严寒气候条件下露天煤矿开采经济剥采比

白润才 孙有刚 刘 闯 刘光伟 孙 磊

(辽宁工程技术大学矿业工程学院，辽宁 阜新123000)

在露天矿开采设计中，开采境界的确定非常重要，直接影响矿山的经济效益。露天矿开采境界确定的基本原则是使投资经济效果最优［1-2］，即境界剥采比不大于经济合理剥采比。目前，对于确定露天煤矿开采境界的影响因素，主要考虑到以下几点［3］:地质因素、开采技术因素、经济因素等。在对露天煤矿开采境界进行优化时，其目的在于确定能够产生最大经济效益的露天矿开采境界［4-8］，在最新的《煤炭工业露天矿设计规范》中规定，褐煤、非焦煤、焦煤露天矿的经济剥采比分别不大于6 m3/t、10 m3/t、15 m3/t。而事实上我国相当一部分露天煤矿分布在内蒙古、新疆等北方地区，冬季漫长严寒，对矿山设备的成本投入、作业效率等都会产生非常严重的影响，进而影响到露天矿经济剥采比，影响露天矿开采境界的圈定，因此，有必要对严寒气候条件下的露天煤矿经济剥采比进行研究。

1 露天矿开采境界确定原则及影响因素分析

露天矿开采境界，即在设计露天矿时，首先要确定的技术上可能，经济上合理的露天开采范围界限，主要由露天矿深度、底的周界和最终边坡角等决定。

1.1 露天矿开采境界确定原则

根据露天开采理论，确定露天矿开采境界的原则［9］有按境界剥采比小于或等于经济合理剥采比的原则、按平均剥采比等于经济合理剥采比的原则和按自然生产剥采比(时间剥采比)或均衡生产剥采比等于经济合理剥采比的原则。其中，按境界剥采比nk小于或等于经济合理剥采比nj确定境界的原则被广泛采用，是露天开采设计确定开采境界的主要依据。

1.2 影响露天矿开采境界的因素

影响露天矿开采境界的因素有很多，根据侧重点不同，可大致分为自然因素和技术经济因素。其中技术经济因素包括采用的开采工艺及设备、矿山的基建投资、矿石成本和销售价格、矿石质量、开采中的贫化损失、基本建设年限及达到设计产量的期限、设备供应情况及国民经济发展水平等，本研究通过研究严寒气候条件对矿石开采成本的影响，优化露天矿开采境界。

2 严寒气候条件下露天矿开采境界优化

单斗—卡车工艺以其机动灵活、系统稳定性好的特点在我国露天煤矿被广泛采用，但这种工艺同样存在燃油消耗高、机械设备维修养护费用高、系统效率低等缺点，严寒气候条件对上述缺点的影响更加明显，下面一一分析严寒气候对燃油、设备维修养护、系统效率等的影响。

2.1 严寒气候对矿山设备燃油的影响

露天矿山设备均为重型设备，燃油以柴油为主，根据适用温度不同，柴油主要分6 种，分别是10 号油、0 号油、－10 号油、－20 号油、－35 号油和－50号油。10 号柴油适合于有预热设备的高速柴油机使用，在此不予考虑。每种型号的柴油有对应的温度区间，如果选用柴油的型号不符合适用温度区间，发动机中的燃油系统就可能结蜡，堵塞油路，影响发动机的正常工作。各种型号柴油的适用温度区间及价格见表1。

单斗—卡车工艺露天矿1 a 中燃油耗费计算:

式中，P 为燃油年消耗费用，元;ai为第i 月燃油价格，元/L;Vi为第i 月燃油消耗量，L。

表1 不同油号对应的温度区间及价格Table 1 The different temperature range and prices corresponding to different oil model

由式(1)可知，设备月耗油费用P 随着油价ai以及耗油量Vi的增加而增大，根据表1，不同温度下不同型号燃油价格也不同，温度越低，适用油号越低，燃油价格ai越高，Vi主要根据设备当月耗油量而定，严寒天气中设备因故障率高、作业效率低，需要增加设备数量，进而影响Vi值。具体影响程度将在后面进行讨论。

2.2 严寒气候对矿山设备效率的影响

在严寒天气中作业时，电铲勺斗、卡车厢斗容易出现黏结物料的现象。尤其对于水文地质条件复杂的露天矿，温度越低，其黏结物料的情况越严重。电铲勺斗黏物料严重时可达勺斗容积的一半［9-11］，卡车车厢黏结物料严重时更是达到了厢斗容积的2/3，严重影响作业效率，为确保采剥工程量按计划完成，必须增加设备。

2.2.1 严寒气候对电铲效率的影响

电铲的技术生产能力计算［12］:

式中，Qj为电铲的技术生产能力，m3/h;E 为电铲斗容，m3;tj为挖掘机完成1 斗采装的技术周期，s;Kw为挖掘系数，也叫实方满斗系数;Km为满斗系数;Ks为松散系数;kf为电铲移动、处理大块、选采等因素形成的辅助操作系数，其值为0.5 ～0.9。

电铲在严寒天气中作业时易黏斗，由式(2)、式(3)，对于同一电铲，其斗容E、技术周期tj、辅助操作系数kf以及松散系数Ks均是定值，只有满斗系数Km受黏斗影响较显著。当电铲勺斗黏斗时，Km变小，Kw随之减小，此时电铲的生产能力Qj也减小，电铲效率降低。根据某矿山实际情况，电铲黏斗严重时黏结物料可达厢斗容积1/2，此时生产能力减半。为确保采剥工程量按计划完成，必须增加设备。

2.2.2 严寒气候对卡车效率的影响

与电铲情况类似，卡车在严寒天气作业时其厢斗也存在黏结物料的现象。根据某矿山维修部门记录数据，气温在零下20 ～40 ℃时，卡车装卸3 次厢斗黏结便能达到2/3 左右，这时必须由反铲进行清理，每次清理耗时6 ～7 min，每辆卡车每班平均清理7 次，共耗时约45 min，相当于每班作业时间内每辆卡车少装卸2 趟。卡车在装卸3 趟过程中黏结物料分别是厢斗容积的1/5，1/2，2/3;气温在零下1 ～19 ℃时，每辆卡车每班平均清理3 次;气温在零上时，设备基本不存在黏结物料的情况。

影响卡车作业效率的因素主要有卡车厢斗容积、黏斗系数以及卡车装卸次数:

式中，Qz为装卸矿岩量，t;n 为卡车数量，辆;M 为卡车额定载重，t;d 为卡车装卸次数，次;k 为卡车黏斗系数;T班为卡车班作业时间，min;T 为卡车装卸周期，min;t清为卡车平均清理时间，min。

由式(4)和式(5)可知，随着卡车黏斗系数k 的增大，清理厢斗的时间t清随之增大，卡车装卸一次的周期T 延长，从而使班装卸次数d 减少，M 为定值，为确保采剥工程量按计划完成，需增加卡车数量n，从而造成成本增加，在增加的成本中，主要包括增加卡车成本、原有卡车因燃油差价增加成本和卡车清理成本:

式中，P月为当月总燃油增加成本，元;P加为增加卡车的燃油成本，元;P差为原有卡车因油价差异增加的成本，元;P清为反铲清理卡车耗油成本，元;n加为增加卡车数量，辆;a 为当月燃油价格，元/L;V 为单辆卡车月耗油量，L;a差为当月与常温燃油差价，元/L;d 为反铲每昼夜清理单辆卡车次数，次;W 为增加人员成本，元;r 为作业班数;M 为工人工资，元/月。

2.3 严寒气候对矿山设备维护的影响

设备的维修养护是露天矿必不可少的一项程序，在严寒气候条件下作业的设备，其故障率较常温显著增高。

露天煤矿设备月维护费用主要由维修费用和养护费用组成，其中维修费用由设备数量和故障率决定，养护费用主要由设备数量和润滑油的价格［12-14］决定，冬季严寒气候条件下，设备故障率和润滑油价格都增高，维护费用也相应地增高。

2.4 严寒气候条件下经济剥合理采比计算

根据露天采矿原理，经济合理剥采比计算公式为

式中，dl为露天采煤售价，元/t;a 为纯采煤成本，元/t，包括a基建、a设备、a征地等投资折旧，a穿爆、a采装、a运输、a排土、a维检、a辅助等生产费用。b 为纯剥离成本，元/m3，包括b基建、b设备、b征地等投资折旧，b穿爆、b采装、b运输、b排土、b维检、b辅助等生产费用。

对于严寒地区的露天矿，气候条件通过影响设备使用效率，增加设备、燃料成本和维护保养费用，增加矿山剥离成本和采煤成本。

结合式(11)，可以得出严寒气候条件下经济合理剥采比

式中，A 为纯采煤总成本，元/t;B 为纯剥离总成本，元/m3;az为严寒气候条件下开采单位煤炭增加的成本，元/t;bz为严寒气候条件下剥离单位岩石增加的成本，元/t。

3 实例研究

3.1 应用背景

A 矿为采用单斗—卡车开采工艺的褐煤露天矿，有55 m3电铲6 台，326 t 卡车42 辆，分3 班工作，所在地区基本没有冰冻期。假设存在一露天矿B 与A矿在生产规模、煤质、工艺、设备型号等参数上均相同，唯一不同的是B 矿所在地区1 a 有7 个月的冰冻期，最低气温在－40 ℃以下，该地区各月气温变化区间见表2。

