相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化

王忠鑫，蘇遷軍

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

采礦工程

相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化

王忠鑫，蘇遷軍

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

為解決相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采時(shí)的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題，以實(shí)現(xiàn)兩礦上部剝采排工程費(fèi)用最低為目標(biāo)，提出了在相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采時(shí)相鄰端幫形成公用中間排土橋的技術(shù)方法，構(gòu)建了開拓運(yùn)輸系統(tǒng)綜合優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，提出了目標(biāo)函數(shù)的求解方法，并將建立的模型應(yīng)用于黑岱溝和哈爾烏素露天礦，進(jìn)行實(shí)證研究。

露天礦；開拓運(yùn)輸系統(tǒng)；無煤柱開采；最優(yōu)化；協(xié)調(diào)開采

0 引 言

1 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化模型

1.1 模型基本假設(shè)

根據(jù)露天礦開采的特點(diǎn)，對(duì)相鄰露天礦聯(lián)合開采時(shí)相鄰端幫開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化問題做必要的簡化，提出以下假設(shè)：①相鄰兩礦上部剝離均為單斗-卡車工藝；②相鄰兩礦聯(lián)合開采后形成“Z”型工作線，追蹤開采；③相鄰兩礦均已實(shí)現(xiàn)完全內(nèi)排；④相鄰兩礦的內(nèi)排空間可以聯(lián)合共用；⑤煤層為近水平煤層，不考慮煤層傾角對(duì)工程量和運(yùn)距的影響；⑥不考慮地形變化對(duì)工程量和運(yùn)距的影響。

1.2 模型目標(biāo)函數(shù)

相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采時(shí)，為了采出相鄰端幫下壓煤，需要將兩礦相鄰端幫“挖斷”，如果將聯(lián)合開采工作線形態(tài)調(diào)整為“全線拉直”工作線，則兩礦均有原來的雙環(huán)運(yùn)輸變?yōu)閱苇h(huán)運(yùn)輸，剝離物內(nèi)排運(yùn)距將增加至原工作線長度的3/2，剝離成本將明顯增大，必然給兩礦帶來經(jīng)濟(jì)損失，所以，在大型特大型相鄰露天礦實(shí)施聯(lián)合開采時(shí)，應(yīng)考慮形成“Z”型工作線追蹤開采，在中間利用工作幫拐點(diǎn)及內(nèi)排土場壓幫建立中間排土橋，使兩礦實(shí)現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合開采后兩礦的整體經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)。

若在兩礦中間建立中間排土橋，則必然要求對(duì)前礦的合理壓幫高度以及排土橋的基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。前礦需要壓幫內(nèi)排以建立雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)及增加內(nèi)排容量，后礦追蹤開采期間需要二次剝離以采出相鄰端幫壓煤，同時(shí)可利用前礦壓幫內(nèi)排形成的排土通路建立雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)。內(nèi)排壓幫高度越小，后礦發(fā)生的二次剝離費(fèi)用越小，但上部剝離物卡車反向運(yùn)輸距離或端幫單側(cè)繞行運(yùn)距越大，剝離物運(yùn)輸費(fèi)用增加越多；內(nèi)排壓幫高度越大，后礦二次剝離量越大，二次剝離費(fèi)用越高，但上部剝離物卡車反向運(yùn)輸距離或端幫單側(cè)繞行運(yùn)距越小，剝離物運(yùn)輸費(fèi)用增加值越小。當(dāng)增加的剝離運(yùn)輸費(fèi)用與節(jié)省的二次剝離費(fèi)用相等時(shí)的壓幫高度即為合理的壓幫高度，該高度即是相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采時(shí)中間建立公用排土橋的高度。相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化原理示意圖如圖1所示。

優(yōu)化是從一切可能的方案中尋求最優(yōu)方案的過程，根據(jù)提出的模型基本假設(shè)及相鄰露天礦實(shí)施聯(lián)合開采后相鄰端幫中間運(yùn)輸排土橋高度的確定原理，相鄰露天礦聯(lián)合開采時(shí)相鄰端幫開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)為增加的剝離運(yùn)輸費(fèi)用（Fz）與節(jié)省的二次剝離費(fèi)用（Fe）之差的絕對(duì)值最小，即優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為：

證明 由于μ是緊測度框架, 所以是Parseval框架,再取推論2.2中的E=?, 即可得到第一個(gè)等式,第二個(gè)等式是顯然的。

圖1 相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化原理

H，B，h非負(fù)

