并行露天礦內排開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化

Arifov Dehkanboy Sharofo'g'li，郭偉強，劉光偉

(遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院， 遼寧 阜新市 123000)

0 引言

露天礦運輸工作是整個礦山生產工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，剝離物運輸成本占總生產成本的一半以上，通過優(yōu)化開拓運輸系統(tǒng)來減少運輸費用是降低露天礦生產成本的主要技術手段之一[1-6]。隨著礦山工程的日益發(fā)展，相鄰露天礦公共邊幫壓煤回采技術逐漸成熟，在回采邊幫壓煤后，兩礦運輸系統(tǒng)受阻，無法進行雙環(huán)內排運輸，運距增大，運輸成本急劇增高，因此，對并行露天礦的內排運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化研究具有重要意義。

諸多學者對相鄰露天礦聯(lián)合開采時，內排開拓運輸系統(tǒng)的布置進行了研究。白潤才等[7]提出相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調開采技術，在開拓運輸系統(tǒng)布置時，將臨時排土橋設于兩礦采場中部，以構建雙環(huán)內排運輸系統(tǒng)。常治國等[8]針對工作線呈前后交錯的并行開采相鄰露天礦，提出了先行露天礦采用留溝內排，在留溝處構建臨時排土橋連通端幫與內排土場開拓運輸?shù)缆罚詼p少部分剝離物的內排運距。王忠鑫等[9]提出了在相鄰露天礦“Z”型工作線追蹤開采，在中間利用工作幫拐點及內排土場壓幫建立排土橋，構建兩礦雙環(huán)內排運輸系統(tǒng)。李成盛等[10]提出了相鄰露天礦境界重疊區(qū)邊幫壓煤協(xié)調開采關鍵技術，以貫通采場、排土場，構筑采場至排土場臨時運輸排土橋，技術參數(shù)優(yōu)化及工程位置協(xié)調控制措施開采端幫壓煤，構建內排開拓運輸系統(tǒng)，提高煤炭資源回采率。目前，許多學者多是關注于工作線呈“Z”字型前后交錯并行的季節(jié)性剝離相鄰露天礦協(xié)調開采公共端幫時的開拓運輸系統(tǒng)布置，但露天礦本就復雜多變，對于兩礦工作線位置相差距離較小，而且全年進行剝離作業(yè)的非季節(jié)性相鄰露天礦協(xié)調開采時的內排開拓運輸系統(tǒng)還未有系統(tǒng)的研究，因此，本次研究對于類似相鄰露天礦的內排開拓運輸系統(tǒng)構建具有重要的指導意義。

本文針對工作線位置距離接近的并行露天礦，聯(lián)合開采公共端幫后，工作線全線拉直，采場、內排土場貫通，導致運輸系統(tǒng)破壞、兩礦無法進行雙環(huán)運輸、內排運距急劇增大的問題，提出在兩礦采場和內排土場之間構建雙排土橋，邁步式發(fā)展的方法，優(yōu)化并行露天礦的內排運輸系統(tǒng)。即：在兩礦采空區(qū)位置構建兩架排土橋連通采場與內排土場運輸系統(tǒng)，發(fā)展過程中始終保持有一架排土橋處于提供運輸?shù)缆窢顟B(tài)，另一架排土橋處于修建或者拆除狀態(tài)。

1 邁步式排土橋模型設置

1.1 雙橋搭建和邁步式發(fā)展

相鄰露天礦山公共端幫處煤量資源豐富，剝采比小，兩礦實施協(xié)調開采技術開采公共端幫下部壓煤，需破壞相鄰端幫運輸?shù)缆罚瑑傻V均由原來的雙環(huán)內排變?yōu)閱苇h(huán)內排，運距急劇增大，剝離成本明顯升高，嚴重影響礦山生產接續(xù)[9-14]。相鄰露天礦平行推進的過程中，若兩礦推進速度不一致，工作線呈前后交錯式，此時可采取在先行露天礦的內排土場上方建立臨時排土橋，如圖1所示。但對于兩礦工作線前后間距較小或兩礦工作線在一條直線上時，在先行露天礦內排土場無排土橋構建位置，此種方法將不再適用。

