碳约束下露天煤矿中间搭桥工作线长度变化趋势分析

＊刘震 刘晨阳

（1.山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司 山西 036500 2.中国矿业大学矿业工程学院 江苏 221116）

1.背景概述

露天煤矿工作线长度是影响露天煤矿生产能力、经济效益、环境效益以及采区划分的一个重要因素[1-3]，露天煤矿工作线长度的大小影响着煤矿企业生产中的采煤费用、剥离费用以及运输物料费用等综合成本费用的支出。

我国现代经济化体系方针是“节约优先、保护优先、自然恢复为主”。但当前国内大部分露天煤矿在开采生产的同时，也对环境造成一定程度的破坏。

目前国内露天矿开采工艺大多采用的是单斗—卡车间断工艺。其中，卡车采用柴油驱动，所以卡车在运行过程中产生的有害气体等会加剧温室效应，而这与卡车运距有直接联系。而卡车的运距与露天矿工作线长度和年推进强度有着的密切关系。因此，对露天矿工作线长度的合理设计能够有效减少汽车的剥离物内排运距，从而减少温室气体排放，达到满意的环境效益。

2.考虑碳约束的露天煤矿中间搭桥工作线长度模型

（1）经济合理工作线长度分析。露天煤矿的工作线长度是一个受多因素影响而变化的值，每一个露天矿都存在一个结合当前矿山的生产规模、市场经济波动变化、考虑环境约束等因素的工作线长度[4-5]。

露天矿经济合理剥采工作线长度[6]

式中：

H—剥离层厚度，m；β—端帮帮坡角，°；θ—煤层倾角，°；c1—穿孔爆破、采装、排土费，元/m³；c2—综合运费，元/（m³·km）；a—排弃线路系数，取a=0.5；b—排弃影响距离，取决于端帮运距km；ω—工作帮坡角，°；α—内排土场帮坡角，°；m—坑底安全距离，km；h—煤层厚度，m。

（2）技术可行性工作线长度。为方便生产管理，露天矿工作线长度应该随着煤矿生产规模的扩大进行相应扩大，在达到当前技术条件下的工作线长度要求下，为有利于生产管理和节省成本，工作线长度应该相应增加[7]。

技术可行工作线长度计算公式为：

式中：

A—生产规模，t/a；μ—技术上能够达到的推进度，km/a；h—煤层的平均开采厚度，m；γ—煤容重，t/m³；X—技术可行的采矿平均工作线长度，m。

（3）基于碳约束条件下中间搭桥工作线长度模型。为取得较好的环境效益，在碳约束条件下，以减少碳排放量为切入点，对减少的碳排放量公式进行分析，得到结论：通过降低卡车运输功，增加节省的运输功来增大减少的碳排放量，进而起到降低温室效应，减少碳排放量的作用。

减少的碳排放量：

式中：

△W0—搭桥前后节省的运输功，J；η0—柴油发动机转换率，取30%。

为了降低卡车运输对环境的影响，基于碳约束条件下，从降低卡车运距的角度出发，确定露天矿搭方案。

①搭单桥工作线长度模型

搭桥的目的是为了缩短内排运距，因此对露天矿实行内排搭桥时，应对搭桥的条件进行分析，确保露天矿的最短工作线满足搭桥相应的限制。

根据实际生产经验，在不考虑爆破的情况下，电铲服务的最短工作线应不低于500m。内排搭桥时，对于工作线的要求为：搭单桥运输内排运距小于双环内排运距，即：

当i=1时，即当内排搭桥时，桥面以上第一个台阶的内排运距等于双环内排运距时，工作线即为搭桥的最短工作线：

式中：

hb—剥离台阶高度，m；hp—排土台阶高度，m；L0—桥面水平的工作线长度，m；Hi—运距计算水平与桥面的相对高度，m；α1—一侧端帮稳定边坡角，°；α2—另一侧端帮稳定边坡角，°。

