內(nèi)排條件下露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃研究

謝松偉　王海江　寇長(zhǎng)福

摘要：露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃能夠合理規(guī)劃剝離物排棄位置、指導(dǎo)露天礦短期排土設(shè)計(jì)，降低剝離物運(yùn)距，提高運(yùn)輸、排土設(shè)備生產(chǎn)效率，顯著降低露天礦生產(chǎn)成本，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)露天礦采場(chǎng)及排土場(chǎng)發(fā)展時(shí)空關(guān)系，合理簡(jiǎn)化了露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃問(wèn)題，分析了排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整約束條件，以剝離物總運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)，建立了內(nèi)排條件下露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃模型，提出了模型的求解思路并給出了算法流程。定義了模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提出了其計(jì)算方法。采用微積分的思想并根據(jù)插值、空間幾何、運(yùn)籌學(xué)等理論方法提出了算法中的關(guān)鍵問(wèn)題的求解方法，包括確定排棄階段位置、計(jì)算實(shí)體切割后的質(zhì)心及體積、計(jì)算排棄階段高度、確定運(yùn)輸路徑。

關(guān)鍵詞：露天礦；長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃；運(yùn)輸；目標(biāo)優(yōu)化

引言

當(dāng)前由于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型以及國(guó)際經(jīng)濟(jì)疲軟，煤炭需求低迷，煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效益降低，露天礦山在此大環(huán)境下亦受到影響。為了度過(guò)當(dāng)前困難時(shí)期，政府出臺(tái)了限制產(chǎn)能，整合資源的政策，同時(shí)企業(yè)也在從技術(shù)革新，成本管理等方面改善自身經(jīng)營(yíng)狀況[8-10]。在粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式時(shí)期，煤炭等能源需求旺盛，企業(yè)即使不注重技術(shù)、管理，也能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。但在當(dāng)前市場(chǎng)需求低迷時(shí)期，注重技術(shù)革新、精細(xì)化管理改善經(jīng)營(yíng)狀況是刻不容緩的。露天礦的生產(chǎn)中主要包括穿孔、爆破、采掘、運(yùn)輸、排棄等環(huán)節(jié)，其中穿孔、爆破與采掘的成本費(fèi)用與露天礦的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)工藝有關(guān)，一般變化不大。而運(yùn)輸與排棄環(huán)節(jié)則與設(shè)計(jì)、管理水平等有關(guān)，不同的設(shè)計(jì)及管理其成本差異很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天礦的運(yùn)輸作業(yè)成本占礦山開(kāi)采總成本的40%～50%，能源消耗約占礦山總能耗的40%～60%，運(yùn)輸作業(yè)的勞動(dòng)量占露天開(kāi)采總勞動(dòng)量的一半以上。因此，排棄運(yùn)輸環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)及管理需要科學(xué)合理的優(yōu)化。

一、露天礦概況

某露天煤礦位于霍林河煤田二區(qū)露天勘探范圍內(nèi)，在霍林郭勒市和扎魯特旗境內(nèi)。扎哈淖爾露天煤礦上部松散土層剝離采用輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)連續(xù)工藝；中部巖石剝離采用單斗-卡車(chē)間斷工藝；深部巖石剝離采用單斗-卡車(chē)-半固定破碎站-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)工藝；采煤采用單斗—卡車(chē)—半固定破碎站—帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝；排土場(chǎng)采用邊緣式排土，推土機(jī)配合作業(yè)。為縮短運(yùn)距，扎哈淖爾露天煤礦采用多出入溝，工作幫移動(dòng)坑線，端幫半固定坑線的開(kāi)拓方式。工作線沿煤層走向布置，傾向推進(jìn)，同時(shí)逐漸向西擴(kuò)幫。三號(hào)路以東上部臺(tái)階剝離量通過(guò)采場(chǎng)北部一條出入溝去往北排土場(chǎng)，三號(hào)路西部地表剝離物通過(guò)連續(xù)系統(tǒng)膠帶運(yùn)往連續(xù)系統(tǒng)排土場(chǎng)，三號(hào)路西部地表以下剝離臺(tái)階剝離量通過(guò)三條出入溝去往南排土場(chǎng)，采場(chǎng)東部下部臺(tái)階剝離物通過(guò)采場(chǎng)內(nèi)部平盤(pán)道路去往內(nèi)排土場(chǎng)、南內(nèi)排土場(chǎng)及半連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，F(xiàn)50斷層以東剝離量去內(nèi)排土場(chǎng)。

二、開(kāi)采現(xiàn)狀

某露天煤礦采場(chǎng)現(xiàn)走向長(zhǎng)度為4.65km，以F50斷層和南四路為分界線劃分為3個(gè)采坑，F(xiàn)50斷層以東為東坑，F(xiàn)50斷層以西至南四路為中坑，南四路以西為西坑。F50斷層以東2015年底實(shí)現(xiàn)閉坑內(nèi)排。3采區(qū)發(fā)展規(guī)劃當(dāng)前采區(qū)推進(jìn)方向?yàn)榭v采方向，如圖5-2所示，而在后期規(guī)劃中要逐漸從縱采轉(zhuǎn)變?yōu)樾辈?，即介于縱采與橫采之間。斜采推進(jìn)方向在16年西幫基礎(chǔ)上順時(shí)針轉(zhuǎn)向約20度。

