露天矿破碎站部分下坑时布置水平优化

郭 强 才庆祥 陈树召

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

露天矿破碎站部分下坑时布置水平优化

郭 强1,2才庆祥1陈树召1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

随着露天煤矿生产规模的不断加大，半连续工艺在露天矿的应用也越加广泛。实践证明，半连续工艺的应用对煤矿经济效益有很大的提升，而在半连续工艺中，破碎站的位置对煤矿生产效益起到决定性作用。借助于限制坡度的定义和坑内破碎站的生产能力要求，对坑内煤层进行分区；在此基础上，给出了运煤卡车到坑内破碎站和地表破碎站的运距、内排增加运距和坑内提升胶带长度的计算方法；在对半连续系统进行整体考虑后，以总运输费用最小为原则，建立破碎站布置水平优化模型，给出了卡车运费、增加的内排运费和提升胶带系统总费用的计算方法，并将建立的优化模型应用到实例研究中。计算结果表明，宝日希勒露天煤矿将破碎站布置在+625 m水平上时总运输费用最小，此为破碎站布置的最优水平。另外，通过分析可知，坑内破碎站的位置不宜过低，避免对内排产生较大的影响。

露天矿 半连续工艺 半固定式破碎站 煤层分区 位置优化

露天矿单斗—卡车—半固定式破碎站—带式输送机半连续工艺综合了连续工艺与间断工艺各自的优点，是露天矿高效的开采工艺，已经成为当今露天矿开采工艺中最具生命力和发展潜力的开采工艺之一[1-6]。随着大型近水平露天矿生产规模的增大，开采深度的不断增加，开采初期布置在地表的破碎站的作用明显降低[7-8]。为了充分发挥半连续工艺的优势以减少汽车运距，降低运费，提高露天矿经济效益，破碎站的位置就要向坑内的某一个水平进行移设。而对于半连续工艺能否取得更大的经济效益，取决于该工艺诸多关键技术，半固定破碎站合理布设水平的合理确定既是最重要的影响因素之一[9-11]，也是降低生产成本的有效保证[9-11]。但是由于露天矿的地质条件、开采工艺、开采参数、地面系统等限制使得满足产量要求的破碎站不能全部下到坑内，这样就只能使用坑内破碎站和地表破碎站相结合的方式来满足生产要求。本研究根据采煤半连续工艺的特点，通过对坑内煤层进行分区，规划好坑内破碎站和地表破碎站的服务煤量区域，在此基础上建立破碎站布置水平优化模型，对坑内破碎站位置进行优化。

1 坑内煤层分区

当满足生产能力的破碎站不能全部下坑进行服务，但为了更好地发挥破碎站的作用，还需要其下坑时，就只能让满足一定产量的破碎站下坑服务，在这种情况下本研究提出了坑内煤层分区的观点，另外也是为了充分利用坑内破碎站来减少煤的运距和减少折返运输等情况。其分区原则是：以煤层重心所在标高与破碎站所在地表标高之差Hmd和煤层重心所在标高到地表破碎站的直线距离Lmd的比值与限制坡度R来相互比较，当Hmd/LmdR时，运煤卡车不能直线到达地表。

其余部分煤量为MB，煤矿年产量M=MA+MB，这样的条件下每个采煤台阶的A和B部分的煤量分别为MAi和MBi。

图1 坑内煤层分区示意

Fig.1 Sketch map of coal seam partition in pit

2 优化模型

2.1 基本计算公式

2.1.1 汽车运距

基于煤层划分方式，坑内汽车运距将分成2个部分。破碎站布置到不同水平时，A和B 2部分的汽车运距的计算：

A部分坑内运距

(1)

式中，DAi为汽车将A部分煤量运到坑内破碎站的运输距离，m；ΔHi为第i层煤所在重心标高与坑内破碎站所在水平标高之差，m；R为汽车限制坡度，一般取8%～10%；k为汽车运输展线系数；Lgi为第i层煤所在标高的工作线长度，m；Mi为第i层煤的年采出量，万t；φ为端帮的帮坡角，(°)；Dd为端帮运输距离，m。

B部分地表运距

(2)

(3)

式中，DBi为汽车将A部分煤量运到坑内破碎站的运输距离，m。

2.1.2 内排增加运距

在露天矿剥离采用单斗卡车工艺的条件下，破碎站所在水平以下台阶仍可以采用双环内排，以上台阶受到提升胶带明沟的限制，只能通过运煤卡车下降到破碎站布置水平，然后再经过端帮进行内排，未布设破碎站的一侧端帮运输，从而增加了内排卡车的运距。因破碎站布置到坑下端帮H0水平，第i水平工作平台增加的卡车内排运距的计算公式为

(4)

式中，DΔpi为第i水平工作平台增加的卡车内排运距，m；ΔHpi为破碎站所在水平标高与第i水平工作平台标高之差，m；Hi为第i水平工作平台标高，m；Hmin为露天矿开采最低标高，m；Hmax为地表境界标高，m。

