(wěn)定性。

從利于邊坡穩(wěn)定性角度分析，本礦的采煤工作線長(zhǎng)度宜選取最短的690 m，以實(shí)現(xiàn)快速降深，盡早到達(dá)最下部煤層底板實(shí)現(xiàn)內(nèi)排。

但根據(jù)本露天礦水文地質(zhì)資料計(jì)算，露天煤礦疏干水量為142 520 m3/d，由于工作線過(guò)短而導(dǎo)致的工作線推進(jìn)強(qiáng)度過(guò)快不利于采掘場(chǎng)的疏干工程布置及疏干效果，不利于確保采掘場(chǎng)的排水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.5 工作線長(zhǎng)度與生產(chǎn)剝采比的關(guān)系

露天采礦中的端幫剝離量是使剝采比無(wú)效增加的剝離量[5]。由于受到賦存條件及地形等因素的影響，露天礦生產(chǎn)剝采比n=f（L）是一個(gè)不規(guī)律的函數(shù)。

露天礦垂直工作線推進(jìn)方向斷面示意如圖2所示。

圖2 露天礦垂直工作線推進(jìn)方向斷面示意

露天礦的剝采比n可近似的用下式表示：

式中：n為生產(chǎn)剝采比，m3/t；V為剝離量，Mm3；L為坑底走向工作線長(zhǎng)度，m；H為上覆剝離物厚度，170 m；h為煤層厚度，30 m；α為最終幫坡角，24°；r為煤的平均密度，1.2 t/m3；經(jīng)式（1）計(jì)算得剝采比n為：。

從上式中可以看出，隨著工作線L的增大剝采比將逐漸的減小，因此單一從生產(chǎn)剝采比這一角度考慮應(yīng)盡量加大露天礦的工作線長(zhǎng)度從而降低生產(chǎn)剝采比。

3 最優(yōu)工作線長(zhǎng)度的分析與論證

3.1 函數(shù)模型法分析工作線長(zhǎng)度

建立完全內(nèi)排時(shí)，露天礦采、運(yùn)、排3大環(huán)節(jié)的年總費(fèi)用Fz關(guān)于工作線長(zhǎng)度L的函數(shù)模型，從而確定合理的工作線長(zhǎng)度。

1）年采掘費(fèi)用Fc。當(dāng)露天礦的生產(chǎn)能力Q一定時(shí)，年采掘費(fèi)用Fc隨著剝采比n的變化而變化，而剝采比n的大小與工作線長(zhǎng)度L有關(guān)。

露天礦剝離和采煤的總費(fèi)用可表示為：

式中：Fc為采掘總費(fèi)用，元；a為采掘單價(jià)，元/m3；Q為露天礦年生產(chǎn)能力，Mt；r為煤的平均密度，1.2 t/m3；

2）年運(yùn)輸費(fèi)用Fy。露天礦剝離的運(yùn)輸方式為自卸卡車運(yùn)輸，煤的運(yùn)輸方式為工作面至半移動(dòng)式破碎站為自卸卡車運(yùn)輸，半移動(dòng)式破碎站至電廠接口位置為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸。由于煤系統(tǒng)后續(xù)的運(yùn)輸費(fèi)用與工作線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，因此費(fèi)用計(jì)算中總的運(yùn)輸費(fèi)用僅包含剝離及采煤的自卸卡車運(yùn)輸費(fèi)用。

如圖2所示，采掘場(chǎng)內(nèi)的物料重心和排土物料重心均為露天礦開(kāi)采深度的1/2位置，則物料重心的水平工作線長(zhǎng)度為：

式中：Lg為物料重心所在水平的工作線長(zhǎng)度，m；H1為露天礦開(kāi)采深度，（H1=h+H=200 m）；

經(jīng)式（3）計(jì)算得物料重心的水平工作線長(zhǎng)度為：

如圖2所示，實(shí)現(xiàn)完全內(nèi)排開(kāi)始，物料雙環(huán)運(yùn)輸，物料重心的剝離運(yùn)距為[6]：

式中：L1為剝離運(yùn)距，m；B為底部工作幫與內(nèi)排土幫坡底間距離，60 m；h1為物料重心開(kāi)采高度，100 m；γ為工作幫坡角，13°；β為內(nèi)排土場(chǎng)工作幫坡角，15°；α為端幫最終幫坡角，24°；

經(jīng)式（3）、（4）計(jì)算得剝離運(yùn)距為：L1=L+770；

從坑底到地表的原煤運(yùn)距L2的計(jì)算式為：

式中：L2為原煤運(yùn)距/m；K為展線系數(shù)取1.2；h為露天礦開(kāi)采深度，200 m；—卡車道路最大縱坡度8%；

圖3 露天礦工作線推進(jìn)方向斷面示意圖

經(jīng)式（5）計(jì)算得原煤運(yùn)距為：L2=L+3 000。

綜上所述，露天礦年運(yùn)輸費(fèi)用Fy應(yīng)為：

式中：b為汽車運(yùn)輸單位費(fèi)用，元/m3·km。

3）年排棄費(fèi)用Fp。露天礦年排棄費(fèi)用為排棄單價(jià)與年排棄總量的乘積，即

式中：c為汽車排棄單位費(fèi)用，元/m3。

4）露天礦年總費(fèi)用Fz。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮采運(yùn)排3大環(huán)節(jié)的露天礦總費(fèi)用Fz應(yīng)為[7]：

