拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝臺階采掘帶寬度優(yōu)化

馬 力，李克民，孫健東，肖雙雙，丁小華，常治國

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝臺階采掘帶寬度優(yōu)化

馬 力1,2，李克民3，孫健東4，肖雙雙1，丁小華3，常治國3

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

拋擲爆破與拉斗鏟配合的倒堆工藝環(huán)節(jié)中，拉斗鏟在拋擲爆破形成的爆堆上作業(yè)，采掘帶寬度是維系爆破區(qū)域與設(shè)備作業(yè)的關(guān)鍵開采參數(shù)。拋擲爆破效果、工藝設(shè)備作業(yè)要求及多煤層開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置是影響采掘帶寬度的重要因素，根據(jù)拋擲爆破與拉斗鏟作業(yè)特征和配合模式，分析了拋擲爆破開采參數(shù)與拉斗鏟作業(yè)參數(shù)的影響關(guān)系;分析了與有效拋擲率影響密切相關(guān)的臺階高寬比及炮孔排效應(yīng)。以拋擲爆破與拉斗鏟倒堆綜合成本最小為目標(biāo)，以工藝設(shè)備作業(yè)要求和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置條件為約束，建立了拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。并采用該模型對黑岱溝露天煤礦拋擲爆破臺階采掘帶寬度進(jìn)行優(yōu)化，確定其最佳采掘帶寬度為67 m。

拋擲爆破;拉斗鏟;采掘帶寬度;非線性規(guī)劃

露天開采剝離環(huán)節(jié)中采用拋擲爆破技術(shù)，將巖石破碎并將部分巖石拋擲到采空區(qū)，剩余物料由拉斗鏟倒堆完成剝離作業(yè)。從爆破工程角度看，拋擲爆破只是一種加強(qiáng)松動爆破;但從露天開采角度看，大量剝離物的采剝移運(yùn)是一項(xiàng)大量工程，而拋擲爆破能將巖石拋擲的基本特點(diǎn)與露天開采的目標(biāo)相契合。通過分析拋擲爆破的爆堆形態(tài)及與露天礦山工程發(fā)展特點(diǎn)，拋擲爆破爆堆形態(tài)及有效拋擲率是影響露天礦正常生產(chǎn)的根源。

為了降低拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝的剝離成本，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)較高的拋擲比，但是同時導(dǎo)致了爆破成本的增加。因此，拋擲爆破應(yīng)用的最佳效果是有效拋擲率增大所對應(yīng)的剝離物剝離成本減小能抵消爆破成本的增加。露天開采過程中沿采掘帶劃分為若干個爆區(qū)依次作業(yè)，采掘帶寬度是維系爆破區(qū)域與設(shè)備作業(yè)的重要開采參數(shù)，研究優(yōu)化采掘帶寬度對提高拋擲爆破效果和拉斗鏟設(shè)備作業(yè)效率具有重要意義。

國內(nèi)外眾多研究學(xué)者對如何提高有效拋擲進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了參數(shù)設(shè)計、物料特性、炸藥特性、炸藥消耗、炮孔直徑、臺階高寬比、抵抗和孔距、布孔類型、炮孔傾角、炮孔填塞與裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、延期時間等眾多因素的影響[1-3];分析研究了臺階寬度對拋擲爆破效果的影響，有效拋擲率隨臺階高度與寬度比值的增大而增大[4-8];而在拋擲爆破與拉斗鏟聯(lián)合應(yīng)用條件下，對兩者耦合的開采參數(shù)研究較少，大多停留在以經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)的參數(shù)選取，并未對拋擲爆破的采掘帶寬度進(jìn)行深入研究。

1 拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝技術(shù)特征

1.1 拋擲爆破與拉斗鏟作業(yè)程序耦合關(guān)系

露天采礦實(shí)現(xiàn)將原位巖礦破碎并采裝運(yùn)往指定場所，通常采用松動爆破將物料破碎至一定塊度滿足設(shè)備采裝要求。依據(jù)爆破漏斗理論，拋擲爆破是一種加強(qiáng)松動爆破，利用爆破將剝離物料直接拋入無煤區(qū)或采空區(qū)而不需要重復(fù)處理。露天礦的拋擲爆破主要實(shí)現(xiàn)兩個基本功能:一是破碎巖石，二是將破碎的巖石拋出，既完成了預(yù)先松碎環(huán)節(jié)又完成部分物料的排棄。