2.1.3 端帮提升带式输送机长度

当破碎站布置在坑内不同水平时，所需要的端帮提升带式输送机长度是不同的，当破碎站布置在坑内H0水平时，端帮提升带式输送机长度的计算公式为

(5)

式中，Lj为端帮提升带式输送机长度，m；H为破碎站初始所在水平标高，m；θ为端帮提升胶带倾角，(°)。

2.2 优化目标

基于煤层划分方式，采煤半连续工艺在破碎站部分下坑的情况下，以总运输费用最小为原则，建立优化目标函数为

(6)

式中，C为半连续工艺总运输费用，万元；Cq为破碎站布置在一定位置时汽车总运费，万元；CΔp为由于坑内破碎站的布置而增加的内排运费，万元；Cij为提升胶带系统总费用，万元。

2.3 模型求解

2.3.1 汽车运输费用

(7)

因此，运煤汽车的运费为

(8)

式中，Cq1为破碎站布置在一定位置时的汽车总运费，万元；cq为汽车运输单价，元/(t·km)。

(9)

因此，运煤汽车的运费为

(10)

2.3.2 增加的内排运费

由式(5)可进一步得出,破碎站在坑内的布置造成的内排运费增加的加权运距为

(11)

因此，由于坑内破碎站的布置而增加的内排运费为

(12)

式中，CΔp为增加的内排运费，万元；W为破碎站布置水平以上剥离量，万t；cp为剥离物运输单价，元/(t·km)。

2.3.3 提升胶带系统总费用

提升胶带系统总费用包括胶带运输费、胶带机延长费和土建工程投资等，由式(6)可以得出胶带系统总费用为

(13)

式中，cj为胶带机运输单价，元/(t·km)；cp为胶带机每米延长费，元/m；Cjt为提升胶带机土建投资费用，元/m。

综上所述，将式(8)或式(10)、式(12)、式(13)代入到目标函数中可以得出采煤半连续工艺系统总运费。

3 应用研究

宝日希勒露天煤矿的年产量为25 Mt，现有的生产工艺为采煤用单斗—卡车—半固定式破碎站半连续工艺，剥离用单斗卡车间断工艺。现有的采煤工艺中，破碎站设置在地表，主要开采1#煤，随着采矿工程的进一步发展，特别是3#煤层的开采，使得开采深度进一步加大，汽车运距增加。在这样的条件下，将破碎站布置到坑内某一水平成为必然，但是从宝日希勒露天煤矿的现实情况可知3#煤上部岩层的剥离使得坑底空间明显不足，而且宝日希勒露天煤矿的地面胶带系统复杂，不易改造，将3台原有的破碎站全部移设到坑内的方案是行不通的。在这种情况下，只能考虑将部分破碎站移设到坑内端帮某一水平上。结合宝日希勒露天煤矿的基本参数和实际情况，根据露天矿破碎站布置位置优化模型，对破碎站布置在不同位置时的各项指标进行计算，计算结果如表1所示。

表1 半连续系统运输费用

Table 1 Transportation costs of semi-continuous system 万元

标高/m汽车总运费Cq增加的内排运费CΔp胶带系统费用Ctj系统总费用C+67015216.720015216.72+65514076.3382.97247.3114406.61+64013087.34497.81494.6314079.78+62512053.471244.53741.9414039.94+61010901.932323.13989.2614214.32+59510003.633733.591236.5714973.79+5859870.564425.001401.4515697.01+5759985.824978.131566.3216530.27

从中可以看出，破碎站布置在+625 m水平系统总费用最低，破碎站布置在该水平时，增加的内排运费和提升胶带系统费用都很小，起决定性作用的是汽车运输总运费，随着破碎站布置深度的加大，增加的内排运费增加明显，所以在将破碎站布置到坑内时不宜过低，以减少对内排的影响。

4 结 论

(1)根据大型近水平露天煤矿的特点，借助于限制坡度的定义和坑内破碎站的生产能力要求，提出了坑内煤层分区的方法，并且在煤层分区的基础上提出了运煤卡车到坑内破碎站和地表破碎站的运距计算方法。

(2)以半连续工艺总运费最小为目标，建立了露天矿破碎站布置位置优化模型，并给出了卡车运费、增加的内排费用和提升胶带系统费用等指标的计算方法。

(3)选取的各项费用指标不包括破碎站移设费用、停产损失费用等，这是因为在本方案对比中以上各项费用指标相同。

(4)研究实例说明了宝日希勒露天煤矿坑内破碎站布置的最优位置，即坑内+625 m水平端帮上，并且从费用曲线可以看出坑内破碎站的位置不宜过低，避免对内排产生较大的影响。

[1] 彭世济，张达贤，习永峰．露天矿连续和半连续开采工艺[M]．北京：煤炭工业出版社，1991． Peng Shiji，Zhang Daxian，Xi Yongfeng.Continuous and Semi-continuous Mining Process in Open-pit[M].Beijing：Coal Industry Press，1991.

