露天煤矿绿色开采工艺系统优化及工艺环节匹配模型

宋子岭，赵东洋，张宇航

（辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

我国露天煤矿主要分布在内蒙古、山西、陕西、新疆、青海、宁夏、云南等生态环境脆弱地区，尤其以内蒙古、青海、新疆等地区的露天煤矿大都位于我国主要草原上，草原土地以沙地为主，其生态环境脆弱，一旦破坏后很难恢复，且破坏的生态环境有自我扩大的趋势[1-2]。

我国露天开采设计主要采用原苏联露天矿设计理论，其设计原则是“工艺与开采条件匹配；开采方法与开采条件匹配”，开采方案目标是“技术可行；经济合理；安全可靠”。在这种设计思想的指导下，露天开采设计主要考虑露天开采安全技术的可行性和经济效益的最大化。其设计存在以下明显的缺陷：①没有考虑生态环境修复问题；②形成先开采、后治理环境被动模式，从而引发了严重的生态环境问题，如露天矿区土地占用和破坏的面积大，采场排水破坏地下水力平衡，矿区附近地下水位下降，煤炭或煤矸石自燃，产生有毒有害气体与烟雾，汽车工艺消耗燃油，排放尾气，各生产环节作业产生粉尘和噪音。露天开采引发固体、水和大气综合性污染和破坏。绿色开采工艺是从根本上改善露天矿生态环境的有效措施，为此，提出了露天煤矿绿色开采工艺系统构成及其工艺选择的方法，丰富露天开采绿色开采技术与理论[3-7]。

1 露天煤矿绿色开采工艺系统构成

1.1 内涵界定

露天煤矿绿色开采工艺系统是在原有概念基础上，加入“生态恢复”工艺环节而形成的内涵更加丰富的新工艺系统。露天煤矿绿色开采工艺系统概念为“完成采掘、运输、排卸、生态恢复主要工艺环节的设备和作业方式的总称”。工艺系统由采装、运输、排卸、“生态恢复”4 个主要工艺环节构成。“生态恢复”是绿色露天煤矿不能缺少的主要工艺环节，加长了露天煤矿工艺环节链，其主要作用是强制露天煤矿必须在做好环境保护和生态恢复工作前提下进行资源开采[8-11]。

“生态恢复”环节配备专用的作业设备，拥有各工艺环节的作业方式、工艺参数、环节生产能力等，与其它工艺环节必须合理匹配。

1.2 各环节合理匹配关系

1.2.1 “生态恢复”工艺环节的作用

绿色开采工艺系统由“矿岩准备、采装、运输、排卸、生态恢复”5 个工艺环节构成。其中“生态恢复”环节主要是指露天矿土地恢复作业环节。

“生态恢复”环节起促进与保护作用。其“保护作用”主要是对生态环境的保护，“促进作用”主要促使露天矿实施土地占用动态补偿机制，即露天矿利用排土场恢复的土地置换采场剥离所需要的土地，露天矿根据矿床赋存情况、地质地形条件等确定建矿初期土地占用大小，用于露天矿采场基建、排土与维持正常剥采生产所需要的最小土地量，正常生产后以每3～5 年为1 个周期，露天采场与排土所需要的土地，用恢复并交付社会的土地数量来等量置换[12]。

1.2.2 “生态恢复”环节与其它工艺环节的匹配关系

露天矿绿色工艺系统中，各个工艺环节之间必须在“设备类型、设备数量、生产能力、生产组织管理”方面合理匹配。

1）各工艺环节设备类型匹配关系。生态恢复设备类型应与采装设备、运输设备、排土设备的类型相匹配，主要要与排土设备类型相匹配。设备匹配一是设备类型要相一致，尽量购置与采装、排土设备相同型号的生态修复设备；二是设备规格应一致，大型采运排设备配备大型的生态恢复设备。

