綜合工藝條件下拋擲爆破剝離系統(tǒng)工作線長(zhǎng)度優(yōu)化

馬 力，張建國(guó)，來(lái)興平，孫健東，劉晨東，羅 強(qiáng)，韓 流

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3. 華北科技學(xué)院 安全學(xué)院，河北 三河 065201；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

露天開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效果在一定程度上取決于開(kāi)采工藝的成本投入，不同工藝系統(tǒng)因設(shè)備適用條件、作業(yè)方式等特點(diǎn)的不同，影響著其在成本費(fèi)用上的投入。各種現(xiàn)存露天開(kāi)采工藝的開(kāi)采程序，均按照一定的開(kāi)采參數(shù)在露天礦推進(jìn)方向上保持一定的超前距離，為下部臺(tái)階的延深和推幫創(chuàng)造了空間保證。綜合考慮各種露天開(kāi)采工藝優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)范圍，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，分層次、分區(qū)域布設(shè)不同工藝系統(tǒng)，充分利用各工藝系統(tǒng)發(fā)揮最大開(kāi)采效率并降低綜合生產(chǎn)成本，開(kāi)采工藝系統(tǒng)由單一到綜合化發(fā)展[1-2]。元寶山、伊敏、扎哈淖爾等露天煤礦采用輪斗挖掘機(jī)連續(xù)工藝用于上部松軟土層剝離、下部采用單斗卡車間斷工藝構(gòu)成的綜合式剝離工藝系統(tǒng)，黑岱溝露天煤礦采用上部單斗卡車間斷工藝、煤層頂板臺(tái)階采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝組成的綜合式剝離工藝系統(tǒng)[3]，霍林河南露天煤礦剝離采用單斗-卡車間斷工藝和單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)工藝構(gòu)成的綜合式剝離工藝系統(tǒng)[4]。由此可見(jiàn)，工藝系統(tǒng)在綜合化發(fā)展的同時(shí)也衍生了多種多樣的綜合式開(kāi)采工藝[5-6]。

在眾多現(xiàn)今采用的露天開(kāi)采工藝中，含拋擲爆破剝離技術(shù)的拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)的生產(chǎn)成本最低，其中如以單斗挖掘機(jī)-卡車工藝成本為基準(zhǔn)，拋擲爆破技術(shù)的成本僅占13%，而拉斗鏟倒堆工藝成本占1/3左右，使得拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝具有明顯成本優(yōu)勢(shì)[7-8]。但從技術(shù)角度而言，拋擲爆破是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量將部分巖石拋擲到采空區(qū)而形成有效拋擲，拋擲爆破技術(shù)應(yīng)用于煤層頂板上部巖石臺(tái)階能夠獲得最佳的技術(shù)效果[9-10]。因此，深凹采場(chǎng)除拋擲爆破臺(tái)階外的物料剝離需要聯(lián)合采用其他開(kāi)采工藝進(jìn)行剝離，進(jìn)而構(gòu)成了露天礦立面綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)。另一方面，因拋擲爆破臺(tái)階自由面起主導(dǎo)作用的拋擲方向與礦山工程推進(jìn)方向相反，拋擲到采空區(qū)的物料無(wú)需再經(jīng)過(guò)二次處理，但在一定程度上卻制約了下部臺(tái)階在推進(jìn)方向上的推幫工程，煤層的揭露及生產(chǎn)能力完全取決于拋擲爆破剝離系統(tǒng)的推進(jìn)強(qiáng)度和效率[11-12]。因此，包含拋擲爆破臺(tái)階高度、采掘帶寬度、工作線長(zhǎng)度等的拋擲爆破剝離系統(tǒng)參數(shù)就是制約綜合工藝系統(tǒng)效率及露天開(kāi)采整個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的重要參數(shù)。針對(duì)拋擲爆破臺(tái)階剝離參數(shù)的研究，多數(shù)重點(diǎn)圍繞與有效拋擲率密切相關(guān)的臺(tái)階高度和采掘帶寬度展開(kāi)[13-16]。而工作線長(zhǎng)度的優(yōu)化僅考慮單一工藝系統(tǒng)，并未綜合考慮系統(tǒng)間相互影響[17]。因此，工作線長(zhǎng)度并未達(dá)到系統(tǒng)最佳，優(yōu)化合理的拋擲爆破臺(tái)階開(kāi)采參數(shù)對(duì)提高露天礦生產(chǎn)效率及節(jié)約生產(chǎn)成本至關(guān)重要。筆者以拋擲爆破臺(tái)階工作線長(zhǎng)度為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析在綜合工藝條件下拋擲爆破臺(tái)階工作線長(zhǎng)度的主要影響及合理的取值。

