拉铲倒堆开采工艺拉铲臂长和斗容的优化模型

梅晓仁

（1.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新123000；2.湛江师范学院 商学院，广东 湛江524048）

拉铲倒堆开采工艺是一种先进的、高效的露天开采工艺，它集采掘、运输和排土三个主要工序环节于一身，将开采工作面的剥离物直接采装、运输并排弃于采空区中。该工艺在美国、澳大利亚、加拿大和俄罗斯等国家的露天煤矿获得了广泛的应用，获得了优异的技术经济指标。[1]

拉铲倒堆开采工艺在我国刚刚起步，近几年，在几座大型露天煤矿的设计中，推荐了拉铲倒堆开采工艺。黑岱沟露天煤矿2005年采购了一台Bucyr us公司生产的斗容为85 m3的拉铲，目前已经投入使用，使用后，露天煤矿的生产规模由12 Mt/a提高到20 Mt/a。我国一些露天矿区的煤层赋存条件，很适合采用拉铲倒堆开采工艺。针对我国露天煤田的地质赋存条件，对拉铲倒堆开采工艺进行研究，是我国露天采煤的一项新课题，具有重要理论价值和实用价值。[1，2]本文提出了在爆堆形状一定、推土机降段高度一定时，拉铲臂长和斗容的优化模型。

1 我国露天煤矿的地质赋存条件

我国已经或将要开发的13个适合露天开采的大型、特大型煤矿中，有相当大部分煤田具有采用拉铲倒堆开采工艺的有利条件。这些矿区的地质赋存条件，见表1、图1。[1，2]由表1可看出：

（1）煤层埋藏倾角多数在10°以下，属近水平或缓倾斜煤层，这是采用拉铲倒堆剥离最必需的、也是最重要的赋存条件。

（2）煤层数目不多，主采煤层多为1～3层，煤层结构不复杂，煤层厚度不过大，不致成为限制采用拉铲倒堆剥离工艺的因素。

（3）剥离物岩性多在中硬以下，各煤田岩层厚度大小不一，具备全部或部分剥离物采用拉铲倒堆剥离的条件。

（4）多数煤田面积大，储量丰富，有足够空间安排必要的工作线长度，并充分发挥拉铲生产能力。

表1 我国13个露天煤田的赋存条件

综合看来，我国有相当多的大型煤田具备采用拉铲倒堆开采工艺的基本条件，有望建设一批采用这种先进剥离方式的高产高效露天煤矿，从而为加快露天采煤的发展，大幅度提高矿山经济效益，开创一条新的技术途径。

从图2中可以看出，我国露天煤矿岩层和煤层一般比较厚，如果剥离仅由拉铲倒堆完成，往往是不经济的，也是不合理的。因此，适宜采用联合作业方式，即上部剥离物和煤层采用某些开采工艺，最下部煤层上部的岩层部分或者全部采用拉铲倒堆开采工艺。采用拉铲倒堆开采工艺时，倒堆剥离台阶采用抛掷爆破方式，将一部分剥离物直接抛掷到内排土场；然后配备大功率的推土机为拉铲准备工作面，推排倒堆台阶上部的剥离物，形成推土机扩展平台，降低倒堆台阶的高度，减少拉铲倒堆量，最后由拉铲将剩余的剥离物直接倒排至采空区，如图2所示[2]。这里涉及到一个重要的问题：在爆堆形状一定、推土机降段高度一定的情况下，拉铲臂长和斗容有怎样的关系？如何进行优化？