2）各工艺环节生产能力匹配关系。为减小环节间的相互影响，使各工艺环节的设备作业效率得以充分发挥，各环节生产能力匹配原则为后续环节总生产能力大于等于前一环节总生产能力。“生态恢复”环节与排土环节的生产能力匹配原则：“生态恢复”作业水平推度应大于等于排土作业推进度。内排土场排土线的推进度等于采场工作帮的推进度。生态恢复环节总生产能力QS满足：

式中：QS为“生态恢复”环节总生产能力，m3/a；NS为土地恢复作业的工作面个数；Qt为生态恢复设备的年生产能力，m3/（台·a）；vS为生态恢复环节作业水平推进度，m/a；hS为土地恢复作业填方厚度或挖方深度平均值（填方取“+”、挖方取“-”），m；wS为土地恢复作业区域的宽度，m。

3）“生态恢复”工艺环节设备数量的匹配关系。露天矿采、运、排环节设备数量的匹配关系，是通过合理车铲比、车线比或合理卸载点数指标衡量的。“生态恢复”与排土环节的匹配关系则是用生态恢复设备的数量来体现。一般露天矿生态恢复设备的作业量小于排土工作量，为使二者作业协调，生态恢复设备数量为IS：

式中：IS为生态恢复设备数量；KS为生态恢复设备匹配系数，取值≥1；FZ为露天矿年度土地恢复总面积，m2/a。

2 露天煤矿绿色开采工艺系统选择模型

2.1 绿色开采工艺系统分类

在露天煤矿开采设计中，为选择合理的开采工艺系统，首先，按露天煤田的赋存条件等因素将露天煤田分类，每一种类型的露天煤田确定适宜的开采工艺系统，为开采工艺的设计选择提供理论依据，对所选择的开采工艺系统是否合理，通过其合理性评价的方法进行判断[8，13-14]。

1）露天开采工艺系统的影响因素。针对露天煤矿而言，选择露天开采工艺的影响因素主要包括3个方面：露天煤田自然条件、露天开采工艺设备因素、开采设计要求。

2）露天煤矿绿色开采工艺系统分类。根据露天矿工艺系统分类原则，按主要工艺环节的设备类型、作业特点和生态恢复方式分为以下类型：①间断式开采-生态工程修复工艺；②间断式开采-生态植物修复工艺；③间断式开采-生态生物修复工艺；④间断式开采-生态综合修复工艺（工程、生物、植物组合）；⑤连续式开采-生态工程修复工艺；⑥连续式开采-生态植物修复工艺；⑦连续式开采-生态生物修复工艺；⑧连续式开采-生态综合修复工艺（工程、生物、植物组合）；⑨半连续式开采-生态工程修复工艺；⑩半连续式开采-生态植物修复工艺；1○半连续式开采-生态生物修复工艺；12○半连续式开采-生态综合修复工艺（工程、生物、植物组合）。

3）露天开采工艺系统的选择。由于露天矿的煤层、岩层、表土层的岩性不同，其适应的开采工艺也不同，所以，开采工艺设计时应对采煤、岩石剥离和表土剥离分别进行工艺选择。采煤工艺用Ci表示，剥离工艺用Bi表示，i=1，2，…，12。根据我国露天煤田的类型，及各种开采工艺系统的特点和适用条件，确定某种类型的露天煤田适宜的开采工艺系统。以中硬岩露天煤田为例，其适宜的开采工艺分别为：

表土剥离工艺={B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8}

岩石剥离工艺={B1，B2，B3，B4，B9，B10，B11，B12}

采煤工艺={C1，C2，C3，C4，C9，C10，C11，C12}

2.2 露天矿绿色开采工艺系统合理性评价

根据影响露天开采工艺的因素、各种开采工艺系统的适用条件，以及露天煤田的特征条件，确定露天开采工艺系统的评价指标体系为三级指标体系，共69 个评价指标[8-9]。通过对上述69 个三级评价指标进行模糊综合评判，得到不同开采工艺（Bi，Ci）对某个露天煤田的适应性指标，称之为“工艺适合度”，“工艺适合度”值大的工艺即为适合的开采工艺系统。