1 拋擲爆破剝離臺(tái)階與綜合工藝系統(tǒng)間耦合影響關(guān)系

在一定生產(chǎn)規(guī)模條件下，露天煤礦的工作線長(zhǎng)度與礦山工程推進(jìn)速度成反比關(guān)系，通過(guò)影響生產(chǎn)剝采比進(jìn)而影響采剝生產(chǎn)成本。由于露天礦場(chǎng)幾何形狀的特殊性，使得各水平的工作臺(tái)階在立面上具有一致的聯(lián)動(dòng)性，互相制約并影響下部臺(tái)階的推進(jìn)度。因此，為了保證露天煤礦各水平臺(tái)階的正常剝采延深程序，上、下兩相鄰臺(tái)階間保持最小工作平盤(pán)寬度，并要求下水平臺(tái)階的推進(jìn)度不大于相鄰上水平臺(tái)階推進(jìn)度，即應(yīng)滿足[18-19]：

(1)

式中，Bj為第j(j=1,2,3,…,n)水平(從上至下)臺(tái)階平盤(pán)寬度，m；Bmin為最小工作平盤(pán)寬度；Dj為第j(j=1,2,3,…,n)水平臺(tái)階年推進(jìn)度，m。

受限于拋擲爆破效果及作業(yè)特征的影響，拋擲爆破適用于綜合工藝系統(tǒng)中的最下部水平臺(tái)階，其下部采煤臺(tái)階與拋擲爆破臺(tái)階位于同一條采掘帶內(nèi)追蹤式開(kāi)采，煤層臺(tái)階推進(jìn)度與拋擲爆破臺(tái)階推進(jìn)度一致。由此可確定拋擲爆破臺(tái)階年推進(jìn)度Dc滿足:

Dc=min(D1,D2,…,Dn)

(2)

其中，拋擲爆破臺(tái)階年推進(jìn)度與露天煤礦生產(chǎn)能力和煤層臺(tái)階開(kāi)采參數(shù)有關(guān)，即

(3)

式中，M為露天礦生產(chǎn)能力，Mt；Lm為煤層工作線長(zhǎng)度，km；hm為煤層厚度，m；γ為原煤密度，t/m3；ψ為原煤采出與矸石混入影響系數(shù)，ψ=ξ(1+ρ)，ξ為原煤采出系數(shù)；ρ為采出原煤中含矸率，%。

拋擲爆破工作線長(zhǎng)度除要滿足拋擲爆破臺(tái)階及其影響的下部各水平工作面的布置要求外，對(duì)上部諸水平臺(tái)階剝離及運(yùn)距也產(chǎn)生顯著的影響。采用內(nèi)排土方式的露天煤礦，剝離物料從采掘工作面經(jīng)鄰近端幫至內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行排棄，運(yùn)輸方式以水平環(huán)形運(yùn)輸為主，運(yùn)距由采掘點(diǎn)至端幫距離、采場(chǎng)工作面與內(nèi)排土場(chǎng)工作面端幫投影距離、內(nèi)排土場(chǎng)卸載點(diǎn)至端幫距離3個(gè)部分構(gòu)成。而由于拋擲爆破臺(tái)階與下部煤層臺(tái)階位于同一條采掘帶內(nèi)，相應(yīng)減少了工作線推進(jìn)方向上若干個(gè)采掘帶寬度的距離，進(jìn)而通過(guò)影響在兩側(cè)端幫處的距離而降低內(nèi)排剝離物運(yùn)距。