圖1為單一煤層和雙煤層中拋擲爆破示意，部分物料被拋擲入采空區(qū)，剩余物料需要機(jī)械處理。其中，雙煤層拋擲爆破中剝離物和煤層的移運(yùn)順序?yàn)?中部剝離物首先起爆，然后是上部剝離物，隨后拉斗鏟在上部臺階作業(yè)揭露上部煤層，拉斗鏟在排土場側(cè)作業(yè)揭露下部煤層[9]。有效拋擲率和爆堆形態(tài)受地質(zhì)條件及爆破參數(shù)控制，直接取決于爆破設(shè)計。另外，拋擲爆破不能直接用于物料剝離，需與其他工藝、設(shè)備配合完成剝離物的移運(yùn)。按照技術(shù)、設(shè)備的配合模式及順序，拋擲爆破爆堆形態(tài)及爆破效果是影響后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及設(shè)備作業(yè)的關(guān)鍵因素，如圖2所示。

圖1 單一煤層與雙煤層中拋擲爆破示意Fig.1 Schematic diagram of blast-casting in single seam and double seams operation

圖2 開采參數(shù)相互影響關(guān)系Fig.2 Interaction effect relation of mining parameters

拋擲爆破與后續(xù)剝離工藝、設(shè)備的匹配，主要考慮由拋擲爆破決定的開采參數(shù)與采裝設(shè)備自身作業(yè)能力相適應(yīng)的開采作業(yè)參數(shù)，兩者之間的相互影響主要體現(xiàn)在臺階高度和爆區(qū)寬度的確定，不但需要結(jié)合其自身要求達(dá)到的效果，同時要考慮后續(xù)設(shè)備能達(dá)到的作業(yè)能力。另一方面，工作線長度、臺階坡面角等也是需要考慮的開采參數(shù);對于在拋擲爆破條件下采用其他工藝與其相配合應(yīng)用而言，通常在工作線長度方向上將其分為若干個爆區(qū)，而爆區(qū)長度與劃分的采掘作業(yè)臺階高度、設(shè)備作業(yè)能力等因素共同影響煤層的揭露速度和露天礦生產(chǎn)能力。

1.2 臺階拋擲爆破技術(shù)特征及爆破效果

受巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育程度、數(shù)量及方向等影響，巖石爆破后破碎成不同尺寸及形狀規(guī)格的巖塊。另外，拋擲初速度、拋擲巖塊間的相互碰撞都是巖塊拋擲過程中不可避免的影響因素。根據(jù)拋擲爆破作用原理及有效拋擲率的含義，有效拋擲率可以看成是若干拋擲巖體微元在采空區(qū)的有效堆積比。拋擲巖塊在空氣中的運(yùn)動狀態(tài)符合外彈道理論特點(diǎn):① 在不考慮空氣阻力影響條件下，拋擲巖體服從質(zhì)心系運(yùn)動基本原理，按照彈道軌跡運(yùn)行[10];② 依據(jù)能量守恒定律，拋擲巖體運(yùn)動初始能量由炸藥爆炸產(chǎn)生能量所提供。

式中，v為拋體初速度，m/s;S為拋體質(zhì)心起落水平距離，m;α1為拋體質(zhì)心拋擲角，(°);H′為拋體質(zhì)心起落高差，m;ρ為爆破巖石密度，kg/m3;q為炸藥單耗，kg/m3;e為炸藥比能量，J/kg;η1為極限尺寸平面藥包爆破有效作用系數(shù)。

根據(jù)體積平衡法理論，多藥包爆破形成的堆積體可以看成是每個藥包形成的堆積體之和，堆積體的前沿拋距、質(zhì)心拋距與藥包最小抵抗線密切相關(guān)，成正比關(guān)系[11]:

式中，Lm為藥包中心到堆積體前沿的水平拋擲距離，m;Lc為藥包中心到堆積體質(zhì)心間的水平距離，m;γ為巖土介質(zhì)密度，kg/m3;Wr為藥包的最小抵抗線，m;φ為最小抵抗線方向與鉛垂線所夾拋射角，(°);Kn為拋擲系數(shù)，Kn=3.0。

1.3 拉斗鏟設(shè)備尺寸及倒堆作業(yè)特征

1.3.1拉斗鏟設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸

拉斗鏟大臂、提升繩、回拉繩共同組成了一個三角形，以拉斗鏟旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)O，在拉斗鏟大臂、提升繩、回拉繩所構(gòu)成的平面建立直角坐標(biāo)系。圖3中O表示拉斗鏟旋轉(zhuǎn)中心，O′表示回拉繩與機(jī)體卷筒連接處，A表示拉斗鏟大臂頂點(diǎn)，α2表示大臂與旋轉(zhuǎn)中心所在水平線的角度，B表示拉斗鏟的采裝點(diǎn)，O′A表示拉斗鏟大臂長度為定值(圖中Lb)，AB表示拉斗鏟采裝作業(yè)時提升繩長度(圖中L1)，O′B表示拉斗鏟采裝作業(yè)時回拉繩長度(圖中L2)。

圖3 拉斗鏟結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of dragline construction

假設(shè)B點(diǎn)的坐標(biāo)為(x，y)，由余弦定理得

則拉斗鏟鏟斗在該平面的空間坐標(biāo)為

結(jié)合VGA采集卡記錄相對角度數(shù)據(jù)，即可得到鏟斗的空間軌跡，如圖4所示。

1.3.2拉斗鏟倒堆作業(yè)方式

拉斗鏟作業(yè)方式受礦層賦存條件、露天礦產(chǎn)量規(guī)模、倒堆臺階參數(shù)、拉斗鏟規(guī)格及臺數(shù)等多種因素的影響，單臺拉斗鏟的基本作業(yè)方式主要有以下4種[12-15]。

(1)直接倒堆方式

拉斗鏟站立在倒堆臺階上盤或者經(jīng)推土機(jī)平整后的爆堆之上，下挖剝離物并倒入采空區(qū)，如圖5(a)所示。直接倒堆方式多用于剝離物及煤層厚度均不大或者拉斗鏟線性尺寸較大的條件。

圖5 拉斗鏟基本作業(yè)方式Fig.5 Basic operation modes of dragline

(2)擴(kuò)展平臺倒堆方式

拉斗鏟站立在擴(kuò)展平臺之上，下挖剝離物并倒入采空區(qū)，如圖5(b)所示。擴(kuò)展平臺可由推土機(jī)在爆堆上降段平整建立，也可由拉斗鏟自身或者推土機(jī)和拉斗鏟聯(lián)合建立。這種方式適用于剝離物厚度較大、巖石較為堅固穩(wěn)定的條件，可以減小拉斗鏟的線性尺寸或增加倒堆臺階的高度和寬度，但部分剝離物需要二次倒堆。

(3)超前臺階倒堆方式

把剝離層分為上下兩個臺階，拉斗鏟站立在剝離臺階中部分別進(jìn)行上采和下采，如圖5(c)所示。可以使拉斗鏟倒堆厚度增大，但拉斗鏟上采高度不宜太大，且上采使拉斗鏟挖掘速度降低、滿斗率降低、回轉(zhuǎn)角度增大，從而降低拉斗鏟的生產(chǎn)效率。

(4)排土場回拉方式

拉斗鏟站立在排土場平整后的平臺上，將剝離物回拉至內(nèi)排土場，如圖5(d)所示。這種方式可以把部分剝離物倒堆至更上部的排土場，以增大倒堆內(nèi)排空間。但拉斗鏟在排土場回拉作業(yè)時，回轉(zhuǎn)角較大、作業(yè)循環(huán)周期長、生產(chǎn)效率較低。