圖1 內排留溝搭橋示意

排土橋的搭建方式分為單橋搭建、雙橋搭建、混合橋搭建。季節(jié)性剝離露天礦由于冬季氣候寒冷，凍土情況嚴重，剝離工作間接性開展，運輸系統(tǒng)無需不間斷暢通，在構建排土橋聯(lián)通采場和排土場時根據(jù)各礦地質條件與開采工藝不同，大部分露天礦山選取單排土橋搭建方式[15]。但非季節(jié)性剝離露天礦需全年進行剝離工作，運輸系統(tǒng)需始終保持暢通。根據(jù)上述存在的問題，提出搭建雙橋，邁步式向前發(fā)展，以優(yōu)化內排運輸系統(tǒng)。

在構建排土橋時，排土橋位置和參數(shù)的選取將直接影響剝離物的運輸距離和提升高度。因此，根據(jù)實際剝采工程位置的時空關系，合理優(yōu)化排土橋參數(shù)來降低運輸成本顯得尤為重要[16]。

1.2 設置雙橋節(jié)約的運輸費用

大型近水平露天礦內排開拓運輸系統(tǒng)通常采用單環(huán)或雙環(huán)運輸剝離物[17]。如圖2所示，兩礦未構建邁步式排土橋時，A礦單環(huán)內排的運距為：Lw=La+Ld。如圖3所示，在構建邁步式排土橋后，A礦的雙環(huán)內排運距，修建雙排土橋后，A礦所節(jié)省的運距為，由于A礦與B礦內排運距計算公式相同，因此兩礦共能節(jié)省運距，節(jié)省的運輸總費用為：

圖2 相鄰露天礦無排土橋單環(huán)運輸

圖3 相鄰露天礦布設排土橋雙環(huán)運輸

式中，La為A礦工作幫運距，km；Lb為B礦工作幫運距，km；Lz為兩礦間排土橋間距，km；Cy為剝離物運輸單價，元/(m3·km)；V0為兩礦總年剝離量，Mm3；Fj為兩礦共節(jié)省運輸總費用，萬元。

1.3 雙排土橋位置

根據(jù)式（1）可知，雙橋間距離越小，所節(jié)省的運輸費用越多。因此，將雙橋建于兩礦原公共端幫處，能更好地服務于兩礦，且雙橋間距離保持最小，僅留設相應的安全距離。

1.4 排土橋模型及發(fā)展演變過程

非季節(jié)性剝離露天礦搭建的雙排土橋隨著剝離工程的發(fā)展變化，兩礦地質條件和煤層儲存條件相似，因此設置時使兩橋模型保證一致。在兩礦采場工作線開始剝離工作時，預先留設部分A排土橋（見圖4），采場向前推進時，利用剝離物回填采空區(qū)，建立A排土橋運輸?shù)缆?。A排土橋建設過程中，兩礦可經B排土橋進行雙環(huán)運輸，將剝離物排棄至內排土場。拆除 B排土橋，揭露B排土橋下部壓煤，B排土橋運輸?shù)缆分袛?，兩礦可經A排土橋進行雙環(huán)運輸，將剝離物排棄至內排土場。綜上所述，雙橋將處于 B橋運輸，A橋拆除、搭建—A橋運輸，B橋拆除、搭建的動態(tài)循環(huán)演變過程中，如圖4所示。

圖4 排土橋發(fā)展演變過程

2 排土橋參數(shù)優(yōu)化

排土橋的存在可使兩礦都實現(xiàn)雙環(huán)內排運輸，但其參數(shù)的不同直接影響著兩礦的經濟效益。排土橋建設的高度由其臺階數(shù)量n決定，由于排土橋上部剝離平盤存在反向運輸，臺階數(shù)量n與反向運輸剝離量呈反比關系，與排土橋重復剝離量呈正比關系。因此，理論上能找到使重復剝離費用Fb與反向運輸費用Fj之和F最小的n，即：