式中：Hmax為露天礦最大開采深度，m；Hmin為露天礦最小開采深度，m；h0為排土臺(tái)階高度，m；

其余符號(hào)含義見模型求解部分。

1.3 模型求解方法

模型求解的過程即是計(jì)算反向運(yùn)輸增加的費(fèi)用和二次剝離費(fèi)用的過程，本模型求解共分成2個(gè)部分：

1）留溝導(dǎo)致上部剝離物反向運(yùn)輸費(fèi)用增加。

當(dāng)壓幫高度為h時(shí)，留溝導(dǎo)致兩礦上部剝離物反向運(yùn)輸增加的費(fèi)用計(jì)算公式為：

2）留溝節(jié)省的二次剝離費(fèi)用計(jì)算公式為：

式中：Fz為留溝導(dǎo)致上部剝離物運(yùn)距增加引起的剝離費(fèi)用增加值，萬元；Fe為留溝節(jié)省的二次剝離費(fèi)用，萬元；H為露天礦開采深度，m；h為壓幫高度，m；α為排土臺(tái)階坡面角，（°）；γ為排土場最終幫坡角，（°）；θ為采掘場最終幫坡角，（°）；β 為采場工作幫坡角，（°）；b0為內(nèi)排土場與工作幫坑底距離，m；B為煤層厚度，m；v為工作幫推進(jìn)度，m/a；L0為黑岱溝采區(qū)采煤工作線長度，km；C1為卡車水平運(yùn)輸單位距離增加的運(yùn)輸成本，元/m3·km；C2為卡車單位提升高度增加的運(yùn)輸成本，元/m3·m；C3為卡車綜合運(yùn)輸單價(jià)，元/m3·km；C4為采裝單價(jià)，元/m3。

2 工程實(shí)例

2.1 工程背景

黑岱溝露天礦由首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向過渡基本完成，目前，哈爾烏素露天礦采煤工作線超前黑岱溝露天礦約1.2 km，兩礦的采運(yùn)排系統(tǒng)保持相對(duì)獨(dú)立。黑岱溝露天礦未來14～15 a采掘場工作線將整體向東推進(jìn)開采二采區(qū)。哈爾烏素露天礦采掘場工作線在未來12～13 a將整體向東推進(jìn)開采首采區(qū)。兩礦將一直相鄰并行向東推進(jìn)，長期處于“空間上相鄰、方向上同向、時(shí)間上同步、開采上獨(dú)立、系統(tǒng)存在交叉”的局面。目前，兩礦“并行推進(jìn)”的局面剛剛形成，計(jì)劃自2017年開始實(shí)施無煤柱聯(lián)合開采。

2.2 模型求解

根據(jù)黑岱溝與哈爾烏素兩礦各年采剝工程位置、煤層厚度、傾角、底板標(biāo)高和工作線長度等，利用建立的優(yōu)化模型計(jì)算了2018年h與Fz、Fe關(guān)系曲線如圖2，2018—2027年壓幫內(nèi)排高度h的變化情況見表1。

圖 2 h與Fz、Fe關(guān)系曲線圖

表1 2018—2027年兩礦合理壓幫高度及壓幫水平

從圖2可以看出，兩礦聯(lián)合開采后最優(yōu)壓幫高度為煤層頂板以上107 m。該年度“Z”型工作線中間拐點(diǎn)處煤層底板平均標(biāo)高為+970 m，煤層平均厚度為36 m，則2018年兩礦中間排土橋合理的壓幫水平為+1 113 m水平。結(jié)合采場端幫實(shí)際臺(tái)階標(biāo)高分布，則兩礦中間排土橋合理的內(nèi)排壓幫水平為+1 100 m水平，此水平也為兩礦中間橋的橋頂標(biāo)高。

此水平為綜合服務(wù)黑岱溝采場和哈爾烏素采場+1 100 m水平以上自營運(yùn)輸與外包運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵通路，橋面運(yùn)輸通路由3條運(yùn)輸?shù)缆方M成，即黑岱溝采區(qū)運(yùn)輸?shù)缆?0 m、黑岱溝采區(qū)上部剝離內(nèi)排道路40 m及哈爾烏素采區(qū)外包運(yùn)輸?shù)缆?0 m，橋面寬度120 m，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果示意圖如圖3，本研究確定的中間排土橋參數(shù)見表2。

