露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)優(yōu)化及工藝環(huán)節(jié)匹配模型

宋子嶺，趙東洋，張宇航

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000）

我國露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏、云南等生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，尤其以內(nèi)蒙古、青海、新疆等地區(qū)的露天煤礦大都位于我國主要草原上，草原土地以沙地為主，其生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦破壞后很難恢復(fù)，且破壞的生態(tài)環(huán)境有自我擴(kuò)大的趨勢[1-2]。

我國露天開采設(shè)計(jì)主要采用原蘇聯(lián)露天礦設(shè)計(jì)理論，其設(shè)計(jì)原則是“工藝與開采條件匹配；開采方法與開采條件匹配”，開采方案目標(biāo)是“技術(shù)可行；經(jīng)濟(jì)合理；安全可靠”。在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，露天開采設(shè)計(jì)主要考慮露天開采安全技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。其設(shè)計(jì)存在以下明顯的缺陷：①?zèng)]有考慮生態(tài)環(huán)境修復(fù)問題；②形成先開采、后治理環(huán)境被動(dòng)模式，從而引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，如露天礦區(qū)土地占用和破壞的面積大，采場排水破壞地下水力平衡，礦區(qū)附近地下水位下降，煤炭或煤矸石自燃，產(chǎn)生有毒有害氣體與煙霧，汽車工藝消耗燃油，排放尾氣，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)產(chǎn)生粉塵和噪音。露天開采引發(fā)固體、水和大氣綜合性污染和破壞。綠色開采工藝是從根本上改善露天礦生態(tài)環(huán)境的有效措施，為此，提出了露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)構(gòu)成及其工藝選擇的方法，豐富露天開采綠色開采技術(shù)與理論[3-7]。

1 露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 內(nèi)涵界定

露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)是在原有概念基礎(chǔ)上，加入“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)而形成的內(nèi)涵更加豐富的新工藝系統(tǒng)。露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)概念為“完成采掘、運(yùn)輸、排卸、生態(tài)恢復(fù)主要工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備和作業(yè)方式的總稱”。工藝系統(tǒng)由采裝、運(yùn)輸、排卸、“生態(tài)恢復(fù)”4 個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)構(gòu)成?！吧鷳B(tài)恢復(fù)”是綠色露天煤礦不能缺少的主要工藝環(huán)節(jié)，加長了露天煤礦工藝環(huán)節(jié)鏈，其主要作用是強(qiáng)制露天煤礦必須在做好環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)工作前提下進(jìn)行資源開采[8-11]。

“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)配備專用的作業(yè)設(shè)備，擁有各工藝環(huán)節(jié)的作業(yè)方式、工藝參數(shù)、環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力等，與其它工藝環(huán)節(jié)必須合理匹配。

1.2 各環(huán)節(jié)合理匹配關(guān)系

1.2.1 “生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)的作用

綠色開采工藝系統(tǒng)由“礦巖準(zhǔn)備、采裝、運(yùn)輸、排卸、生態(tài)恢復(fù)”5 個(gè)工藝環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)主要是指露天礦土地恢復(fù)作業(yè)環(huán)節(jié)。

“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)起促進(jìn)與保護(hù)作用。其“保護(hù)作用”主要是對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，“促進(jìn)作用”主要促使露天礦實(shí)施土地占用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，即露天礦利用排土場恢復(fù)的土地置換采場剝離所需要的土地，露天礦根據(jù)礦床賦存情況、地質(zhì)地形條件等確定建礦初期土地占用大小，用于露天礦采場基建、排土與維持正常剝采生產(chǎn)所需要的最小土地量，正常生產(chǎn)后以每3～5 年為1 個(gè)周期，露天采場與排土所需要的土地，用恢復(fù)并交付社會(huì)的土地?cái)?shù)量來等量置換[12]。

1.2.2 “生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)與其它工藝環(huán)節(jié)的匹配關(guān)系

露天礦綠色工藝系統(tǒng)中，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)之間必須在“設(shè)備類型、設(shè)備數(shù)量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)組織管理”方面合理匹配。

1）各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備類型匹配關(guān)系。生態(tài)恢復(fù)設(shè)備類型應(yīng)與采裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、排土設(shè)備的類型相匹配，主要要與排土設(shè)備類型相匹配。設(shè)備匹配一是設(shè)備類型要相一致，盡量購置與采裝、排土設(shè)備相同型號的生態(tài)修復(fù)設(shè)備；二是設(shè)備規(guī)格應(yīng)一致，大型采運(yùn)排設(shè)備配備大型的生態(tài)恢復(fù)設(shè)備。