评价模型建立方法与步骤如下：

1）确定各种开采开采工艺系统的适用条件。

2）工艺评价指标体系的三级指标（x1～x69）量化处理。绿色开采工艺量化指标体系用向量U=｛［u1N,u1M］,［u2N,u2M］,［u3N,u3M］,… ［u69N,u69M］｝表示。［ukN,ukM］为三级指标，xk根据某种工艺适用条件确定的取值范围。将各评价指标Xk的取值［ukN,ukM］进行标准化处理，得到每种开采工艺系统的适用条件量化指标向量（实际为69 个三级指标取值范围的集合），即：

i=1，2，3，…，12，表示1～12 种剥离开采工艺

i=1，2，3，…，12，表示1～12 种采煤开采工艺。

3）计算被评价露天煤田的各个评价指标xk相对于某个开采工艺的隶属度μBi（xk），μCi（xk），按式（6）同理计算采煤工艺的μCi（xk）值。

4）确定各个评价指标的权重系数wk。权重系数向量W：

5）计算各开采工艺的“工艺适合度”RBi、RCi：

6）确定合理开采工艺系统。根据各种开采工艺的适合度值RBi、RCi，适合度值最大的开采工艺即为合理的开采工艺系统。剥离工艺Bi=Max{RB1，RB2，RB3，…}；采煤工艺Ci=Max{RC1，RC2，RC3，…}。若对某个露天煤田所采用的一种开采工艺系统进行适应性评价，用上述方法可得出该开采工艺系统的适合度指标值RB、RC，“工艺适合度”值为[0，1]之间的数，其“工艺适合度”评价标准为：

RB⊂[0.9，1.0]，表示被评价工艺完全适合于该露天煤田

RB⊂[0.8，0.9]，表示被评价工艺适合于该露天煤田

RB⊂[0.7，0.8]，表示被评价工艺比较适合于该露天煤田

RB⊂[0.6，0.7]，表示被评价工艺不太适合于该露天煤田

RB⊂[0.0，0.6]，表示被评价工艺不适合于该露天煤田。

2.3 应用实例

准格尔黑岱沟露天煤矿矿床赋存情况见表1。

表1 准格尔黑岱沟露天煤矿矿床赋存情况

利用上述开采工艺选择评价模型，对其可行的开采工艺系统进行评价，得出黑岱沟露天煤田的开采工艺的“工艺适合度”指标值RB、RC，其评价结果为：①表土开采工艺的“工艺适合度”为{RB4，RB8}={0.72，0.91}，RB8=0.91 最大，表土剥离适合“轮斗铲-胶带机开采工艺+生态综合修复工艺”；②岩石开采工艺的“ 工艺适合度” 为 {RB1，RB2，RB4}={0.80，0.86，0.92}，RB4=0.92 值最大，岩石剥离适合“单斗铲-汽车开采工艺+拉铲倒堆-抛掷爆破开采工艺+生态综合修复工艺”；③采煤开采工艺的“工艺适合度”为{RC9，RC10，RC11，RC12}={0.68，0.71，0.80，0.86}，RC12=0.86 值最大，采煤适合“单斗铲-工作面汽车-半固定式破碎站-胶带机开采工艺”。

3 结语

1）提出了将“生态恢复”作为主要工艺环节，与“矿岩准备、采装、运输、排卸”环节共同形成露天矿工艺系统。

2）构建了露天煤矿绿色开采工艺系统“生态恢复”工艺环节与其它环节的合理匹配关系数学模型。

3）将露天煤矿绿色开采工艺系统划分为12 种类型。

4）建立了露天煤矿绿色开采工艺系统选择与“工艺适合度”评价模型，并进行实例应用研究。