對(duì)上述Fz=f（L）求導(dǎo)，令f（L）’=0，則得，

本項(xiàng)目為國(guó)外項(xiàng)目，完全內(nèi)排后剝離物和煤的綜合運(yùn)距為2.68 km，根據(jù)運(yùn)營(yíng)成本經(jīng)濟(jì)模型計(jì)算得運(yùn)輸單價(jià)b值約為3.00元/m3·km，采掘及排土費(fèi)用（a+c）值約為4.15元/m3，代入上式中得，5.4L2+24.3L -3 217 422.159=0，進(jìn)一步求得，L=769.65 m。

由此根據(jù)建立的完全內(nèi)排時(shí)，露天礦采、運(yùn)、排3大環(huán)節(jié)的年總費(fèi)用Fz關(guān)于工作線長(zhǎng)度L的函數(shù)模型結(jié)果可知，本露天礦內(nèi)排后采煤工作線長(zhǎng)度在800 m左右是最經(jīng)濟(jì)的。

3.2 凈現(xiàn)值NPV方法分析工作線長(zhǎng)度

通過(guò)上述采煤工作線長(zhǎng)度的函數(shù)模型分析，可以得出當(dāng)采煤工作線長(zhǎng)度在800 m左右時(shí)是最經(jīng)濟(jì)的，但是此函數(shù)模型是建立在完全內(nèi)排的基礎(chǔ)上，忽略了基建工程量及內(nèi)排前的采、運(yùn)、排費(fèi)用影響。

凈現(xiàn)值NPV法能夠計(jì)算以市場(chǎng)價(jià)值表示的股東財(cái)富[8]，因此在函數(shù)模型分析的基礎(chǔ)上，對(duì)工作線長(zhǎng)度作進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)引入凈現(xiàn)值NPV方法分析工作線長(zhǎng)度，對(duì)項(xiàng)目30年壽命周期的經(jīng)濟(jì)影響。

隨著本露天煤礦工作線長(zhǎng)度的增加，基建工程量也呈現(xiàn)近似線性增加，因此為了降低投資，在確定露天礦初期坑底工作線長(zhǎng)度800 m，基建量不變條件下，本文選取了坑底工作線長(zhǎng)度800 m、坑底工作線長(zhǎng)度從800 m逐漸擴(kuò)幫到1 000 m、坑底工作線長(zhǎng)度從800 m逐漸擴(kuò)幫到1 200 m、坑底工作線長(zhǎng)度從800 m逐漸擴(kuò)幫到1 400 m及坑底工作線長(zhǎng)度從800 m逐漸擴(kuò)幫到1 600 m共5個(gè)工作線長(zhǎng)度方案，并對(duì)5個(gè)方案按照相同原則進(jìn)行了剝采比均衡，編制了生產(chǎn)30年的進(jìn)度計(jì)劃，并分析了各方案的設(shè)備投入及更新、利用凈現(xiàn)值NPV方法對(duì)采、運(yùn)、排直接費(fèi)用進(jìn)行了分析，各方案生產(chǎn)30年剝采比均衡情況及NPV值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同工作線長(zhǎng)度30年生產(chǎn)期NPV值

通過(guò)上述5個(gè)工作線長(zhǎng)度方案的NPV凈現(xiàn)值比選情況，最優(yōu)工作線長(zhǎng)度宜選取方案3，即初期拉溝為800 m并逐漸擴(kuò)幫至1 200 m。

4 結(jié)論

綜上所述，為避免工作面空間過(guò)于受限、工作線推進(jìn)過(guò)快影響疏干工程布置，確定露天礦首采區(qū)深部采煤工作線長(zhǎng)度初始拉溝時(shí)為800 m，此時(shí)地表工作線長(zhǎng)度約1 750 m，基建量為160.0 Mm3。隨著生產(chǎn)逐漸擴(kuò)幫，最終采煤工作線長(zhǎng)度為1 200 m，此時(shí)地表工作線長(zhǎng)度約2 200 m。此工作線長(zhǎng)度能夠滿足露天礦年推進(jìn)度、生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備布置及邊坡穩(wěn)定性的要求，同時(shí)能夠有效地降低露天礦采、運(yùn)、排綜合成本費(fèi)用，在露天礦30年的壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益最好。

［1］塔爾Ⅰ區(qū)塊露天煤礦可行性研究報(bào)告［R］.沈陽(yáng)：中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2016.

［2］姚志勇，付延勝.露天礦工作線長(zhǎng)度的優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2006（1）：4-6.

［3］王海青，李景柱.勝利露天煤礦工作線長(zhǎng)度優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2007（3）：11-12.

［4］GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］張樹(shù)福.露天礦經(jīng)濟(jì)合理的采礦工作線長(zhǎng)度［J］.露天采礦技術(shù)，2006（6）20.

［6］蔡忠超，魏崢.不同工作線長(zhǎng)度下拉溝方案的比選［J］.煤炭工程，2012（S2）：10-11.

［7］宋子嶺，白潤(rùn)才.武家塔露天煤礦合理工作線長(zhǎng)度的確定［J］.露天采礦技術(shù)，2005（3）：4-6.

［8］蘇力.論協(xié)調(diào)不同資本成本計(jì)算的NPV［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012（1）：174-175.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Determining of reasonable working bench length in Open-pit Coal Mine

CAI Zhongchao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

To explore the reasonable length of working bench of the open-pit coal mine,the article analyzes several main factors of affecting the working bench length.Finally through function model and NVP,the author comprehensively analyzes the effects of the working bench on mining,transporting and dumping,and determines the reasonable length of working bench of the open-pit coal mine.

length of working bench;influencing factor;economic benefit;NPV;open-pit coal mine

TD216

B

1671－9816（2017）03－0011－04

2016-10-26

蔡忠超（1985—），男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事露天開(kāi)采設(shè)計(jì)工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.004

蔡忠超.露天煤礦合理工作線長(zhǎng)度確定［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：11-14.