谢松伟　王海江　寇长福

摘要：露天矿长远排土规划能够合理规划剥离物排弃位置、指导露天矿短期排土设计，降低剥离物运距，提高运输、排土设备生产效率，显著降低露天矿生产成本，具有重要的理论意义及工程应用价值。根据露天矿采场及排土场发展时空关系，合理简化了露天矿长远排土规划问题，分析了排土场动态调整约束条件，以剥离物总运输成本最小为目标，建立了内排条件下露天矿长远排土规划模型，提出了模型的求解思路并给出了算法流程。定义了模型基础数据，并提出了其计算方法。采用微积分的思想并根据插值、空间几何、运筹学等理论方法提出了算法中的关键问题的求解方法，包括确定排弃阶段位置、计算实体切割后的质心及体积、计算排弃阶段高度、确定运输路径。

关键词：露天矿；长远排土规划；运输；目标优化

引言

当前由于国内经济结构的转型以及国际经济疲软，煤炭需求低迷，煤炭企业的生产效益降低，露天矿山在此大环境下亦受到影响。为了度过当前困难时期，政府出台了限制产能，整合资源的政策，同时企业也在从技术革新，成本管理等方面改善自身经营状况[8-10]。在粗放型经济发展模式时期，煤炭等能源需求旺盛，企业即使不注重技术、管理，也能够取得较好的经济效益。但在当前市场需求低迷时期，注重技术革新、精细化管理改善经营状况是刻不容缓的。露天矿的生产中主要包括穿孔、爆破、采掘、运输、排弃等环节，其中穿孔、爆破与采掘的成本费用与露天矿的生产规模、生产工艺有关，一般变化不大。而运输与排弃环节则与设计、管理水平等有关，不同的设计及管理其成本差异很大。据统计，露天矿的运输作业成本占矿山开采总成本的40%～50%，能源消耗约占矿山总能耗的40%～60%，运输作业的劳动量占露天开采总劳动量的一半以上。因此，排弃运输环节的设计及管理需要科学合理的优化。

一、露天矿概况

某露天煤矿位于霍林河煤田二区露天勘探范围内，在霍林郭勒市和扎鲁特旗境内。扎哈淖尔露天煤矿上部松散土层剥离采用轮斗挖掘机-带式输送机-排土机连续工艺；中部岩石剥离采用单斗-卡车间断工艺；深部岩石剥离采用单斗-卡车-半固定破碎站-带式输送机-排土机半连续工艺；采煤采用单斗—卡车—半固定破碎站—带式输送机半连续工艺；排土场采用边缘式排土，推土机配合作业。为缩短运距，扎哈淖尔露天煤矿采用多出入沟，工作帮移动坑线，端帮半固定坑线的开拓方式。工作线沿煤层走向布置，倾向推进，同时逐渐向西扩帮。三号路以东上部台阶剥离量通过采场北部一条出入沟去往北排土场，三号路西部地表剥离物通过连续系统胶带运往连续系统排土场，三号路西部地表以下剥离台阶剥离量通过三条出入沟去往南排土场，采场东部下部台阶剥离物通过采场内部平盘道路去往内排土场、南内排土场及半连续生产系统，F50断层以东剥离量去内排土场。

二、开采现状

某露天煤矿采场现走向长度为4.65km，以F50断层和南四路为分界线划分为3个采坑，F50断层以东为东坑，F50断层以西至南四路为中坑，南四路以西为西坑。F50断层以东2015年底实现闭坑内排。3采区发展规划当前采区推进方向为纵采方向，如图5-2所示，而在后期规划中要逐渐从纵采转变为斜采，即介于纵采与横采之间。斜采推进方向在16年西帮基础上顺时针转向约20度。

三、排土场块体模型的建立

排土场建模和采矿块体模型在时间上对应，都是从2021年后开始，直至矿区开采结束。建立的排土块体模型并不是真实的排土情况，而是按照最大排土量设计。排土场排弃标高按照2021年轮斗排弃标高1057设计，内排土场与外排土场相接。境界外部不存在外排土场的，以地表境界为内排土场境界。

四、运输路径计算

每一个阶段的运输可以简化为水平运输和垂直运输，即将每一阶段的运输简化为先从采剥质心水平运输至排土场，再进行爬坡或下坡运输至排弃阶段质心。或者先在采场从采剥质心水平爬坡或下坡运输至排弃阶段质心高程处再水平运输至排弃阶段质心位置。根据目标函数的表达式，排弃阶段的排弃量、单位成本费用都为已知。因而求解目标函数值的关键是得到各阶段的水平运输距离和垂直提升高度。垂直提升高度可以根据各阶段质心点高差确定。而水平方向运输距离则与实际端帮情况有关。由于双环运输涉及到岩量的分割（即什么位置多少岩量走哪一侧端帮）问题非常复杂，因此，模型仅考虑单环运输。对于单环内排运输，只需考虑作为运输通道的一侧端帮。由于端帮边坡角和台阶的存在，实际的端帮形态是非常复杂的，在算法中完全表达出来非常复杂且会增加计算时间。因此，笔者将端帮适当简化，表示为一个分段组合斜面，其在平剖面上为随着高程变化而变化的多段线，至此端帮的表示即简化为多段线的表示及其随高程的变化。

结语

目前针对露天矿排土规划的研究内容多集中在排土运输的物料流量流向问题，从时间上来说属于短期的排土优化。在参考前人短期排土优化的基础上，尝试解决长期排土优化的问题。在对研究问题、研究对象适当简化后，根据内排土场的发展规律，利用运筹学的方法建立了数学模型。模型的求解涉及到复杂的空间几何问题，利用微积分和插值的思想对求解过程进行简化并求解了该问题。研究过程中得出了如下成果或结论：（1）根据露天礦采排场发展时空关系，合理简化了露天矿长远排土规划问题，提出了排土场动态调整约束条件，以总运输成本最小为目标，建立了内排条件下露天矿长远排土规划模型，提出了模型的求解思路及算法流程。定义了模型基础数据，并提出了其计算方法。（2）利用微积分和插值的思想简化了模型求解中的空间几何问题，提出了确定排弃阶段坡面位置、计算固定推进度排弃阶段切割实体被排弃阶段坡面切割后两部分实体的质心和体积、计算排弃阶段排弃高度的求解方法。在对端帮空间形态进行简化处理后，基于空间向量理论提出了端帮水平运输距离的求解方法。

参考文献：

[1]赵红泽，甄选，厉美杰.中国露天煤矿发展现状[J].中国矿业，2016，（6）：12-15

[2]刘志永，裴国栋.我国露天煤矿企业现状及其发展探讨[J].科技资讯，2011，（4）：102

[3]郑友毅.从科学发展观角度，看中国露天煤矿的建设与发展历程[J].煤炭工程，2007，（2）：9-11