表2 B 露天煤矿各月气温Table 2 Temperature of each month in open-pit coal mine B

3.2 电铲成本计算

由式(2)、式(3)可算得55 m3电铲技术生产能力

由于A 矿不受严寒气候影响，设备基本不存在黏斗的现象，电铲月挖掘量可达2.1 mm3，B 矿所在地区一年有7 个月的冰冻期，电铲生产能力受严寒气候影响显著，温度越低，黏斗越严重，根据某矿山实际记录，黏斗程度与温度关系为:－30 ℃以下时，黏斗1/2;－15 ～－30 ℃时，黏斗1/3;－15 ～0 ℃时，黏斗1/4左右;0 度以上时，基本不存在黏斗。黏斗致使电铲生产能力下降，为确保采剥工程量按计划完成，需增加设备，考虑增加电铲配备人员及耗电费用，根据表2，得出A 矿和B 矿各月挖掘量及B 矿成本增加情况见表3。

表3 A 矿、B 矿电铲各月挖掘量及B 矿成本增加Table 3 Mining quantity by electric shovel in coal mine A and B ＆ increased cost of coal mine B

根据表3，A 矿全年现有电铲可完成采剥工程量计划，B 矿需增设6 台电铲，每台11 400 万元，电铲购置费用总计68 400 万元，矿山服务年限79 a，每年折合685.8 万元。根据某矿山设备维护记录，单台电铲冬季月平均维护费用67.5 万元，夏季51.8 万元，单台设备冬季维护费用较夏季多出15.7 万元/月。由此可知，由于严寒气候影响，B 矿电铲比A 矿增加成本2 176.5 万元/a。

3.3 卡车成本计算

卡车作业主要消耗燃油，A 矿常年可使用0#柴油，依据表1 和表2，得出B 矿卡车各月所需燃油型号见表4。

326 t 卡车的利用系数为0.9，正常情况下实际载重可达293.4 t。由式(4)、式(5)和表2 可算出B 矿各月装卸量以及所需增加卡车数量，得出结果:1 月需增加卡车15 辆;2 月15 辆;3 月9 辆;4 月4 辆;10月4 辆;11 月9 辆;12 月15 辆。

表4 B 露天煤矿各月适用燃油型号Table 4 Fuel oil model of each month in open-pit coal mine B

经统计分析单辆卡车班耗油量约960 L，配备反铲每小时耗油15 L，每分钟则为0.25 L，反铲每次清理时间平均5 min，耗油1.25 L。增加卡车所配备司机工资6 000 元/月，由式(6)～式(10)可知B 矿各月燃油和人员增加成本情况见表5。

表5 冬季各月卡车成本增加情况Table 5 The increased truck cost of each month in winter 元

326 t 卡车每辆2 350 万元，B 矿共需增加卡车15 辆，购置成本总计35 250 万元，矿山服务年限79年，每年折合446 万元。根据某矿山卡车维护记录，单辆卡车冬季月平均维护费用为52 713 元，夏季19 430元，冬季比夏季每月高出33 283 元。由此可以知B 矿卡车1 a 中由于严寒气候影响比A 矿增加成本8 619.6万元。

3.4 境界优化

当前褐煤售价115.69 元/t，A 矿开采成本12.76元/t，剥离成本16.27 元/m3。可得A 矿经济合理剥采比

由于B 矿受严寒气候影响，电铲和卡车增加的成本总计10 796.1 万元，采煤成本较A 矿增加0.93元/t，剥离成本增加1.35 元/m3。可知B 矿经济合理剥采比

分析以上2 式可知:A 矿经济合理剥采比为6.32 m3/t，因此A 矿按露天矿设计规范确定的褐煤露天矿经济合理剥采比6 m3/t 圈定开采境界是可行的;受严寒气候影响的B 矿经济合理剥采比为5.78 m3/t，显然按露天矿设计规范确定的褐煤露天矿经济合理剥采比6 m3/t 圈定B 矿开采境界是不合理的，需要进行优化调整，调整后B 矿开采境界与A 矿对比如图1 所示。

图1 A、B 2 矿开采境界对比Fig.1 Comparison between pit limit of coal Mine A and B

以上对比分析表明，气候条件是影响露天矿经济合理剥采比的重要因素，尤其我国相当部分露天煤矿位于严寒地区，其开采境界不能仅按设计规范确定的经济剥采比圈定，还必须将气候条件作为重要影响因素考虑在内。

4 结 论

(1)北方地区气候严寒，严寒气候条件对露天矿开采境界圈定造成显著影响。

(2)设备在严寒天气中作业时，存在效率低，投入费用高的特点，直接影响到矿山经济剥采比的准确性以及开采境界的合理性。

(3)以2 个采用单斗—卡车工艺、规模相当、气候环境不同的露天煤矿为例，对比分析了2 矿经济合理剥采比，结果表明露天矿开采境界不能仅按设计规范确定的经济剥采比圈定。

(4)我国受严寒气候影响的露天煤矿数量众多，仅按露天矿设计规范确定的经济剥采比圈定开采境界不尽合理，因此考虑气候因素的露天矿开采境界优化方法具有推广应用价值。

［1］ 杨荣新. 露天采矿学:下册［M］. 徐州:中国矿业大学出版社，1990.