2 拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化模型

2.1 基于綜合成本最小的目標(biāo)采掘帶寬度

拋擲爆破臺階高度和采掘帶寬度是影響拋擲爆破效果的重要因素，經(jīng)驗(yàn)表明:臺階高寬比H/W與拋擲率間存在線性關(guān)系[3,16-17]。隨著H/W的增加，可以增大采空區(qū)的有效拋擲量。當(dāng)臺階高度一定的情況下，有效拋擲率隨采掘帶寬度的增大而降低。另一方面，有效拋擲率的增大會降低拉斗鏟倒堆設(shè)備作業(yè)量及倒堆成本。因此，應(yīng)把拋擲爆破和拉斗鏟倒堆作業(yè)作為一個系統(tǒng)，綜合考慮采掘帶寬度變化對綜合生產(chǎn)成本的影響。

拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝年綜合成本為

式中，W為采掘帶寬度,m;q為炸藥單耗,kg/m3;c1為單位爆破成本,元/m3;H為臺階高度,m;L為工作線長度,m;D為年推進(jìn)度,m;η為有效拋擲率;c2為拉斗鏟倒堆單位成本,元/m3。

從式(5)可以看出，拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝總成本受有效拋擲率影響，在等炸藥單耗條件下，有效拋擲率與臺階高度和寬度有關(guān)，即η=f(H,W)，且當(dāng)H=const時，η=f(W)。

式(5)中綜合成本與有效拋擲率呈負(fù)相關(guān)，為確定使總成本最低的采掘帶寬度亦即使有效拋擲率最大，即

有效拋擲率除受臺階高度和采掘帶寬度影響外，還與裝藥量、孔距、排距等爆破參數(shù)密切相關(guān)。因此，使有效拋擲率最佳的采掘帶寬度，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定。

2.2 拉斗鏟設(shè)備作業(yè)對采掘帶寬度的約束

考慮拋擲爆破后的剝離采裝設(shè)備主要為單斗挖掘機(jī)和拉斗鏟，而單斗挖掘機(jī)與汽車的相互位置并非固定，采掘帶對其作業(yè)條件影響不大，挖掘機(jī)可以以端工作面、側(cè)工作面、盡頭工作面等多種作業(yè)方式在采掘帶中橫向“之”字形移動或與垂直工作線方向開采等。因此，從設(shè)備尺寸及作業(yè)形式看，拋擲爆破采掘帶主要對拉斗鏟設(shè)備有較大的影響。

由于拉斗鏟在多煤層中的作業(yè)方式包含多種，不同作業(yè)方式及所能達(dá)到的開采作業(yè)要求具有較大的差別。當(dāng)拉斗鏟在采場側(cè)向排土場倒堆的作業(yè)方式中，無論其在上層或是下層作業(yè)，其作業(yè)特點(diǎn)基本一致，而回拉方式與在采場側(cè)作業(yè)具有顯著的差別。因此，從其作業(yè)場所的不同分別考慮拉斗鏟線性尺寸對拋擲爆破采掘帶寬度的影響。

2.2.1拉斗鏟在爆堆頂盤作業(yè)

拉斗鏟在爆堆頂盤作業(yè)如圖6所示，根據(jù)拋擲爆破作用和拉斗鏟作業(yè)前后的巖體臺階和倒堆物料守恒，則有

式中，Hx為拉斗鏟卸載高度,m;Hb為爆堆頂板距坑底高度,m;ks為爆堆松散系數(shù);δ為排土帶坡面角,(°)。

圖6 拉斗鏟在拋擲爆破爆堆頂部作業(yè)示意Fig.6 Schematic diagram of dragline working on the top of blast casting muck pile

根據(jù)拉斗鏟作業(yè)關(guān)系有:

將式(7)代入式(8)可得:

式中，Rx為拉斗鏟卸載半徑,m;c為拉斗鏟作業(yè)中心距爆堆坡肩安全距離，m;α為爆堆坡面角,(°);ΔL為爆堆坡面與排土帶交錯距離,m。

拉斗鏟設(shè)備在倒堆頂盤上作業(yè)主要需保證:① 拉斗鏟旋轉(zhuǎn)中心至排土帶的水平距離在拉斗鏟最大作業(yè)半徑范圍內(nèi);② 拉斗鏟的卸載高度要在其最大卸載高度范圍內(nèi)，即

