露天矿外排开拓沟道参数优化

2020-09-02黄云龙张子光张东旭

露天采矿技术 2020年4期

韩勇，黄云龙，张子光，刘闯，张东旭

（1.神华新疆能源有限公司红沙泉露天煤矿，新疆昌吉831800；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000；3.应急管理部信息研究院，北京100029；4.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122;5.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

露天矿是一个以采掘为中心，以运输为纽带的大型生产系统[1]。生产计划指标和任务的完成，生产过程的组织、实施是通过采、运、排，尤其是对运输系统的实时调配来进行的[2]。运输系统是否合理直接影响着露天矿整个生产系统的生产效率和经济效益[3]。露天煤矿生产过程中剥离工程费用远远大于采煤工程的费用，运输环节的运营成本约占全矿年运营成本的40%，运输距离变长会导致运输设备数量增加、能耗变大、年运营成本增多、经济效益变差[4]。

由于露天矿采剥工程量大，运输成本占生产总成本的比重较高，开拓运输系统布置合理与否，直接影响露天矿生产成本。因此，对露天矿开拓运输系统的优化研究，对于提高露天矿生产效率，降低露天矿运输成本意义重大。

我国对露天矿开拓运输系统优化方面已取得了一些成果[5]，典型的有中国矿业大学车兆学、才庆祥提出的“中间迈步式搭桥”开拓运输系统的理论，解决了露天煤矿内排时期下部水平开拓运输系统优化问题[6]；新疆工业高等专科学校陈亚军教授提出了通过优化设计参数建立坑内运煤倾斜运输沟道，对露天矿开拓运输系统优化[7]。目前，针对露天矿运输系统的研究主要侧重于内排运输系统的优化，而针对露天矿外排开拓运输系统的优化研究很少。对由于外排运距加大、设备运行折返次数增多反映出来的外排开拓运输系统布置不合理问题研究不多。

在露天矿生产过程中，随着采场深度的加大，采场剥离量增大，需要构建外排出入沟，建立采场与外排土场的运输联系。减少汽车在采场折返运输次数，降低外排运距。因此，外排出入沟布置方式及参数设置对外排运费影响重大。

露天矿外排出入沟沟道深度一方面直接影响通过沟道的采剥工程量运距，另一方面决定了外排出入沟的掘沟工程量。因此，研究了通过外排出入沟的采剥工程量运距、外排出入沟掘沟工程量与沟道深度之间的关系，可确定经济合理的外排出入沟沟道深度，实现露天矿外排出入沟的优化。

1 露天矿外排开拓沟道的设置

1．1 外排出入沟布置形式

露天矿开拓的目的是要开辟从地面到各开采台阶的矿、岩运输通道，以建立采矿场与受矿站、排土场及工业场地的运输联系，以满足一定开采程序不同时期内矿岩运输的需要。

一般来说非水平煤田（主要指倾斜及急倾斜煤田）剥离量均较大，须进行外排土，运距较长。为了缩短露天矿外排运距，减少卡车运行时的折返运输，需建立外排开拓沟道。

根据露天矿开拓坑线与开采境界或者采场边帮的相对位置，可以将开拓坑线分为外部坑线（外部沟）和内部坑线（内部沟），铁路坑线开拓系统纵向透视图如图1。ho以下坑线位于采场境界以内，ho以上坑线位于采场境界外。前者为内部坑线，后者为外部坑线[8]。

图1 铁路坑线开拓系统纵向透视图

外部沟多见于铁路开拓和公路开拓，与内部沟相比，外部沟具有如下特点：①线路平直，不受矿体形状影响；②外部沟运距短；③减少卡车（列车）运行折返次数，增加设备通行效率；④可能增加境界外沟道工程量。

分析上述特点可以发现，外部沟相对于内部沟而言在线路形状、运距、设备通行效率方面均优于内部沟。因此露天矿外排出入沟采用外部沟的方式更加合理。

1．2 外部沟设置影响因素

1）外部沟类型。外部沟根据需要可以设置在非工作帮和工作帮上，当设置在非工作帮时，为固定坑线外部沟。当设置在工作帮时，为移动坑线外部沟。一般来讲，固定坑线外部沟的沟道工程量发生在开采境界以外，属于纯增加的剥离量。工作帮未推进至最终开采境界时，移动坑线外部沟的沟道工程量位于采场外，仅发生的时间有所提前。当工作帮接近最终开采境界时，继续采用移动坑线外部沟，则产生的沟道工程量亦位于开采境界之外，属于纯增加的剥离量。

2）外部沟与矿岩排卸点相对位置关系。固定坑线外部沟与矿岩排卸点的位置相对固定，当外部沟设置在采场与矿岩排卸点之间且沟道深度不变时，缩短的地面干线运距不变；而移动坑线外部沟位置随工作帮推进而变化，即使沟道深部不变，缩短的地面干线运距也随工作帮推进而动态变化。

3）外部沟服务年限。固定坑线外部沟服务年限越长，通过外部沟的矿岩量越大，则外部沟沟道深度可越大，反之，则沟道深度应越小；移动坑线外部沟的服务年限在影响通过外部沟的矿岩量的同时还影响地面干线运距，因此对沟道深度的影响更为复杂。