三、排土場(chǎng)塊體模型的建立

排土場(chǎng)建模和采礦塊體模型在時(shí)間上對(duì)應(yīng)，都是從2021年后開(kāi)始，直至礦區(qū)開(kāi)采結(jié)束。建立的排土塊體模型并不是真實(shí)的排土情況，而是按照最大排土量設(shè)計(jì)。排土場(chǎng)排棄標(biāo)高按照2021年輪斗排棄標(biāo)高1057設(shè)計(jì)，內(nèi)排土場(chǎng)與外排土場(chǎng)相接。境界外部不存在外排土場(chǎng)的，以地表境界為內(nèi)排土場(chǎng)境界。

四、運(yùn)輸路徑計(jì)算

每一個(gè)階段的運(yùn)輸可以簡(jiǎn)化為水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸，即將每一階段的運(yùn)輸簡(jiǎn)化為先從采剝質(zhì)心水平運(yùn)輸至排土場(chǎng)，再進(jìn)行爬坡或下坡運(yùn)輸至排棄階段質(zhì)心?；蛘呦仍诓蓤?chǎng)從采剝質(zhì)心水平爬坡或下坡運(yùn)輸至排棄階段質(zhì)心高程處再水平運(yùn)輸至排棄階段質(zhì)心位置。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式，排棄階段的排棄量、單位成本費(fèi)用都為已知。因而求解目標(biāo)函數(shù)值的關(guān)鍵是得到各階段的水平運(yùn)輸距離和垂直提升高度。垂直提升高度可以根據(jù)各階段質(zhì)心點(diǎn)高差確定。而水平方向運(yùn)輸距離則與實(shí)際端幫情況有關(guān)。由于雙環(huán)運(yùn)輸涉及到巖量的分割（即什么位置多少巖量走哪一側(cè)端幫）問(wèn)題非常復(fù)雜，因此，模型僅考慮單環(huán)運(yùn)輸。對(duì)于單環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸，只需考慮作為運(yùn)輸通道的一側(cè)端幫。由于端幫邊坡角和臺(tái)階的存在，實(shí)際的端幫形態(tài)是非常復(fù)雜的，在算法中完全表達(dá)出來(lái)非常復(fù)雜且會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。因此，筆者將端幫適當(dāng)簡(jiǎn)化，表示為一個(gè)分段組合斜面，其在平剖面上為隨著高程變化而變化的多段線，至此端幫的表示即簡(jiǎn)化為多段線的表示及其隨高程的變化。

結(jié)語(yǔ)

目前針對(duì)露天礦排土規(guī)劃的研究?jī)?nèi)容多集中在排土運(yùn)輸?shù)奈锪狭髁苛飨騿?wèn)題，從時(shí)間上來(lái)說(shuō)屬于短期的排土優(yōu)化。在參考前人短期排土優(yōu)化的基礎(chǔ)上，嘗試解決長(zhǎng)期排土優(yōu)化的問(wèn)題。在對(duì)研究問(wèn)題、研究對(duì)象適當(dāng)簡(jiǎn)化后，根據(jù)內(nèi)排土場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，利用運(yùn)籌學(xué)的方法建立了數(shù)學(xué)模型。模型的求解涉及到復(fù)雜的空間幾何問(wèn)題，利用微積分和插值的思想對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化并求解了該問(wèn)題。研究過(guò)程中得出了如下成果或結(jié)論：（1）根據(jù)露天礦采排場(chǎng)發(fā)展時(shí)空關(guān)系，合理簡(jiǎn)化了露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃問(wèn)題，提出了排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整約束條件，以總運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)，建立了內(nèi)排條件下露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)排土規(guī)劃模型，提出了模型的求解思路及算法流程。定義了模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提出了其計(jì)算方法。（2）利用微積分和插值的思想簡(jiǎn)化了模型求解中的空間幾何問(wèn)題，提出了確定排棄階段坡面位置、計(jì)算固定推進(jìn)度排棄階段切割實(shí)體被排棄階段坡面切割后兩部分實(shí)體的質(zhì)心和體積、計(jì)算排棄階段排棄高度的求解方法。在對(duì)端幫空間形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后，基于空間向量理論提出了端幫水平運(yùn)輸距離的求解方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙紅澤，甄選，厲美杰.中國(guó)露天煤礦發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)礦業(yè)，2016，（6）：12-15

[2]劉志永，裴國(guó)棟.我國(guó)露天煤礦企業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展探討[J].科技資訊，2011，（4）：102

[3]鄭友毅.從科學(xué)發(fā)展觀角度，看中國(guó)露天煤礦的建設(shè)與發(fā)展歷程[J].煤炭工程，2007，（2）：9-11