式中，Hxmax為拉斗鏟的最大卸載高度，m;Rxmax為拉斗鏟的最大卸載半徑，m。

則可以獲得因拉斗鏟作業(yè)條件對采掘?qū)挾鹊挠绊戧P(guān)系為

2.2.2拉斗鏟在內(nèi)排土場側(cè)回拉作業(yè)

根據(jù)以上分析的過程與方式，可以獲得拉斗鏟在內(nèi)排土場側(cè)回拉作業(yè)(圖7)的基本關(guān)系有

拉斗鏟設(shè)備在內(nèi)排土場側(cè)回拉作業(yè)主要需保證:① 拉斗鏟旋轉(zhuǎn)中心至爆堆最遠(yuǎn)處要在拉斗鏟最大作業(yè)半徑范圍內(nèi);② 拉斗鏟至最低服務(wù)臺階底板的距離要在其最大挖掘高度范圍內(nèi)，即

式中，Hm為回拉拉斗鏟服務(wù)剝離臺階底板距坑底高度,m。

圖7 拉斗鏟在內(nèi)排土場側(cè)回拉作業(yè)示意Fig.7 Schematic diagram of dragline working on the side of inner-dump

則可以獲得因拉斗鏟作業(yè)條件對采掘帶寬度的影響關(guān)系為

則因拉斗鏟線性尺寸影響的拋擲爆破采掘帶寬度應(yīng)為

2.3 煤層開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置的影響

受拋擲爆破高臺階影響，下部煤層與高臺階采掘帶一致。因此，下部煤層臺階的采掘帶寬度除應(yīng)留有最小作業(yè)寬度外，還應(yīng)考慮運(yùn)輸通道寬度及運(yùn)輸系統(tǒng)的安全距離:

式中，Ws為多煤層開拓運(yùn)輸系統(tǒng)因素確定的采掘帶寬度,m;Rwp為采掘設(shè)備最大挖掘半徑,m;c1為運(yùn)輸系統(tǒng)安全距離,m;Lr為運(yùn)輸系統(tǒng)寬度,m。

2.4 采掘帶寬度優(yōu)化的非線性規(guī)劃模型

以拋擲爆破與拉斗鏟倒堆綜合成本最小為目標(biāo)，以工藝設(shè)備作業(yè)要求和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置條件為約束，建立拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型:

3 實(shí)例分析

3.1 礦山概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，露天礦開采范圍平均走向長度7.86 km，平均寬度5.39 km，總面積42.36 km2。主要開采6號復(fù)煤層，總厚度28.8 m，煤層傾角<10°，可采儲量為1 497.7 Mt，煤質(zhì)為特低磷、低硫、中灰、高灰熔點(diǎn)長焰煤。年生產(chǎn)原煤33 Mt，全區(qū)總剝離量8 021.67 Mm3，全礦平均剝采比5.36 m3/t。

黑岱溝露天礦采用單斗挖掘機(jī)-汽車工藝、拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝用于黃土和巖石物料的剝離。其中拋擲爆破-拉斗鏟工藝用于6號煤層頂板巖石的剝離，臺階內(nèi)巖性多為含礫中砂巖、含礫粗砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖，巖石硬度f值為2～5。采用Bucyrus 8750-65型拉斗鏟，規(guī)格參數(shù)見表1。

表1黑岱溝露天煤礦采用的拉斗鏟規(guī)格
Table1DraglineparametersofHeidaigousurfacemine

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值勺斗容積/m390鏟斗內(nèi)物料松方密度/(t·m-3)1.756懸臂長度/m100滿斗系數(shù)0.95懸臂傾角/(°)35平均鏟斗裝載量(實(shí)方)/m361.04懸臂高度/m68.0平均鏟斗裝載量(松方)/m385.50底座直徑/m24.4最大挖掘深度/m61空斗質(zhì)量/t124.5最大卸料高度/m40.5額定荷載/t274.6臺年能力/(Mm3·a-1)22.50

拋擲爆破臺階采用38 m高臺階、采掘帶寬度依據(jù)拉斗鏟的作業(yè)尺寸定為80 m，拉斗鏟作業(yè)方式采用在爆堆頂盤作業(yè)將物料倒堆至內(nèi)排土場的作業(yè)方式。由于在設(shè)計采掘帶寬度時主要考慮了拉斗鏟的作業(yè)尺寸，對拋擲爆破效果因素考慮欠缺，在實(shí)際生產(chǎn)中造成有效拋擲率和整個工藝系統(tǒng)的效率過低，關(guān)鍵問題在于拋擲爆破與拉斗鏟臺階的采掘帶寬度并未達(dá)到最優(yōu)。