2）各工藝環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力匹配關(guān)系。為減小環(huán)節(jié)間的相互影響，使各工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備作業(yè)效率得以充分發(fā)揮，各環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力匹配原則為后續(xù)環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力大于等于前一環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力。“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)與排土環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力匹配原則：“生態(tài)恢復(fù)”作業(yè)水平推度應(yīng)大于等于排土作業(yè)推進(jìn)度。內(nèi)排土場排土線的推進(jìn)度等于采場工作幫的推進(jìn)度。生態(tài)恢復(fù)環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力QS滿足：

式中：QS為“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力，m3/a；NS為土地恢復(fù)作業(yè)的工作面?zhèn)€數(shù)；Qt為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的年生產(chǎn)能力，m3/（臺(tái)·a）；vS為生態(tài)恢復(fù)環(huán)節(jié)作業(yè)水平推進(jìn)度，m/a；hS為土地恢復(fù)作業(yè)填方厚度或挖方深度平均值（填方取“+”、挖方取“-”），m；wS為土地恢復(fù)作業(yè)區(qū)域的寬度，m。

3）“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量的匹配關(guān)系。露天礦采、運(yùn)、排環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量的匹配關(guān)系，是通過合理車鏟比、車線比或合理卸載點(diǎn)數(shù)指標(biāo)衡量的?！吧鷳B(tài)恢復(fù)”與排土環(huán)節(jié)的匹配關(guān)系則是用生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的數(shù)量來體現(xiàn)。一般露天礦生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的作業(yè)量小于排土工作量，為使二者作業(yè)協(xié)調(diào)，生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量為IS：

式中：IS為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量；KS為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備匹配系數(shù)，取值≥1；FZ為露天礦年度土地恢復(fù)總面積，m2/a。

2 露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)選擇模型

2.1 綠色開采工藝系統(tǒng)分類

在露天煤礦開采設(shè)計(jì)中，為選擇合理的開采工藝系統(tǒng)，首先，按露天煤田的賦存條件等因素將露天煤田分類，每一種類型的露天煤田確定適宜的開采工藝系統(tǒng)，為開采工藝的設(shè)計(jì)選擇提供理論依據(jù)，對所選擇的開采工藝系統(tǒng)是否合理，通過其合理性評價(jià)的方法進(jìn)行判斷[8，13-14]。

1）露天開采工藝系統(tǒng)的影響因素。針對露天煤礦而言，選擇露天開采工藝的影響因素主要包括3個(gè)方面：露天煤田自然條件、露天開采工藝設(shè)備因素、開采設(shè)計(jì)要求。

2）露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)分類。根據(jù)露天礦工藝系統(tǒng)分類原則，按主要工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備類型、作業(yè)特點(diǎn)和生態(tài)恢復(fù)方式分為以下類型：①間斷式開采-生態(tài)工程修復(fù)工藝；②間斷式開采-生態(tài)植物修復(fù)工藝；③間斷式開采-生態(tài)生物修復(fù)工藝；④間斷式開采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝（工程、生物、植物組合）；⑤連續(xù)式開采-生態(tài)工程修復(fù)工藝；⑥連續(xù)式開采-生態(tài)植物修復(fù)工藝；⑦連續(xù)式開采-生態(tài)生物修復(fù)工藝；⑧連續(xù)式開采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝（工程、生物、植物組合）；⑨半連續(xù)式開采-生態(tài)工程修復(fù)工藝；⑩半連續(xù)式開采-生態(tài)植物修復(fù)工藝；1○半連續(xù)式開采-生態(tài)生物修復(fù)工藝；12○半連續(xù)式開采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝（工程、生物、植物組合）。

3）露天開采工藝系統(tǒng)的選擇。由于露天礦的煤層、巖層、表土層的巖性不同，其適應(yīng)的開采工藝也不同，所以，開采工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對采煤、巖石剝離和表土剝離分別進(jìn)行工藝選擇。采煤工藝用Ci表示，剝離工藝用Bi表示，i=1，2，…，12。根據(jù)我國露天煤田的類型，及各種開采工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用條件，確定某種類型的露天煤田適宜的開采工藝系統(tǒng)。以中硬巖露天煤田為例，其適宜的開采工藝分別為：

表土剝離工藝={B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8}

巖石剝離工藝={B1，B2，B3，B4，B9，B10，B11，B12}

采煤工藝={C1，C2，C3，C4，C9，C10，C11，C12}

2.2 露天礦綠色開采工藝系統(tǒng)合理性評價(jià)

