露天煤礦綜合運(yùn)距計(jì)算模型與方法研究

劉振遠(yuǎn)

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

露天礦生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)為開放空間內(nèi)的巨型土石方移運(yùn)工程，主要由鉆孔、爆破、采掘、運(yùn)輸、排棄等環(huán)節(jié)構(gòu)成[1-3]。其中，鉆孔、爆破、采掘環(huán)節(jié)的成本相對固定，受生產(chǎn)設(shè)計(jì)改動(dòng)影響較小，而運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本隨著工作幫的推進(jìn)與采礦設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)變化，尤其對于采用單斗－卡車間斷式開采工藝或半連續(xù)開采工藝的露天煤礦，卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本占據(jù)了整個(gè)露天礦運(yùn)營成本的30 %～50 %[4-8]。露天礦山常用的運(yùn)距測量方法主要有：地質(zhì)測量數(shù)據(jù)計(jì)算、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析。其中通過地質(zhì)測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的加權(quán)平均運(yùn)距更為直接，不受信號(hào)影響，而信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要依托GPS 定位以及礦山GIS 模型，成本較高。針對不同的運(yùn)距計(jì)算方法及應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。柴森霖等[9]將非線性預(yù)測理論、因子分析法等技術(shù)方法應(yīng)用于實(shí)際的礦山優(yōu)化問題中，提出了采用加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)技術(shù)（WLSSVM）擬合非線性運(yùn)距曲線的預(yù)測算法王建光等[10]提出了一種基于三角剖分原理的采剝加權(quán)平均運(yùn)距計(jì)算方法，通過把臺(tái)階不規(guī)則區(qū)域劃分為若干三角單元，分別計(jì)算各三角單元從采掘點(diǎn)重心到卸載點(diǎn)重心的運(yùn)距；盧雯雯等[11]將物流規(guī)劃思想和線性規(guī)劃方法相結(jié)合，建立了物流運(yùn)輸線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，研究了露天礦山的排巖優(yōu)化問題。運(yùn)輸距離的快速準(zhǔn)確測量對于露天礦經(jīng)營及決策有著重要意義，是露天礦成本核算及采礦設(shè)計(jì)依托的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和重要考量指標(biāo)。因此，合理全面的露天礦綜合運(yùn)距理論確定模型及方法的研究尤為重要。

1 露天煤礦不同開拓方式下的運(yùn)輸系統(tǒng)模型

露天煤礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)是指建立在地表與露天礦場內(nèi)各工作水平以及各工作水平之間的礦巖運(yùn)輸通道。所研究的內(nèi)容是確定通道的形式、位置、固定性等特征。

建立不同場景下的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)模型，有以下假設(shè)：①運(yùn)輸系統(tǒng)中，臺(tái)階的計(jì)數(shù)方式由下至上，即最下部的臺(tái)階為第1 個(gè)臺(tái)階，由此往上累加；②第1個(gè)臺(tái)階道路的布置緊靠某一端幫，為第2 個(gè)臺(tái)階道路布置提供基準(zhǔn)；③出入溝位于工作幫的兩側(cè)；④所建立的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)模型均基于單斗－卡車間斷式開采工藝。

1.1 工作幫移動(dòng)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)模型

布設(shè)在工作幫上的移動(dòng)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)主要分為直進(jìn)式、直進(jìn)折返式、折返式，3 類開拓運(yùn)輸系統(tǒng)受開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中最上1 個(gè)臺(tái)階與最下1 個(gè)臺(tái)階的工作線長度影響。

1.1.1 直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)如圖1。

圖1 直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

直進(jìn)式的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，需要滿足每個(gè)臺(tái)階的工作線長度都要大于它下部所有道路的水平投影與平坡距之和，即滿足式（1）的要求。

式中：Ln為第n 個(gè)平盤的工作線長度，m；H 為臺(tái)階高度，m；Lt為道路的水平投影長度，m；k 為運(yùn)輸至第n 個(gè)平盤時(shí)穿越臺(tái)階的數(shù)量；A 為最下1 個(gè)平盤到地表之間的臺(tái)階總數(shù)；i 為道路坡度系數(shù)，%；Lp為平坡距，m。