3.2 拋擲爆破最佳最小抵抗線

最佳最小抵抗線是影響拋擲爆破效果的重要因素。最小抵抗線過小時，巖石的拋擲主要靠爆破的動作用，隨著最小抵抗線的增大拋擲初速度降低不顯著;最小抵抗線過大時，巖石僅沿炮孔連線方向形成裂隙而不產(chǎn)生拋擲。為產(chǎn)生最佳拋擲，抵抗值必須控制在一定范圍內(nèi)[18]。

黑岱溝露天現(xiàn)場拋擲爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，受不同臺階高度、炸藥單耗、臺階高度及孔距的影響，有效拋擲率與最遠(yuǎn)拋距均隨最小抵抗線變化趨勢均保持一致，即有效拋擲率與最遠(yuǎn)拋距隨著抵抗線的增大而達(dá)到某一最大值，而后隨著最小抵抗線的增大而降低(圖8)。根據(jù)露天礦實(shí)際采用炸藥單耗0.67 kg/m3、孔距10.7 m，據(jù)此參數(shù)確定最佳有效拋擲率對應(yīng)的最小抵抗線為7.5 m。

3.3 采掘帶寬度合理范圍的確定

由于拉斗鏟在爆堆頂盤作業(yè)，根據(jù)對現(xiàn)場爆堆實(shí)測確定爆堆頂板距坑底高度Hb為55 m、爆堆松散系數(shù)ks為1.3、排土帶坡面角δ為38°、爆堆坡面與排土帶交錯距離為20 m、拉斗鏟作業(yè)中心距爆堆坡肩安全距離為40 m、高臺階坡面角70°，結(jié)合拉斗鏟最大挖掘高度40.5 m、最大卸載半徑100 m，根據(jù)式(17)分別確定W1max=210.6 m、W2max=85.5 m，則Wd=85.5 m。

下部煤分層的采掘作業(yè)由WK-35實(shí)現(xiàn)，其中設(shè)備的最大挖掘半徑為23.9 m、運(yùn)輸系統(tǒng)安全距離為3 m、運(yùn)輸系統(tǒng)寬度為24 m，計算獲得Ws=67.63 m。則根據(jù)式(17)可以確定采掘帶寬度合理變化范圍為[67 m,85 m]。

表2試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果統(tǒng)計
Table2Statistictableofparameterandresult

試驗(yàn)編號炸藥單耗/(kg·m-3)臺階高度/m最小抵抗線/m孔距/m有效拋擲率/%最遠(yuǎn)拋距/mP17-30.69356.511.030.2390.31P17-70.69357.011.032.9397.69P17-250.69357.711.034.39117.45P17-270.69358.111.033.52109.86P21-30.66456.811.235.48108.67P21-40.66457.111.237.47115.43P21-90.66457.411.242.48122.87P21-20.66458.011.236.27112.38P27-110.74367.311.131.4993.18P27-30.74367.711.134.72100.38P27-10.74368.011.137.94103.77P27-140.74368.311.135.3097.91P28-110.67386.910.729.3893.45P28-150.67387.510.733.19106.16P28-140.67388.010.731.12101.26

圖8 有效拋擲率和最遠(yuǎn)拋距與最小抵抗線的關(guān)系Fig.8 Relationship between effective casting ratio with farthest casting distance and minimum burden

3.4 采掘帶寬度優(yōu)化

依據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用拋擲爆破的實(shí)際情況，統(tǒng)計獲得了采掘帶寬度從60～85 m、臺階高度從30～55 m變化的有效拋擲率變化情況，見表3和圖9。

表3實(shí)測有效拋擲率與臺階高度及采掘帶寬度關(guān)系
Table3Actualrelationshipbetweeneffectivecastingratiowithworkingbenchheightandminingpanelwidth%

h/mW/m6065707580853033.8433.7333.4332.2231.7630.863536.8437.1535.5534.6633.8333.504038.3938.5437.6336.7635.9635.684541.2540.5940.3638.2437.4537.225042.1341.0539.4339.0538.3138.105542.7641.3740.4640.1337.5238.34