Yang Rongxin.Surface Mining (Ⅱ)［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，1990.

［2］ 蒋 权，陈建宏，杨海洋.基于DIMINE 软件系统的露天矿境界优化研究［J］.金属矿山，2010(9):13-17.

Jiang Quan，Chen Jianhong，Yang Haiyang. Study on open pit limit optimization based on DIMINE software system［J］. Metal Mine，2010(9):13-17.

［3］ 王 岩，王为举.露天煤矿开采境界与经济剥采比确定［J］. 现代矿业，2011(12):83-85.

Wang Yan，Wang Weiju. The confirmation of open pit mining limit and economic stripping ratio［J］.2011(12):83-85.

［4］ 柳 波，陈广平.基于3DMine 的露天矿开采境界的优化［J］.化工矿物与加工，2011(3):28-31.

Liu Bo，Chen Guangping. 3DMine-based optimization of limit of open-pit［J］.Industrial Minerals and Processing，2011(3):28-31.

［5］ 万昌林，刘亮明，高 祥，等. 大型露天矿山资源估算与开采境界优化研究——以西藏驱龙铜矿为例［J］.金属矿山，2010(1):41-44.

Wan Changlin，Liu Liangming，Gao Xiang，et al.Study on resource evaluation of large-scale open-pit mine and mining limit optimization:take the tibet Qulong Copper Mine as a case［J］.Metal Mine，2010(1):41-44.

［6］ 王述清，杨晓静，孟 琪.基于Surpac 不同算法的露天矿境界优化研究［J］.中国矿业，2012，21(增):370-373.

Wang Shuqing，Yang Xiaojing，Meng Qi.Study on pit limit optimization of open-pit mine based on different arithmetic of Surpac［J］.China Mining，2012，21(S):370-373.

［7］ 张彤炜.基于图论学的露天开采境界优化算法研究及程序设计［D］.长沙:中南大学，2008.

Zhang Tongwei. Study on Algorithms for Open-pit Optimization Based on Graph Theory and the Application of Designing Programme［D］.Changsha:Central South University，2008.

［8］ 张延凯，胡乃联，徐国伟，等. 某铜钼矿开采境界优化研究［J］.中国矿业，2012，21(10):84-87.

Zhang Yankai，Hu Nailian，Xu Guowei，et al. Pit optimization for a copper-molybdenum mine［J］.China Mining，2012，21(10):84-87.

［9］ 骆中洲.露天采矿学(采矿工艺)［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1996.

Luo Zhongzhou. Surface Mining (Mining Technology)［M］. Xu Zhou:China University of Mining and Technology Press，1996.

［10］ 宫玉成.哈尔乌素露天煤矿单斗—卡车工艺优化研究［D］. 包头:内蒙古科技大学，2013.

Gong Yucheng.Optimization Study in Haerwusu Surface Mine Single Bucket Excavator-truck System［D］.Baotou:Inner Mongolia University of Science and Technology，2013.

［11］ 董驰峰，王春雨，张 峰.冬季环境对胜利东二矿施工作业的影响［J］.露天采矿技术，2010，13(10):29-30.

Dong Chifeng，Wang Chunyu，Zhang Feng.The influence the winter environment has on working performance of Dongerkuang in Shengli［J］.Opencast Mining Technology，2010，13(10):29-30.

［12］ 秦 涛，才庆祥，张 丁，等.495 HR 电铲不同铲斗容积生产能力分析［J］.金属矿山，2011(9):134-136.

Qin Tao，Cai Qingxiang，Zhang Ding，et al.Analysis on the production capacity of 495HR shovel with different bucket capacity［J］.Metal Mine，2011(9):134-136.

［13］ 李树揖.寒区工程机械低温液压油［J］. 化学工程师，2004，26(1):54-56.

Li Shuyi.Low temperature hydraulic lube for machine at cold zone［J］.Chemical Engineer，2004，26(1):54-56.

［14］ 周 志，周海强. 低温液压油的选择［J］. 液压气动与密封，2009(2):17-20.

Zhou Zhi，Zhou Haiqiang. Choice of low-temperature hydraulic oil［J］.Hydraulics Pneumatics and Seals，2009(2):17-20.