1.1.2 直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)如圖2。

圖2 直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)指在物料運(yùn)輸?shù)倪^程中某一臺(tái)階的工作線長度無法含括其以下運(yùn)輸?shù)缆放c平坡距之和，需要在這一平盤改變物料運(yùn)輸?shù)姆较?，進(jìn)行折返運(yùn)輸。這種開拓運(yùn)輸系統(tǒng)受折返處臺(tái)階的工作線長度影響，一般情況下該運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)系如式（2）。

式中：Lze為第ze個(gè)平盤的工作線長度，m；ze為運(yùn)輸系統(tǒng)第e 次進(jìn)行折返時(shí)所跨越的臺(tái)階數(shù)。

在直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中，特殊的情況有：在平盤工作線長度無法布設(shè)1 個(gè)完整的道路與平坡距時(shí)，可以在道路中某一位置進(jìn)行折返，或者布設(shè)與工作線垂直的道路。運(yùn)輸?shù)缆分羞M(jìn)行折返如圖3。

圖3 運(yùn)輸?shù)缆分羞M(jìn)行折返

在道路中某一水平進(jìn)行折返時(shí)，進(jìn)行折返的位置受下部平盤工作線的長度影響，計(jì)算公式為：

式中：H1為折返水平以上的臺(tái)階高度，m；H2為折返水平以下的臺(tái)階高度，m；Lt1為折返水平以上的道路水平投影，m；Lt2為折返水平以下的道路水平投影，m；Ld為下部平盤的工作線長度，m。

1.1.3 折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)如圖4。

圖4 折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)指卡車每跨越1 個(gè)水平都需要進(jìn)行1 次折返，折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的道路呈S 形布置。

這種情況可以看做在直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中，運(yùn)輸每跨越1 個(gè)臺(tái)階都進(jìn)行了1 次折返，折返次數(shù)與臺(tái)階數(shù)量差值為1，即式（3）中e 的最大值與A－1 相等。

1.2 端幫半固定式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)模型

端幫半固定式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)與工作幫移動(dòng)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)最大的不同在于端幫道路的半固定性。實(shí)際的生產(chǎn)過程中，一般露天礦端幫的長度小于工作幫的長度，這種情況將導(dǎo)致在開拓運(yùn)輸系統(tǒng)只能選擇折返次數(shù)較多的直進(jìn)折返式運(yùn)輸系統(tǒng)或者折返式運(yùn)輸系統(tǒng)，在卡車輸送物料的過程中不斷地進(jìn)行折返將會(huì)導(dǎo)致安全隱患增大并增加管理難度。因此一般不采用端幫半固定開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。

2 露天礦山運(yùn)距確定方法

以直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)為例，物料實(shí)際運(yùn)輸距離可看做斜坡道運(yùn)輸距離與平盤運(yùn)輸距離的總和。在確定運(yùn)距前需要確定物料的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0，z0）、運(yùn)輸系統(tǒng)起點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1，z1）與終點(diǎn)坐標(biāo)（x2，y2，z2）。直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的確定如圖5。

圖5 直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的確定

在得到3 點(diǎn)坐標(biāo)后，即可通過運(yùn)輸系統(tǒng)起終點(diǎn)的高差，得到斜坡道上的運(yùn)輸距離Sx，平盤上的運(yùn)距由每個(gè)平盤運(yùn)輸距離確定，計(jì)算公式為：

式中：Sx為所有斜坡道上的運(yùn)距，m；Sp為所有平盤上的運(yùn)距，m；S1為物料質(zhì)心點(diǎn)到運(yùn)輸系統(tǒng)起點(diǎn)距離的水平投影，m；Sz為直進(jìn)式運(yùn)輸系統(tǒng)的總運(yùn)距，m；Wg為工作平盤寬度，m；Wd為道路寬度，m。

在道路設(shè)計(jì)的過程中，某2 道路之間的平坡距一般為設(shè)計(jì)中要求的最小距離，但是由于實(shí)際情況限制，部分道路間的平坡距實(shí)際與設(shè)計(jì)值有差異。假設(shè)在開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中有n 個(gè)平盤的實(shí)際平坡距與設(shè)計(jì)值有偏差，差值△Lpi。則需根據(jù)差值對總運(yùn)距進(jìn)行修正：

式中：Sp0為修正前i 平盤的運(yùn)距，m；△Spi為第i個(gè)平盤運(yùn)距修正前后的差值，m；△Lpi為第i 個(gè)平盤平坡距的差值，m；為直進(jìn)式運(yùn)輸系統(tǒng)修正后的總運(yùn)距，m。