由于雙橋是交替構建，因此，只計算單橋的重復剝離費用與反向運輸費用，即可反映排土橋參數(shù)選取的條件。

2.1 重復剝離費用

排土橋在建設的過程中，橋下壓覆了一定煤量，為采出橋下壓覆煤炭資源，需對排土橋進行部分重復剝離，提高礦山煤炭資源回采率[18]，如圖5所示。拆除單橋所產生的重復剝離量Qb(m3)，以及重復剝離費用Fb(元)：

圖5 排土橋斷面圖

式中，Si為排土橋第i個臺階橫截面積，m2；Bi為排土橋拆除部分第i個臺階長度，m；D0為排土橋頂部平盤寬度，m；α為采場工作幫坡角，（°）；β為排土場穩(wěn)定幫坡角，（°）；θ為排土臺階坡面角，（°）；Hq為排土橋臺階高度，m；b為排土橋平盤寬度，m；Cb為二次剝離單價，元/m3。

令：

上式整理后得到一個關于臺階數(shù)量n的一元三次方程：

2.2 反向運輸費用

反向運輸即為排土橋上方剝離物經排土橋運輸?shù)缆放艞壷僚磐翗蛏戏絻扰磐翀龅倪^程[19]。

排土橋上部剝離物反向運輸費用Ff（元）：

式中，Cf為剝離物反向提升單價費用，元/(m3·m)；V為經過單排土橋的剝離量，m3；H為采深，m。

2.3 排土橋最佳運輸平盤數(shù)量

將式（4）和式（6）代入式（2）中，可得到因變量F關于自變量n的一元三次方程，對F求導可得：

令F′=0，n的取值范圍在（0，H/Hq），根據(jù)露天礦實際情況，理論上存在最佳排土橋運輸平盤數(shù)量n，使得排土橋重復剝離費用與反向運輸費用最小[20]。

3 案例分析

假設有某并行露天礦甲礦和乙礦，兩礦全年進行剝離作業(yè)。甲礦工作線長度為1.8 km，乙礦工作線長度為1.5 km。在協(xié)調開采公共端幫后，為重新搭建兩礦內排運輸系統(tǒng)，運用上述方法將兩礦工作線全線拉直，采場、排土場貫通，構建雙排土橋邁步式向前發(fā)展，對內排運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)兩礦雙環(huán)運輸。具體施工參數(shù)與兩礦實施聯(lián)合開采當年的剝、采、排工程計劃安排見表1。

表1 相鄰露天礦施工參數(shù)

將表1參數(shù)代入式（1）中，計算可得兩礦共節(jié)省運輸費用Fj=19500萬元。將表1參數(shù)代入式（5）～式（6）中繪制函數(shù)圖像，如圖6所示。由圖6可知，當排土橋臺階數(shù)量計算結果n=2時，重復剝離費用與反向運輸費用總和F最小，minF=7200萬元。乙礦經排土橋運輸量為28 Mm3，其他參數(shù)與甲礦一致，則乙礦重復剝離費用與反向運輸費用總和為6200萬元。由此可見，甲、乙并行露天礦修筑邁步式排土橋的重復剝離費用與反向運輸費用的總和小于節(jié)約的運輸費用，兩礦共節(jié)約成本6100萬元，因此修筑邁步式排土橋經濟效益顯著。

圖6 單排土橋F、Ff、Fb函數(shù)關系

4 結論

（1）對于全年進行剝離、協(xié)同開采公共端幫的并行露天礦，通過貫通采場、內排土場工作線，在兩礦采空區(qū)中構建雙排土橋，邁步式向前發(fā)展，優(yōu)化兩礦內排開拓運輸系統(tǒng)，以縮短運距、降低生產成本。

（2）建立兩礦運距數(shù)學模型，確定排土橋最佳位置為公共端幫處，并且雙橋間距離越小越節(jié)省運距。以修筑排土橋產生的重復剝離費用與反向運輸費用之和最小為目標，建立數(shù)學模型，確定最優(yōu)排土橋的建設臺階數(shù)量。

（3）通過對案例進行分析，確定排土橋的最佳臺階數(shù)量為 2。比較兩礦節(jié)省的運輸費用與排土橋重復剝離與反向運輸費用總和之間的關系，可知構建雙橋能節(jié)省兩礦成本 6100萬元，經濟效益顯著，此方法合理。