2 拋擲爆破剝離臺(tái)階工作線長(zhǎng)度對(duì)露天礦生產(chǎn)影響

2.1 工作線長(zhǎng)度對(duì)綜合工藝剝離費(fèi)用的影響

依據(jù)黑岱溝露天煤礦工藝特征，構(gòu)建推進(jìn)方向上采場(chǎng)斷面如圖1所示。

圖1 綜合工藝推進(jìn)方向采場(chǎng)斷面示意Fig.1 Schematic diagram of stope section in the advancing direction of comprehensive system

露天煤礦每年按一定生產(chǎn)強(qiáng)度推進(jìn)，則年剝離總量分別由構(gòu)成綜合工藝系統(tǒng)的各剝離工藝系統(tǒng)完成，可表示為

(4)

式中，V為年實(shí)方剝離總量，m3；V1為由單斗-卡車間斷工藝完成年實(shí)方剝離量，m3；V2為由拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝完成年實(shí)方剝離量，m3；β為端幫邊坡角，(°)；Hx1為間斷工藝服務(wù)臺(tái)階總高度，m；Hx2為拋擲爆破剝離臺(tái)階高度，m；Lx為拋擲爆破臺(tái)階工作線長(zhǎng)度，km。

拋擲爆破巖石剝離臺(tái)階和煤層臺(tái)階追蹤作業(yè)方式，根據(jù)幾何關(guān)系有Lx=Lm+(Hx2+hm)cotβ。其中煤層工作線和拋擲爆破工作線受端幫效應(yīng)影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算可令Lx=Lm，則根據(jù)式(3),(4)有

(5)

則綜合工藝條件下剝離費(fèi)用由各種工藝/技術(shù)的單位成本及負(fù)擔(dān)剝離量構(gòu)成：

(6)

式中，Cb1為間斷工藝年剝離費(fèi)用，元；Cb2為倒堆工藝年剝離費(fèi)用，元；ks1為間斷工藝服務(wù)巖石臺(tái)階松動(dòng)爆破物料的松散系數(shù)；ks2為拋擲爆破臺(tái)階物料松散系數(shù)；cb1為間斷工藝單位剝離成本，元/m3；cb2為巖石拋擲爆破單位剝離成本，元/m3；cb3為拉斗鏟倒堆單位剝離成本，元/m3；η為有效拋擲率。

2.2 工作線長(zhǎng)度對(duì)間斷工藝內(nèi)排運(yùn)輸費(fèi)用的影響

工作線長(zhǎng)度與內(nèi)排運(yùn)距的關(guān)系[20]為

Lj=aLx+bj

(7)

式中，a為單雙環(huán)內(nèi)排影響系數(shù)，單環(huán)內(nèi)排時(shí)a=1，雙環(huán)內(nèi)排時(shí)a=0.5；bj為第j水平臺(tái)階的排棄影響距離，bj=[Hj(cotα+cotφ+2cotβ)+D]/1 000，m；Hj為第j水平臺(tái)階距坑底高度，m；α為采場(chǎng)工作幫邊坡角，(°)；φ為內(nèi)排土場(chǎng)工作幫邊坡角，(°)；D為坑底寬度，m；Lj為第j水平臺(tái)階的內(nèi)排運(yùn)距，km。

則間斷工藝年剝離運(yùn)輸費(fèi)用為

(8)

式中，Ch為年剝離運(yùn)輸費(fèi)用，元；ch為剝離物單位運(yùn)輸費(fèi)用，元/(m3·km)；Vj為第j水平臺(tái)階剝離物總量，m3。

式(5)可以簡(jiǎn)化為

(9)

2.3 工作線長(zhǎng)度對(duì)倒堆工藝作業(yè)效率的影響

黑岱溝露天煤礦在采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)時(shí)，在工作線方向上劃分為4個(gè)作業(yè)區(qū)保證倒堆剝離系統(tǒng)正常作業(yè)，中部留運(yùn)煤出入溝作為原煤運(yùn)輸系統(tǒng)并將工作線劃分兩翼。拉斗鏟從中部溝進(jìn)入拋擲爆破爆堆向端幫作業(yè)，經(jīng)由端幫—內(nèi)排土場(chǎng)—中部溝進(jìn)入到另一翼向另一側(cè)端幫作業(yè)，經(jīng)相同的運(yùn)行線路再次進(jìn)入下一作業(yè)循環(huán)，如圖2(a)所示。