2 拉铲臂长和斗容的计算方法

图1 露天煤田典型地层柱状及拉铲作业范围示意图

图2 联合扩展平台示意图

2.1 拉铲斗容的计算

在拉铲初步选型的过程中，参考国外有关资料，通常采用拉铲每立方米勺斗的在籍年生产能力A0，来初步计算拉铲斗容V0（m3）[3]：

式中：A——拉铲年剥离工程量，m3；A0——平均按 （25～29）×104m3/ （m3·a）估算。

考虑抛掷爆破有效抛掷系数μ1、推土机有效排弃率μ2、拉铲重复倒堆率η三项因素后，拉铲斗容V计算公式为[2]：

2.2 拉铲臂长的计算

通常，根据拉铲生产厂商提供的拉铲设备规格表中的额定悬挂荷重 （Rated Suspension Load），来确定拉铲的悬臂长度和悬臂倾角。

额定悬挂荷重由勺斗自重和勺斗中物料重量组成。根据Bucyr us公司资料，每立方码勺斗自重Y （P）与勺斗容积V （立方码）的关系为[4]：

则某一规格勺斗的最大悬挂荷重M （P）为：

式中：γ——物料散方容重，P/每立方码。

3 拉铲臂长和斗容的优化模型

3.1 拉铲设备选型方案

对于某种型号的拉铲，其设备总重量、最大悬吊载荷是一定的，悬臂长度与勺斗容积成反比关系，即拉铲悬臂长度越长，其勺斗容积就越小，反之亦然。因此，在爆堆形状一定、推土机降段高度一定的条件下，完成相同的露煤量。根据拉铲悬臂长度与勺斗容积的关系，拉铲设备有两种选择方案：

（1）长臂小斗方案

拉铲的臂长较长，卸载半径较大，拉铲的扩展平台较小，二次倒堆量较少，拉铲完成的剥离工程总量就少，相应的，拉铲的勺斗容积比较小。

（2）短臂大斗方案

拉铲的臂长较短，卸载半径较小，拉铲的扩展平台较大，二次倒堆量较多，拉铲完成的剥离工程总量就多，相应的，拉铲的勺斗容积比较大。

3.2 拉铲制造价格与臂长、斗容的关系

我们知道，在其它费用一定的情况下，拉铲的作业成本与拉铲的设备折旧费用有关系，也就是与拉铲的价格有关系。根据掌握的资料，对拉铲的出厂价格进行了统计分析，得出如下结论：拉铲价格与拉铲的作业半径的平方成正比，与拉铲的斗容的0.83次方成正比，其相关系数高达0.99679，计算公式为[5]：

式中：F——拉铲价格，百万元；R——拉铲作业半径，m。

按公式 （5）计算出来的不同规格的拉铲设备价格见表2。由式 （1）和表2可以看出，随着拉铲作业半径的加大，拉铲的制造价格急剧加大（平方关系），平均作业半径每增加1 m，拉铲制造价格增加0.72百万元，并且随着作业半径的增加，制造价格增加的幅度有增大的趋势；而勺斗容积每增加1 m3，拉铲制造价格仅增加0.335百万元，不及作业半径的一半，并且随着勺斗容积的增加，制造价格增加的幅度有减小的趋势。同时，作业半径的加大，拉铲作业循环时间也相应的增大，使得生产效率相对下降，虽然二次倒堆量相对减少，但拉铲的年作业费用不一定低。因此，拉铲臂长和斗容的优化，要综合考虑拉铲价格和剥离工程量等因素。

表2 不同规格拉铲价格表

3.3 优化模型

在两种拉铲设备选型方案中，拉铲价格不同（作业成本不同），年完成的剥离工程量不同。因此，优化的目标是使得拉铲的年作业总费用最小，即目标函数为[2]：

式中：f （R，V）——当推土机降段高度为h时，排弃作业的总费用，元；CO——拉铲作业成本，元/m3；Cp——拉铲折旧成本，元/m3。

拉铲作业成本Co主要由折旧费、修理费、材料费、动力费用 （电费）、工人工资组成。各项费用计算方法如表3所示，P表示拉铲价格 （元），n表示拉铲服务年限 （a），f ee表示电费 （元/度）。

表3 拉铲作业成本构成表

拉铲折旧成本Cp计算如下：

式中：Vc——设备的回收残值，取0.97。

4 结 论

（1）针对我国露天煤矿地质赋存特点，提出拉铲倒堆开采工艺适宜采用联合作业方式，即上部剥离物和煤层采用某些开采工艺，最下部煤层上部的岩层部分或者全部采用拉铲倒堆开采工艺。

（2）综合考虑抛掷爆破有效抛掷系数、推土机有效排弃率、拉铲重复倒堆率三项因素，提出拉铲臂长和斗容的计算方法。

（3）提出了长臂小斗和短臂大斗两种拉铲设备选型方案，综合考虑拉铲制造价格、年剥离工程量等因素，提出了拉铲臂长和斗容的优化模型。