2 固定坑线外部沟沟道深度优化

2．1 经济合理的外部沟设置条件

对于采用固定坑线外部沟的铁路开拓露天矿，境界内采剥工程量越大，外部沟可以越深，而对于缓倾斜矿体的露天矿，受铁路开拓沟道坡度较小1.5%~3%）的影响，外部沟沟道深度一般不超过地表以下2~3 个台阶。随着露天采矿工艺的发展，公路开拓取代铁路开拓，成为当前露天开拓方式的主要选择，公路开拓沟道限制坡度较大（8%），因此外部沟沟道合理深度的取值范围更大。

研究表明，固定坑线外部沟道对于运输干线运距的影响主要表现在2 个方面：①减少内部沟的坑内折返运距和缓冲坡段运距；②缩短地面干线运距。因此当固定坑线外部沟满足式（1），即当采用外部沟节约运输费用大于等于沟道工程费用时，设置外部沟在经济上是合理的。

式中：Cy 为单位运费，元/（t·km）；△L 为内部沟与外部沟平均运距差值，km；Q 为经出入沟的累计总运量，t；Ck为沟道和扩帮工程的单位费用，元/m3；△V 为外部沟与内部沟工程量差值，m3。

2.2 沟道深度优化

对于公路开拓露天矿，内部沟工程量可忽略不计，△V 即为外部沟工程量，沟道降深深度为N 个台阶的外部沟工程量△V 可按下式计算：

式中：h 为台阶高度，m；i0为道路限制坡度，（°）；d为道路缓坡段长度，m；b 为道路宽度，m；α1为台阶坡面角，（°）；α2为沟道各水平道路中心线与外部沟中心线的夹角，（°）；M 为沟道深度为N 个台阶时的沟道台阶从下至上的编号，1＜M＜N-1；Df为非工作帮平盘宽度，m。

由式（2）可知，△V 随外部沟沟道深度增加而增大，因此△V 可用1 个关于N 的函数表示：

同理，由于固定坑线外部沟节约的运距△L 也随外部沟沟道深度增加而增大，因此△L 也可用1个关于N 的函数表示：

则采用外部沟节约的运费与外部沟工程费用之差为：

式中:FZ为采用外部沟节约的运费与外部沟工程费用之差，元。

由以上分析可以得出FZ是关于外部沟台阶数N 的函数。对F 总求极值，则在N 可能的取值范围内，使得F 总最大的N 即为沟道合理台阶数，对应的沟道深度最优。以此可以对固定坑线经济合理的外部沟沟道深度进行优化确定。

3 移动坑线外部沟沟道深度优化

由于移动坑线外部沟与矿岩排卸点的位置关系随工作帮向前推进而处于动态变化的过程中，因而采用外部沟节约运距也处于动态变化过程。沟道合理深度与外部沟服务年限及各年度的运距、通过外部沟的运量有关，因此用式（1）确定的方法不再适用。

随着工作帮的推进，移动坑线外部沟将会存在2 种状态。移动坑线外部沟的状态如图2。

图2 移动坑线外部沟的状态

3.1 外部沟处于开采境界内

由于固定坑线外部沟处于开采境界外，因此建立外部沟相当于增加了额外的剥离工程量。与之相比，当移动坑线外部沟处于开采境界内时，沟道工程量发生在开采境界内，建立外部沟相当于在工作帮进行了超前剥离工作，因此其沟道工程费用与沟道服务期限P 有关。另外，随着采场工作帮推进，外部沟相对于卸料点G 的位置发生变化，导致外部沟相对于内部沟节约的运距也发生了变化。

外部沟处于开采境界内时，外部沟的服务年限为外部沟到达开采境界所需要的时间，移动坑线外部沟的合理台阶数N 按下式确定：

式中：P 为沟道服务年限，年；j 为正整数，1≤j＜P；Qj为第j 年通过沟道的运量，t；FL（j，N）为第j 年外部沟节约的运距，km；kh为投资回报率。

即在移动坑线外部沟服务期限内，使各年度通过外部沟节约运费的累计值与外部沟超前剥离费用之差达到最大时的沟道台阶数N 最为合理，所对应的沟道深度最优。以此可以确定移动坑线外部沟处于开采境界内时经济合理的最优沟道深度。

3．2 外部沟处于开采境界外

对于移动坑线外部沟而言，当采场工作帮接近最终开采境界时，到界后的外部沟有2 种设置方案：①外部沟逐步靠帮到界，避免了增加额外的沟道工程量，但外部沟功能消失，无法继续缩短外排运距；②外部沟继续随工作帮推进，外部沟可继续使用，但外部沟处于开采境界外，需额外增加沟道工程量。因此，对处于开采境界外的外部沟而言，沟道的合理深度需要通过计算外部沟节约的运费和外部沟额外增加的工程费用确定。在工作帮向前推进的过程中，外部沟逐渐形成，直至采场工作帮到界时移动坑线外部沟才最终形成，形成过程与固定坑线外部沟的形成过程恰恰相反。

外部沟处于开采境界外时，外部沟最终形成的时间为工作帮到界的所需的时间，移动坑线外部沟合理台阶数N 根据下式确定：