②搭双桥工作线长度模型

与内排搭单桥相似，露天矿内排搭双桥时，对于工作线的要求为：搭双桥运输内排运距小于双环内排运距，即：

当i=1时，化简可得：

③搭组合桥工作线长度模型

因此，中医上的观点是将气虚，血瘀和痰这几点作为VD的根本原因。发生痴呆的病人气血会变得虚弱，肾气也会减弱，然后大脑没有得到营养，最终就是痴呆。还有长期劳作、情绪方面的不好让身体里面的器官没办法正常运作，然后导致了淤血，肝气出现郁结，上火，心神就会失用，最终就是痴呆。因此，中医里面说要想把病给治好，首先就是脑腑。大脑如果正常工作，那么记性也就不会受到影响。“人之记性，皆在脑中”。

下部水平搭建扇形组合桥时，其工作帮侧桥体布置与内排搭单桥类似，因此搭建组合桥的最小工作线要求可参照内排搭单桥计算。

3.碳约束下河曲旧县露天矿工作线长度及变化实例分析

(1)河曲旧县露天矿工作线长度研究

河曲旧县露天矿田位于山西台地西北部，矿区所处煤田埋藏浅，煤层厚，煤质较好。13号煤为主采厚煤层。河曲露天煤矿剥离和采煤工艺均为单斗卡车间断工艺，年推进度约314m。由相关报告可知，河曲旧县露天矿采用中间搭双桥方案。在碳约束条件下，对搭桥方案进行工作线长度研究。

①经济合理工作线长度分析

代入河曲旧县露天矿具体数据得到剥离费用与工作线长度关系如下：

图1 剥离费用与工作线长度关系

从利于组织管理生产的立场出发，露天煤矿工作线长度应适当进行延长[8]。

②技术可行工作线长度计算公式为：

由表1河曲露天矿具体数据可得技术可行下平均工作线长度为：X=986m。

表1 河曲旧县露天煤矿开采参数

③碳约束下搭双桥最短工作线长度

由表1数据可知，河曲旧县露天矿一个排土台阶高度对应两个剥离台阶，此时桥面位置处的工作线长度应满足：

带入河曲旧县露天矿实际数据可得搭双桥最短工作线长度：

(2)河曲旧县露天矿未来工作线长度变化分析

工作线长短将影响中间搭桥的合理性和环境效益，因此有必要对河曲旧县露天矿未来一段时间的工作线长度进行研究，以确保中间搭桥方案的合理性以及环境效益。

对露天煤矿来说，煤层平均厚度是相对不变的，所以可以只考虑产能规模及推进度的影响，进一步分析产能规模及最优工作线长度[6]。

以河曲旧县露天矿13#主采煤层计算，结合前文所计算工作线要求，取工作线长度范围为900m、950m、1000m、1050m、1100m、1150m。根据生产经验取相应年推进度为314m/a、340m/a。

考虑到当前该露天煤矿首采区工作线长度为1000m，如果将工作线扩到1100m，推进度在340m/a，则其产能规模为9.66Mt/a。若要实现产能10Mt/a，依据表2计算结果可知，需要进行扩帮作业，工作线延长100～150m，达到1100～1150m，此时的推进度为340m/a。经分析可知，未来为了使河曲旧县露天矿既经济合理又能达到预期产能规模，综合多种因素并结合实际生产情况，未来应进行扩帮作业使工作线长度达到1150m左右[6]。同时对河曲旧县露天矿未来工作线长度进行汇总制表。

表2 工作线长度、推进度和产量之间关系分析表

不论是未来进行扩帮作业后的工作线长度还是未来三年内工作线平均长度均与现阶段基本保持一致，与目前的工作线长度相比变化幅度有限，所以未来搭桥前后节省的运输功ΔW0变化起伏不大，能够起到减少碳排放的作用。

图2 未来河曲旧县露天矿工作线长度变化趋势

4.结论与展望

(1)结论

本文在碳约束条件下分析减少的碳排放量数学模型，通过建立单斗—卡车运距模型，对工作线长度进行分析研究。为避免对环境造成过度伤害，结合研究内容，在环保条件约束下，在确保搭桥方案可行的前提下，尽最大限度通过改变工作线长度来降低河曲旧县露天矿搭桥后的卡车运距，节省运输功。

(2)展望

①全面树立节能是“第一能源”和“最大减排”的发展理念，提升能源系统综合效率。

②积极研发推动低碳新设备投入使用，降低露天矿开采设备的废气排放，减少含碳、含硫等有害气体的排放。

③在开采前对露天矿开采方案进行积极有效的研讨，如果发现不足不妥之处，要及时进行改进和修订。