并行露天矿内排开拓运输系统优化

Arifov Dehkanboy Sharofo'g'li，郭伟强，刘光伟

(辽宁工程技术大学 矿业学院， 辽宁 阜新市 123000)

0 引言

露天矿运输工作是整个矿山生产工艺过程中的重要环节，剥离物运输成本占总生产成本的一半以上，通过优化开拓运输系统来减少运输费用是降低露天矿生产成本的主要技术手段之一[1-6]。随着矿山工程的日益发展，相邻露天矿公共边帮压煤回采技术逐渐成熟，在回采边帮压煤后，两矿运输系统受阻，无法进行双环内排运输，运距增大，运输成本急剧增高，因此，对并行露天矿的内排运输系统进行优化研究具有重要意义。

诸多学者对相邻露天矿联合开采时，内排开拓运输系统的布置进行了研究。白润才等[7]提出相邻露天矿边帮压煤协调开采技术，在开拓运输系统布置时，将临时排土桥设于两矿采场中部，以构建双环内排运输系统。常治国等[8]针对工作线呈前后交错的并行开采相邻露天矿，提出了先行露天矿采用留沟内排，在留沟处构建临时排土桥连通端帮与内排土场开拓运输道路，以减少部分剥离物的内排运距。王忠鑫等[9]提出了在相邻露天矿“Z”型工作线追踪开采，在中间利用工作帮拐点及内排土场压帮建立排土桥，构建两矿双环内排运输系统。李成盛等[10]提出了相邻露天矿境界重叠区边帮压煤协调开采关键技术，以贯通采场、排土场，构筑采场至排土场临时运输排土桥，技术参数优化及工程位置协调控制措施开采端帮压煤，构建内排开拓运输系统，提高煤炭资源回采率。目前，许多学者多是关注于工作线呈“Z”字型前后交错并行的季节性剥离相邻露天矿协调开采公共端帮时的开拓运输系统布置，但露天矿本就复杂多变，对于两矿工作线位置相差距离较小，而且全年进行剥离作业的非季节性相邻露天矿协调开采时的内排开拓运输系统还未有系统的研究，因此，本次研究对于类似相邻露天矿的内排开拓运输系统构建具有重要的指导意义。

本文针对工作线位置距离接近的并行露天矿，联合开采公共端帮后，工作线全线拉直，采场、内排土场贯通，导致运输系统破坏、两矿无法进行双环运输、内排运距急剧增大的问题，提出在两矿采场和内排土场之间构建双排土桥，迈步式发展的方法，优化并行露天矿的内排运输系统。即：在两矿采空区位置构建两架排土桥连通采场与内排土场运输系统，发展过程中始终保持有一架排土桥处于提供运输道路状态，另一架排土桥处于修建或者拆除状态。

1 迈步式排土桥模型设置

1.1 双桥搭建和迈步式发展

相邻露天矿山公共端帮处煤量资源丰富，剥采比小，两矿实施协调开采技术开采公共端帮下部压煤，需破坏相邻端帮运输道路，两矿均由原来的双环内排变为单环内排，运距急剧增大，剥离成本明显升高，严重影响矿山生产接续[9-14]。相邻露天矿平行推进的过程中，若两矿推进速度不一致，工作线呈前后交错式，此时可采取在先行露天矿的内排土场上方建立临时排土桥，如图1所示。但对于两矿工作线前后间距较小或两矿工作线在一条直线上时，在先行露天矿内排土场无排土桥构建位置，此种方法将不再适用。

图1 内排留沟搭桥示意

排土桥的搭建方式分为单桥搭建、双桥搭建、混合桥搭建。季节性剥离露天矿由于冬季气候寒冷，冻土情况严重，剥离工作间接性开展，运输系统无需不间断畅通，在构建排土桥联通采场和排土场时根据各矿地质条件与开采工艺不同，大部分露天矿山选取单排土桥搭建方式[15]。但非季节性剥离露天矿需全年进行剥离工作，运输系统需始终保持畅通。根据上述存在的问题，提出搭建双桥，迈步式向前发展，以优化内排运输系统。

在构建排土桥时，排土桥位置和参数的选取将直接影响剥离物的运输距离和提升高度。因此，根据实际剥采工程位置的时空关系，合理优化排土桥参数来降低运输成本显得尤为重要[16]。

1.2 设置双桥节约的运输费用

大型近水平露天矿内排开拓运输系统通常采用单环或双环运输剥离物[17]。如图2所示，两矿未构建迈步式排土桥时，A矿单环内排的运距为：Lw=La+Ld。如图3所示，在构建迈步式排土桥后，A矿的双环内排运距，修建双排土桥后，A矿所节省的运距为，由于A矿与B矿内排运距计算公式相同，因此两矿共能节省运距，节省的运输总费用为：

图2 相邻露天矿无排土桥单环运输

图3 相邻露天矿布设排土桥双环运输

式中，La为A矿工作帮运距，km；Lb为B矿工作帮运距，km；Lz为两矿间排土桥间距，km；Cy为剥离物运输单价，元/(m3·km)；V0为两矿总年剥离量，Mm3；Fj为两矿共节省运输总费用，万元。