[2] 张达贤，张幼蒂．露天采矿新工艺[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1992. Zhang Daxian，Zhang Youdi.New Technology of Mining in Open-pit Mine[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1992.

[3] 车兆学，才庆祥，刘 勇．露天煤矿半连续开采工艺及应用技术研究[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2006． Che Zhaoxue，Cai Qingxiang，Liu Yong.Study on Application Technology of Semi-continuous Mining System in Open-pit Mine[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2006.

[4] 陈树召．大型露天煤矿他移式破碎站半连续工艺系统优化与应用研究[D]．徐州：中国矿业大学，2011． Chen Shuzhao.Optimization and Application Research on Semi-continuous Technology System with Mobile Crusher in Large Open-pit Coal Mines[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2011.

[5] 王海军，李克民，陈树召．内排条件下露大矿剥离半连续工艺应用范围研究[J]．采矿与安全工程学报，2013,30(5)：761-765. Wang Haijun，Li Kemin，Chen Shuzhao.Study on application scope of stripping semi-continuous system in internal dumping open pit mine[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2013,30(5)：761-765.

[6] 郑友毅．我国露天煤矿半连续开采工艺的应用和发展策略[J]．煤炭学报，2011，36(5)：756-761. Zheng Youyi.The application and development strategies of semi-continuous mining system in Chinese surface coal mines[J].Journal of China Coal Society，2011,36(5):756-761.

[7] 王忠鑫．露天矿破碎站移设位置优化研究[J] 露天采矿技术，2012(4)：21-24. Wang Zhongxin.Optimization of crushing station advancing location in surface mine[J].Opencast Mining Technology，2012(4):21-24.

[8] 李新旺，段起超，张瑞新，等．安太堡露天矿半固定式破碎站布设水平的优化[J]．中国矿业大学学报，2006，35(6)：752-756. Li Xinwang，Duan Qichao，Zhang Ruixin，et al.Optimization of located level of semi-stationary crushing station in Antaibao Surface Mine[J].Journal of China University of Mining & Technology，2006,35(6):752-756.

[9] 李军才.深凹露天矿山间断—连续运输工艺的研究[J]．中国矿业，2002,11(3):27-31. Li Juncai.Study on discontinuous-continuous haulage technology in deep sunken open pit mines[J].China Mining Magazine，2002，11(3):27-31.

[10] 王喜富，李仲学，任占营，等．露天矿半连续工艺破碎转载站参数设工及优化[J]．金属矿山,2001(12):22-24. Wang Xifu，Li Zhongxue，Ren Zhanying，et al.Parameters setting and optimization of the crushing transfer station of semi-continuous technology of open-pit mines[J].Metal Mine，2001(12):22-24.

[11] 尚 涛.才庆样，张幼蒂，等.我国大型露天煤矿若干生产工艺问题分析[J]．中国矿业大学学报，2005,34(2):138-142. Shang Tao，Cai Qingxiang，Zhang Youdi，et al.Analysis of some technological problems for large surface coal mines in China[J].Journal of China University of Mining & Technology，2005,34(2):138-142.

(责任编辑 徐志宏)

Location Optimization of Crushing Station under Pit in Surface Mine

Guo Qiang1,2Cai Qingxiang1Chen Shuzhao1,2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221116，China)

With the increasing of production scale，semi-continuous system is widely used in surface coal mine.The practice proved that application of the semi-continuous system has greatly improved economic efficiency in opencast mines.Among this，location of crushing station plays a decisive role in improving production efficiency.With the aid of the definition of limiting slope and capacity requirements of crushing station in pit，the coal seam partition was made.On this basis，the calculation method for the transport distance of coal truck to underground crushing station and surface crushing station，increased transport distance of internal dumping and the elevating belt length in pit was present.After considering the semi-continuous system as a whole，and by the principle of totally minimum transport cost，the optimization model of crushing station layout was established to propose calculation methods for total transport freight of the truck，the increasingly internal dumping and the hoist system.Meanwhile，the model was applied into the practical engineering.The calculation results showed that the total transport cost is minimum when crushing station is arranged on +625 m level in Baorixile Open Pit Mine，and this is the optimal position for crushing station.In addition，the analysis indicated that location of crushing station in pit can not be too low to avoid from a worse impact on internal dumping.

Surface mine，Semi-continuous system，Semi-stationary crushing station，Seam partition，Location optimization

2014-03-08

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：2012AA062004)，国家自然科学基金重点项目(编号：51034005)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2014BAC14B00)。

郭 强(1990—)，男，硕士研究生。

TD824

A

1001-1250(2014)-05-050-05