在實(shí)際工作平盤寬度與設(shè)計(jì)寬度由差異的情況下，也可以根據(jù)式（5）的思路進(jìn)行修正。假設(shè)有q 個(gè)平盤的寬度與設(shè)計(jì)值不同，差值分別為△Wgj。根據(jù)實(shí)際平盤寬度情況修正后的總運(yùn)距如式（6）。

式中：Sp0為修正前平盤的運(yùn)距，m；△Spj為第j個(gè)平盤運(yùn)距修正前后的差值，m；△Wgj為第j 個(gè)平盤寬度的差值，m；為直進(jìn)式運(yùn)輸系統(tǒng)修正后的總運(yùn)距，m。

在直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中，運(yùn)距的計(jì)算需要在確定物料的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)輸系統(tǒng)起終點(diǎn)坐標(biāo)的前提下，進(jìn)一步確定折返點(diǎn)的個(gè)數(shù)n。確定這些數(shù)據(jù)之后便可建立直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)距計(jì)算模型，計(jì)算公式為：

式中：Sp1為直進(jìn)運(yùn)輸時(shí)在平盤上的運(yùn)距；Sp2為在折返點(diǎn)所在平盤的運(yùn)距；w 為運(yùn)輸系統(tǒng)中折返點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

該模型認(rèn)為在折返運(yùn)輸時(shí)，道路間的距離只與工作平盤寬度、道路寬度有關(guān)，不受平坡距的影響，折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的確定如圖6。

圖6 折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的確定

直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)如出現(xiàn)部分平坡距、平盤寬度有偏差，修正方法與直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)相同。如果每在道路中進(jìn)行1 次折返，則最終的總運(yùn)距需加額外的1 個(gè)道路寬度。

折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中，運(yùn)距計(jì)算模型建立在直進(jìn)折返開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。不同之處在于計(jì)算平盤運(yùn)距時(shí)，Sp2的值即是Sp的值，折返次數(shù)n 與A－1 的值相等。計(jì)算公式為：

以上即為工作幫移動(dòng)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)中，不同開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的計(jì)算模型。端幫半固定開拓運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)距的計(jì)算模型與此相似。不同點(diǎn)在于端幫所建立的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，各平盤寬度會(huì)因?yàn)榈缆返牟荚O(shè)而產(chǎn)生變化。因此在通過以上模型計(jì)算后，需結(jié)合不同的平盤寬度對運(yùn)距進(jìn)行修正。

3 實(shí)例研究

3.1 天池能源南露天煤礦概況

天池能源南露天煤礦為傾斜巨厚煤層賦存，東西走向，由北向南傾斜。平均煤層厚度達(dá)76.84 m，年生產(chǎn)能力為30 Mt/a。目前該露天煤礦于2020 年完成首采一區(qū)到首采二區(qū)的轉(zhuǎn)向工作，開采方式由縱采變?yōu)闄M采，自西向東推進(jìn)，并在西幫370、400、430、460、490、520、550 m 水平建立工作平盤寬度為75 m，坡面角為33°的內(nèi)排土場。采煤臺(tái)階的工作線向前推進(jìn)270 m，剝離臺(tái)階工作線推進(jìn)300 m。剝離后的物料在運(yùn)輸過程中，爬升高度與運(yùn)距將直接決定運(yùn)輸環(huán)節(jié)的整體運(yùn)費(fèi)。

3.2 不同水平綜合運(yùn)距確定

運(yùn)距的確定首先要對所運(yùn)輸物料的質(zhì)心點(diǎn)進(jìn)行確定，2020 年間煤層向東推進(jìn)270 m，即能滿足年生產(chǎn)能力。煤層上覆巖石需要?jiǎng)冸x6 000 萬m3，進(jìn)行剝離平盤共13 個(gè)。根據(jù)2020 年的規(guī)劃，有3 825 萬m3的物料運(yùn)向內(nèi)排土場，排土工作線跟進(jìn)300 m。確定每個(gè)剝離平盤與排土平盤的推進(jìn)距離之后即可得到各個(gè)平盤的剝離量與排土量，南露天煤礦2020 年期間剝離物料流向規(guī)劃見表1。