圖2 拉斗鏟倒堆工作面走行入換示意Fig.2 Schematic diagram of dragline moving in and out of working face

倒堆作業(yè)時(shí)間和走行入換時(shí)間分別為

(10)

式中，t1為拉斗鏟倒堆作業(yè)時(shí)間，h；t2為拉斗鏟走行入換時(shí)間，h；v1為拉斗鏟倒堆作業(yè)速度，m/h；v2為拉斗鏟走行速度，m/h；d為端幫及中部溝走行路線距離，m。

其中，拉斗鏟倒堆作業(yè)速度與實(shí)際生產(chǎn)能力和臺(tái)階參數(shù)密切相關(guān)：

(11)

式中，Qe為拉斗鏟實(shí)際小時(shí)生產(chǎn)能力，m3/h；W為拋擲爆破臺(tái)階爆區(qū)寬度，m。

實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間占總作業(yè)時(shí)間的占比為

(12)

式中，δ為拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間占比。

由式(12)可知，工作線長(zhǎng)度增大可減少拉斗鏟走行入換時(shí)間占比，增加實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而提高拉斗鏟生產(chǎn)效率。

3 拋擲爆破剝離臺(tái)階工作線長(zhǎng)度優(yōu)化

3.1 基于總剝離費(fèi)用最小的綜合優(yōu)化模型

3.1.1目標(biāo)函數(shù)的確定

總剝離費(fèi)用由間斷工藝剝離費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用與拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)剝離費(fèi)用共同構(gòu)成。因此，綜合工藝剝離總費(fèi)用與拋擲爆破臺(tái)階工作線長(zhǎng)度關(guān)系為

(13)

式中，C為綜合工藝剝離總費(fèi)用，元。

3.1.2約束條件

而當(dāng)采用工作線兩翼分區(qū)作業(yè)時(shí)，要根據(jù)設(shè)備能力、作業(yè)條件將各剝采工作面分配到兩翼，左右兩翼在技術(shù)上應(yīng)滿足：

(14)

式中，m，q分別為工作線兩翼的工作面數(shù)量；Lk，Lp分別為左右兩翼各工作區(qū)的長(zhǎng)度，km。

其次，工作線長(zhǎng)度影響拉斗鏟走行入換和有效作業(yè)時(shí)間，為滿足年最低生產(chǎn)能力，拉斗鏟實(shí)際年生產(chǎn)能力應(yīng)滿足

(15)

式中，Qs為拉斗鏟實(shí)際年生產(chǎn)能力，m3；Qj為完成生產(chǎn)能力要求的倒堆作業(yè)量，m3；ε為其他設(shè)備輔助作業(yè)系數(shù)；T為拉斗鏟年作業(yè)時(shí)間，h。

則由式(5),(11),(12),(15)確定滿足生產(chǎn)能力要求的走行入換與工作線長(zhǎng)度的關(guān)系為

(16)

3.1.3約束非線性規(guī)劃模型

綜合考慮以上因素，工作線長(zhǎng)度既要保證經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，也要保證工作面布置的技術(shù)要求和生產(chǎn)能力影響的最小工作線長(zhǎng)度，以總剝離費(fèi)用最小的公式(13)為目標(biāo)函數(shù)，約束條件除需滿足式(14)，(16)要求外，還需滿足M≥34及Lx>0的約束，并建立工作線長(zhǎng)度的約束非線性規(guī)劃模型。

3.2 工程優(yōu)化

黑岱溝露天煤礦年生產(chǎn)能力34.00 Mt，生產(chǎn)剝采比4.60 m3/t。黑岱溝露天煤礦剝離工藝采用單斗-卡車間斷工藝系統(tǒng)+拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)的綜合工藝，其中上部巖石臺(tái)階采用單斗-卡車間斷剝離工藝，拋擲爆破-拉斗鏟倒堆剝離工藝應(yīng)用于煤層頂板巖石臺(tái)階的剝離，采用拋擲爆破將34%左右的剝離物料拋擲到采空區(qū)，由推土機(jī)平整爆堆作業(yè)與單斗-卡車工藝輔助剝離并形成擴(kuò)展平臺(tái)，而后由拉斗鏟將剩余物料倒堆至內(nèi)排土場(chǎng)。為了保證生產(chǎn)能力要求及倒堆系統(tǒng)效率，拋擲爆破臺(tái)階高度和采掘帶寬度經(jīng)多次調(diào)整，當(dāng)前采用臺(tái)階高度和采掘帶寬度分別為38 m和85 m。相關(guān)實(shí)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)