根據(jù)影響露天開采工藝的因素、各種開采工藝系統(tǒng)的適用條件，以及露天煤田的特征條件，確定露天開采工藝系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)體系為三級指標(biāo)體系，共69 個(gè)評價(jià)指標(biāo)[8-9]。通過對上述69 個(gè)三級評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評判，得到不同開采工藝（Bi，Ci）對某個(gè)露天煤田的適應(yīng)性指標(biāo)，稱之為“工藝適合度”，“工藝適合度”值大的工藝即為適合的開采工藝系統(tǒng)。

評價(jià)模型建立方法與步驟如下：

1）確定各種開采開采工藝系統(tǒng)的適用條件。

2）工藝評價(jià)指標(biāo)體系的三級指標(biāo)（x1～x69）量化處理。綠色開采工藝量化指標(biāo)體系用向量U=｛［u1N,u1M］,［u2N,u2M］,［u3N,u3M］,… ［u69N,u69M］｝表示。［ukN,ukM］為三級指標(biāo)，xk根據(jù)某種工藝適用條件確定的取值范圍。將各評價(jià)指標(biāo)Xk的取值［ukN,ukM］進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到每種開采工藝系統(tǒng)的適用條件量化指標(biāo)向量（實(shí)際為69 個(gè)三級指標(biāo)取值范圍的集合），即：

i=1，2，3，…，12，表示1～12 種剝離開采工藝

i=1，2，3，…，12，表示1～12 種采煤開采工藝。

3）計(jì)算被評價(jià)露天煤田的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)xk相對于某個(gè)開采工藝的隸屬度μBi（xk），μCi（xk），按式（6）同理計(jì)算采煤工藝的μCi（xk）值。

4）確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)wk。權(quán)重系數(shù)向量W：

5）計(jì)算各開采工藝的“工藝適合度”RBi、RCi：

6）確定合理開采工藝系統(tǒng)。根據(jù)各種開采工藝的適合度值RBi、RCi，適合度值最大的開采工藝即為合理的開采工藝系統(tǒng)。剝離工藝Bi=Max{RB1，RB2，RB3，…}；采煤工藝Ci=Max{RC1，RC2，RC3，…}。若對某個(gè)露天煤田所采用的一種開采工藝系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性評價(jià)，用上述方法可得出該開采工藝系統(tǒng)的適合度指標(biāo)值RB、RC，“工藝適合度”值為[0，1]之間的數(shù)，其“工藝適合度”評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：

RB?[0.9，1.0]，表示被評價(jià)工藝完全適合于該露天煤田

RB?[0.8，0.9]，表示被評價(jià)工藝適合于該露天煤田

RB?[0.7，0.8]，表示被評價(jià)工藝比較適合于該露天煤田

RB?[0.6，0.7]，表示被評價(jià)工藝不太適合于該露天煤田

RB?[0.0，0.6]，表示被評價(jià)工藝不適合于該露天煤田。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

準(zhǔn)格爾黑岱溝露天煤礦礦床賦存情況見表1。

表1 準(zhǔn)格爾黑岱溝露天煤礦礦床賦存情況

利用上述開采工藝選擇評價(jià)模型，對其可行的開采工藝系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，得出黑岱溝露天煤田的開采工藝的“工藝適合度”指標(biāo)值RB、RC，其評價(jià)結(jié)果為：①表土開采工藝的“工藝適合度”為{RB4，RB8}={0.72，0.91}，RB8=0.91 最大，表土剝離適合“輪斗鏟-膠帶機(jī)開采工藝+生態(tài)綜合修復(fù)工藝”；②巖石開采工藝的“ 工藝適合度” 為 {RB1，RB2，RB4}={0.80，0.86，0.92}，RB4=0.92 值最大，巖石剝離適合“單斗鏟-汽車開采工藝+拉鏟倒堆-拋擲爆破開采工藝+生態(tài)綜合修復(fù)工藝”；③采煤開采工藝的“工藝適合度”為{RC9，RC10，RC11，RC12}={0.68，0.71，0.80，0.86}，RC12=0.86 值最大，采煤適合“單斗鏟-工作面汽車-半固定式破碎站-膠帶機(jī)開采工藝”。

3 結(jié)語

1）提出了將“生態(tài)恢復(fù)”作為主要工藝環(huán)節(jié)，與“礦巖準(zhǔn)備、采裝、運(yùn)輸、排卸”環(huán)節(jié)共同形成露天礦工藝系統(tǒng)。

2）構(gòu)建了露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)與其它環(huán)節(jié)的合理匹配關(guān)系數(shù)學(xué)模型。

3）將露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)劃分為12 種類型。

4）建立了露天煤礦綠色開采工藝系統(tǒng)選擇與“工藝適合度”評價(jià)模型，并進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用研究。