表1 南露天煤礦2020 年期間剝離物料流向規(guī)劃

各平盤剝離量與排土量確定后，便可在設(shè)計(jì)圖紙中對工作平盤進(jìn)行劃分。劃分區(qū)域后在3Dmine 軟件中獲得質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)，作為計(jì)算運(yùn)距過程中的起點(diǎn)（x0，y0，z0）。內(nèi)排土場建成后，以南端幫作為運(yùn)輸通道，內(nèi)排物料在單環(huán)運(yùn)輸，端幫430、460、490、520、550 這5 個(gè)平盤為內(nèi)排通道，確定運(yùn)輸系統(tǒng)終點(diǎn)坐標(biāo)（x2，y2，z2）。確定物料質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)與出入溝位置后，確定不同剝離區(qū)域的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)與起點(diǎn)位置（x1，y1，z1）。

計(jì)算中，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的道路寬度Wd為40 m，縱向坡度i 為8 %，臺(tái)階高度H 為15 m，工作平盤寬度Wg為90 m，平坡距Lp為50 m。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可得，13 個(gè)進(jìn)行剝離工作的平盤共劃分為20 個(gè)區(qū)域，其中11 個(gè)區(qū)域的物料進(jìn)入直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行在同一平盤上進(jìn)行水平運(yùn)輸，下部4 個(gè)區(qū)域進(jìn)入折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，445 北部區(qū)域進(jìn)入直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。

其他區(qū)域運(yùn)距計(jì)算不再贅述。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，有部分平盤的實(shí)際寬度與最小平盤寬度存在差異，565、430 平盤所留設(shè)的平坡距與設(shè)計(jì)存有差異，物料在跨越385～400 m 水平時(shí)在道路中進(jìn)行折返。根據(jù)實(shí)際差異情況與影響范圍對不同區(qū)域的物料運(yùn)距進(jìn)行修正，得出修正后不同剝離區(qū)域的總運(yùn)距。

各剝離區(qū)域通過模型計(jì)算得到的平均運(yùn)距為848.53 m，與測量到的運(yùn)距平均偏差11.2 m，偏差率僅為1.3 %。其中，460 平盤北部區(qū)域與445 平盤南部區(qū)域共有431.4 萬m3剝離物通過430 端幫道路運(yùn)至430 排土平盤，445 m 水平向430 m 水平運(yùn)輸時(shí)，通過1 條緊靠端幫并與剝離工作線垂直的道路。經(jīng)查證，該道路的縱向坡度為6%，斜坡道的距離為250.5 m，代入模型中的縱向坡度為8%，斜坡道的距離為188.1 m。即460 平盤北部區(qū)域與445 平盤南部區(qū)域通過模型計(jì)算運(yùn)距時(shí)未考慮道路縱向坡度的不同，各有62.4 m 的運(yùn)距沒有算在總運(yùn)距內(nèi)。改正后，平均偏差降為5.1 m，偏差率為6 %。

4 結(jié)語

1）采用單斗－卡車間斷式開采工藝或半連續(xù)開采工藝的露天煤礦，卡車運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本占比較大，在與外委運(yùn)輸單位結(jié)算運(yùn)費(fèi)時(shí)容易受不同操作者量測習(xí)慣影響會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

2）通過建立單斗－卡車間斷開采工藝下不同運(yùn)輸方式的運(yùn)距計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并分情況討論了不同運(yùn)輸方式計(jì)算運(yùn)輸距離的方法，能夠?yàn)槁短斓V路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法及編程提供了運(yùn)距理論模型。

3）通過將所建立的模型與實(shí)際運(yùn)輸對比，會(huì)存在有部分平盤的實(shí)際寬度與最小平盤寬度存在差異、平盤所留設(shè)的平坡距與設(shè)計(jì)存有差異、物料在跨越水平時(shí)在道路中進(jìn)行折返等現(xiàn)象，需要進(jìn)行進(jìn)一步修正。

4）結(jié)合南露天煤礦生產(chǎn)案例，得到采場11 個(gè)區(qū)域的物料進(jìn)入直進(jìn)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行在同一平盤上進(jìn)行水平運(yùn)輸，下部4 個(gè)區(qū)域進(jìn)入折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，445 北部區(qū)域進(jìn)入直進(jìn)折返式開拓運(yùn)輸系統(tǒng)。通過計(jì)算得到手工量算運(yùn)距與理論計(jì)算運(yùn)距之間的偏差率不超過6 %。