1.3 双排土桥位置

根据式（1）可知，双桥间距离越小，所节省的运输费用越多。因此，将双桥建于两矿原公共端帮处，能更好地服务于两矿，且双桥间距离保持最小，仅留设相应的安全距离。

1.4 排土桥模型及发展演变过程

非季节性剥离露天矿搭建的双排土桥随着剥离工程的发展变化，两矿地质条件和煤层储存条件相似，因此设置时使两桥模型保证一致。在两矿采场工作线开始剥离工作时，预先留设部分A排土桥（见图4），采场向前推进时，利用剥离物回填采空区，建立A排土桥运输道路。A排土桥建设过程中，两矿可经B排土桥进行双环运输，将剥离物排弃至内排土场。拆除 B排土桥，揭露B排土桥下部压煤，B排土桥运输道路中断，两矿可经A排土桥进行双环运输，将剥离物排弃至内排土场。综上所述，双桥将处于 B桥运输，A桥拆除、搭建—A桥运输，B桥拆除、搭建的动态循环演变过程中，如图4所示。

图4 排土桥发展演变过程

2 排土桥参数优化

排土桥的存在可使两矿都实现双环内排运输，但其参数的不同直接影响着两矿的经济效益。排土桥建设的高度由其台阶数量n决定，由于排土桥上部剥离平盘存在反向运输，台阶数量n与反向运输剥离量呈反比关系，与排土桥重复剥离量呈正比关系。因此，理论上能找到使重复剥离费用Fb与反向运输费用Fj之和F最小的n，即：

由于双桥是交替构建，因此，只计算单桥的重复剥离费用与反向运输费用，即可反映排土桥参数选取的条件。

2.1 重复剥离费用

排土桥在建设的过程中，桥下压覆了一定煤量，为采出桥下压覆煤炭资源，需对排土桥进行部分重复剥离，提高矿山煤炭资源回采率[18]，如图5所示。拆除单桥所产生的重复剥离量Qb(m3)，以及重复剥离费用Fb(元)：

图5 排土桥断面图

式中，Si为排土桥第i个台阶横截面积，m2；Bi为排土桥拆除部分第i个台阶长度，m；D0为排土桥顶部平盘宽度，m；α为采场工作帮坡角，（°）；β为排土场稳定帮坡角，（°）；θ为排土台阶坡面角，（°）；Hq为排土桥台阶高度，m；b为排土桥平盘宽度，m；Cb为二次剥离单价，元/m3。

令：

上式整理后得到一个关于台阶数量n的一元三次方程：

2.2 反向运输费用

反向运输即为排土桥上方剥离物经排土桥运输道路排弃至排土桥上方内排土场的过程[19]。

排土桥上部剥离物反向运输费用Ff（元）：

式中，Cf为剥离物反向提升单价费用，元/(m3·m)；V为经过单排土桥的剥离量，m3；H为采深，m。

2.3 排土桥最佳运输平盘数量

将式（4）和式（6）代入式（2）中，可得到因变量F关于自变量n的一元三次方程，对F求导可得：

令F′=0，n的取值范围在（0，H/Hq），根据露天矿实际情况，理论上存在最佳排土桥运输平盘数量n，使得排土桥重复剥离费用与反向运输费用最小[20]。

3 案例分析

假设有某并行露天矿甲矿和乙矿，两矿全年进行剥离作业。甲矿工作线长度为1.8 km，乙矿工作线长度为1.5 km。在协调开采公共端帮后，为重新搭建两矿内排运输系统，运用上述方法将两矿工作线全线拉直，采场、排土场贯通，构建双排土桥迈步式向前发展，对内排运输系统进行优化，实现两矿双环运输。具体施工参数与两矿实施联合开采当年的剥、采、排工程计划安排见表1。

表1 相邻露天矿施工参数

将表1参数代入式（1）中，计算可得两矿共节省运输费用Fj=19500万元。将表1参数代入式（5）～式（6）中绘制函数图像，如图6所示。由图6可知，当排土桥台阶数量计算结果n=2时，重复剥离费用与反向运输费用总和F最小，minF=7200万元。乙矿经排土桥运输量为28 Mm3，其他参数与甲矿一致，则乙矿重复剥离费用与反向运输费用总和为6200万元。由此可见，甲、乙并行露天矿修筑迈步式排土桥的重复剥离费用与反向运输费用的总和小于节约的运输费用，两矿共节约成本6100万元，因此修筑迈步式排土桥经济效益显著。

图6 单排土桥F、Ff、Fb函数关系

4 结论

（1）对于全年进行剥离、协同开采公共端帮的并行露天矿，通过贯通采场、内排土场工作线，在两矿采空区中构建双排土桥，迈步式向前发展，优化两矿内排开拓运输系统，以缩短运距、降低生产成本。

（2）建立两矿运距数学模型，确定排土桥最佳位置为公共端帮处，并且双桥间距离越小越节省运距。以修筑排土桥产生的重复剥离费用与反向运输费用之和最小为目标，建立数学模型，确定最优排土桥的建设台阶数量。

（3）通过对案例进行分析，确定排土桥的最佳台阶数量为 2。比较两矿节省的运输费用与排土桥重复剥离与反向运输费用总和之间的关系，可知构建双桥能节省两矿成本 6100万元，经济效益显著，此方法合理。