圖9 有效拋擲率臺階高度及采掘帶寬度變化關(guān)系Fig.9 Relationship between effective casting ratio with working bench height and mining panel width

采用回歸分析，擬合獲得有效拋擲率與臺階高度及采掘帶寬度關(guān)系式:

根據(jù)露天礦當(dāng)前拋擲爆破高臺階高度38 m的實(shí)際情況，在采掘帶寬度變化范圍[67 m,85 m]內(nèi)確定使總成本最低的采掘帶寬度即為目標(biāo)采掘帶寬度，亦即使有效拋擲率最大的采掘帶寬度。式(18)中有效拋擲率隨采掘帶寬度的增大而減小，最終確定在當(dāng)前拋擲爆破參數(shù)條件下為滿足拋擲爆破和拉斗鏟作業(yè)的最佳采掘帶寬度為67 m。

4 結(jié) 論

(1)基于拋擲爆破技術(shù)特點(diǎn)與拉斗鏟作業(yè)特征關(guān)系，拋擲爆破后形成的爆堆形態(tài)及拋擲爆破效果是影響后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)及設(shè)備作業(yè)的關(guān)鍵因素，采掘帶寬度的確定要充分結(jié)合其自身要求達(dá)到的效果，及后續(xù)設(shè)備能達(dá)到的作業(yè)能力。

(2)分析了對有效拋擲率影響密切相關(guān)的臺階高寬比及炮孔排效應(yīng)，有效拋擲率主要受前三排炮孔影響且隨臺階高寬比增大而增大，最佳有效拋擲率應(yīng)控制在使剝離成本和爆破成本影響的總成本最低的范圍內(nèi)。

(3)以拋擲爆破與拉斗鏟倒堆綜合成本最小為目標(biāo)，以工藝設(shè)備作業(yè)要求和開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置條件為約束，建立拋擲爆破采掘帶寬度優(yōu)化的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并對黑岱溝露天煤礦拋擲爆破剝離臺階采掘帶寬度進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果表明其最佳采掘帶寬度為67 m。

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Optimizationofminingpanelwidthforstrippingtechnologyofblastcasting-draglineworkingbench

MA Li1,2,LI Kemin3,SUN Jiandong4,XIAO Shuangshuang1,DING Xiaohua3,CHANG Zhiguo3

(1.SchoolofEnergyEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China; 2.StateKeyLaboratoryforGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 4.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,SchoolofResource&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

In the stripping process of blast casting combined with dragline,the dragline working on the top of blast casting muckpile,the mining panel width is the key mining parameter to maintain the blasting area and equipment operations.Blast casting effect,dragline operation requirement and transportation system layout for multi-coal seams are important factors affecting the mining panel width.According to the characteristics and cooperation pattern of blast casting and dragline operation,the influence relationships between mining parameters of blast casting and dragline operating parameters were analyzed.The high-width ratio of working bench and row effects of blast hole,closely related to effective casting ratio,were analyzed.By taking the minimum composite cost of casting blast with dragline stripping operation as the goal,as well as dragline operation requirement and transportation system layout as constraints,the non-linear mathematical programming model for optimizing mining panel width of blast casting bench was established.The calculation result for Heidaigou surface coal mine shows that the optimum mining panel width is 67 m for blast casting working bench.

blast casting;dragline;mining panel width;nonlinear programming

馬力，李克民，孫健東，等.拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝臺階采掘帶寬度優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報,2017,42(11):2867-2874.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0329

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TD824

A

0253-9993(2017)11-2867-08

2017-03-14

2017-05-11責(zé)任編輯畢永華

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51604264);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M601913);江蘇省博士后科研資助計劃資助項(xiàng)目(1601054B)

馬 力(1986—)，男，黑龍江集賢人，副教授,博士后。E-mail:mali21786@cumt.edu.cn。

李克民(1957—)，男，吉林敦化人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0516-83995487，E-mail:likemin513@126.com