圖3 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果示意圖

表1中：H為相鄰端幫平均開采深度，m；B為相鄰端幫位置煤層平均厚度，m；v為工作幫年推進(jìn)距離，m/a；Ec為煤層底板標(biāo)高，m；h為煤層頂板以上壓幫高度，m；Et為理論最優(yōu)壓幫水平，m；Ef為推薦壓幫水平，m。

表2 中間排土橋參數(shù)m

從表1可以看出，黑岱溝和哈爾烏素露天煤礦實(shí)施無煤柱聯(lián)合開采期間，各年的合理壓幫高度略有變化，但變化不大，研究推薦各年的壓幫水平為+1 100 m。

2.3 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

黑岱溝和哈爾烏素露天礦實(shí)施無煤柱聯(lián)合開采，優(yōu)化后的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)如下：

1）黑岱溝+1 100 m水平剝離運(yùn)輸系統(tǒng)：+11 100 m剝離水平及以下卡車剝離運(yùn)輸經(jīng)哈爾烏素內(nèi)排臺(tái)階運(yùn)輸平盤將剝離物運(yùn)至黑岱溝內(nèi)排土場。

2）黑岱溝+1 100 m水平以上剝離運(yùn)輸系統(tǒng)：黑岱溝+1 100 m水平以上卡車剝離運(yùn)輸，從剝離工作面下降到+1 100 m水平，再通過此中間排土橋運(yùn)至哈爾烏素+1 100 m水平以上內(nèi)排土場排棄。

3）哈爾烏素+1 100 m水平以上剝離運(yùn)輸系統(tǒng)：哈爾烏素上部外包剝離運(yùn)輸，從剝離工作面下降到+1 100 m端幫水平，再通過此中間排土橋運(yùn)輸?shù)竭_(dá)哈爾烏素內(nèi)排土場。

4）哈爾烏素+1 100 m水平以下剝離運(yùn)輸系統(tǒng)：+1 100 m水平以下各剝離工作面的排土運(yùn)輸，通過端幫相應(yīng)運(yùn)輸平盤將剝離物運(yùn)至內(nèi)排土場。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化的目的是為露天礦聯(lián)合開采創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，黑岱溝和哈爾烏素露天煤礦聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化前后，壓幫高度由+1 130 m調(diào)整為+1 100 m，此時(shí)因中間排土橋高度降低增加的剝離運(yùn)輸成本與減少的露天礦二次剝離費(fèi)用大致相當(dāng)，經(jīng)優(yōu)化，黑岱溝與哈爾烏素露天礦因反向運(yùn)輸增加的運(yùn)輸費(fèi)用為7 630萬元，黑岱溝二次剝離費(fèi)用減少7 609萬元，每年可節(jié)約成本8 223萬元。

3 結(jié) 論

1）相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采時(shí)構(gòu)建相鄰端幫的中間排土橋，建立公用運(yùn)輸系統(tǒng)可有效減小兩礦剝離運(yùn)距。

2）中間排土橋的參數(shù)需綜合考慮兩礦上部剝離反向運(yùn)輸、二次剝離及運(yùn)輸設(shè)備規(guī)格和數(shù)量等因素經(jīng)過綜合優(yōu)化后確定。

3）實(shí)證研究表明，建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是可用的，優(yōu)化的結(jié)論對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。黑岱溝和哈爾烏素露天煤礦實(shí)施無煤柱聯(lián)合開采期間，各年的合理壓幫高度略有變化，但變化不大，研究推薦各年的中間排土橋橋面水平為+1 100 m，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化每年為兩礦節(jié)約成本8 223萬元。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Non-coal pillar combined mining transportation system optimization of adjacent open-pit mine

WANG Zhongxin,SU Qianjun
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

In order to solve the adjacent open-pit mine transportation system optimization with non-coal pillar combined mining to achieve the minimum stripping cost of the two mine,the article proposed the method that formation the adjacent public middle soil bridge in the adjacent open-pit mine,established the mathematical model of transportation system comprehensive optimization,put forward the solving method of the objective function,and applied the establishment of the model in Heidaigou and Ha'erwusu Open-pit Mines.

open-pit mine;transportation system;non-pillar mining;optimization;coordination mining

TD824

B

1671－9816（2017）07－0001－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.001

王忠鑫，蘇遷軍.相鄰露天礦無煤柱聯(lián)合開采開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：1-4.

2017-02-14

中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目資助（2016ZYMS019）

王忠鑫（1984—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，高級(jí)工程師，所長，主要從事露天開采理論與技術(shù)、資源開發(fā)規(guī)劃與設(shè)計(jì)方面的研究工作。