依據(jù)式(17)和表1中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用有約束非線性規(guī)劃對(duì)其求解，確定不同實(shí)動(dòng)率條件下工作線長(zhǎng)度及總剝離費(fèi)用與生產(chǎn)能力的關(guān)系如圖3所示，圖中實(shí)線代表工作線長(zhǎng)度與生產(chǎn)能力關(guān)系，虛線代表總剝離費(fèi)用與生產(chǎn)能力關(guān)系。在當(dāng)前工況及34 Mt生產(chǎn)能力要求的條件下，最佳工作線長(zhǎng)度為2.29 km?？倓冸x費(fèi)用和最佳工作線長(zhǎng)度隨生產(chǎn)能力增大而增大，而最佳工作線長(zhǎng)度也與拉斗鏟年實(shí)動(dòng)率影響的年作業(yè)時(shí)間密切相關(guān)，如果在保證當(dāng)前拉斗鏟實(shí)動(dòng)率不變的條件下增大生產(chǎn)能力到35 Mt，則最佳工作線長(zhǎng)度應(yīng)增加至2.36 km。

圖3 工作線長(zhǎng)度及總剝離費(fèi)用與生產(chǎn)能力關(guān)系Fig.3 Relationship between working face length with total stripping cost and production capacity

在相同生產(chǎn)能力條件下，隨拉斗鏟實(shí)動(dòng)率的增大，最佳工作線長(zhǎng)度及總剝離費(fèi)用都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。因此，結(jié)合黑岱溝露天煤礦采區(qū)劃分實(shí)際條件，其工作線長(zhǎng)度為2.30 km，當(dāng)前所采用的拋擲爆破臺(tái)階參數(shù)及拉斗鏟設(shè)備實(shí)動(dòng)情況恰能滿足34 Mt/a的生產(chǎn)能力要求，達(dá)到此種工況條件下的產(chǎn)能極限。而如繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，將出現(xiàn)難以擴(kuò)展最佳工作線長(zhǎng)度的情況，則只能通過(guò)提高生產(chǎn)組織管理和維修以提高拉斗鏟實(shí)際倒堆作業(yè)時(shí)間。

4 結(jié) 論

(1)綜合工藝系統(tǒng)中拋擲爆破臺(tái)階推進(jìn)度是限制露天礦生產(chǎn)能力主要因素，拋擲爆破臺(tái)階工作線長(zhǎng)度增大影響拋擲爆破臺(tái)階推進(jìn)度，使間斷工藝年剝離費(fèi)用增大，但可減少拉斗鏟走行入換時(shí)間占比，提高拉斗鏟作業(yè)效率。

(2)以綜合工藝總剝離費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，以工作線兩翼分區(qū)作業(yè)最小工作線長(zhǎng)度、拉斗鏟系統(tǒng)生產(chǎn)能力、露天礦生產(chǎn)能力、工作線長(zhǎng)度非負(fù)等為約束條件，構(gòu)建了綜合工藝條件下拋擲爆破剝離系統(tǒng)工作線長(zhǎng)度的約束非線性規(guī)劃模型。

(3)剝離費(fèi)用和最佳工作線長(zhǎng)度隨生產(chǎn)能力增大而增大，而最佳工作線長(zhǎng)度也與拉斗鏟年實(shí)動(dòng)率密切相關(guān)，黑岱溝露天煤礦在當(dāng)前拉斗鏟實(shí)動(dòng)率及系統(tǒng)開(kāi)采參數(shù)條件下，達(dá)到產(chǎn)能34 Mt/a的最佳工作的最佳工作線長(zhǎng)度為2.29 km。