郝文玉才慶祥張 磊彭 竹

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇省徐州市,221008; 2.神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒,026015; 3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽區(qū),100029)

★節(jié)能與環(huán)保★

生態(tài)復墾條件下大型露天煤礦表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃研究＊

郝文玉1,2才慶祥1張 磊3彭 竹3

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇省徐州市,221008; 2.神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒,026015; 3.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽區(qū),100029)

采用線性規(guī)劃對生態(tài)復墾條件下礦山表土資源的流量和流向進行最優(yōu)化控制,得出表土最優(yōu)調(diào)運量、調(diào)運周期和最佳停止時間,給出調(diào)運的實施辦法。建立了露天礦生產(chǎn)與生態(tài)重建良性循環(huán)模型,并評價了在勝利一號露天礦的實施效益情況。

生態(tài)復墾 露天煤礦 表土運輸 線性規(guī)劃

在大型露天煤礦,生態(tài)復墾已經(jīng)成為伴隨采礦設計而同步進行的一項重要規(guī)劃貫穿采礦生產(chǎn)活動的始終。在露天煤礦土地復墾工作的過程中,表土應成為支持復墾工程的重要資源。為解決土地復墾的土源問題,有些國家或企業(yè)在采礦工程動工之前,先把表層及亞表層土壤取走,并認真加以保存,待工程結束后再把它們放回原處。

1 研究重點

露天煤礦的礦、巖、土物流一般涉及多個裝載點和多個卸載點。針對這個特點,采用線性規(guī)劃對生態(tài)復墾條件下礦山表土資源的流量和流向進行最優(yōu)化控制。在表土調(diào)運線性規(guī)劃數(shù)學模型中,目標函數(shù)是追求生態(tài)復墾總費用最低,主要考慮表土的采裝費、運輸費和復墾工程費;約束條件中主要考慮表土采集量和復墾地點表土需要量。理論上來說,復墾客土的來源即表土采集點有多個,而土地復墾的地點也分布在排土場的不同高度和不同位置。假設露天礦表土采集點共m個,i是其中任意一個采集點;土地復墾點共n個,j是其中任意一個復墾點,建立露天煤礦土地復墾的表土運輸網(wǎng)絡如圖1所示。

圖1 露天煤礦土地復墾表土運輸網(wǎng)絡圖

剝離物的運輸占露天礦山總運輸量的大部分,運輸費用在礦山生產(chǎn)成本中是必不可少的而且其數(shù)額是非?？捎^的。而表土調(diào)運運輸問題作為一個多起點、多出口、多重點的復雜系統(tǒng),尋求合理的或者最優(yōu)的調(diào)運方案將能大大節(jié)省總的復墾費用,降低運輸成本。

2 生態(tài)復墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃模型

2.1 假設條件

(1)表土采集區(qū)供給的表土資源流與土地復墾區(qū)對表土的需求均是連續(xù)的,設表土采集指數(shù)是E,表土復墾指數(shù)是F,顯然,線性規(guī)劃中E>F。

(2)鑒于露天礦土地復墾的生產(chǎn)實際,即土地復墾區(qū)不可能停工待土,故存在一個最小允許表土儲存量,模型中設為B。

(3)考慮到露天礦土地復墾工作中龐大的表土需求量和表土供給工作的緩慢性,模型中將問題限制在表土調(diào)運補充周期較長的范疇,以天為單位,一旦需要調(diào)運表土,采集工程可立即開始。

(4)表土采集需要一定的生產(chǎn)周期,模型中設為T。

(5)在某一時刻表土資源的補充達到最大值,此時停止表土采集工程,此處設表土補充的最大值為M。

2.2 模型創(chuàng)建

在假設條件的基礎上,建立了生態(tài)復墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃模型,如圖2所示。

圖2 生態(tài)復墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃模型

公式為:

式中:I——表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃模型中生態(tài)復墾總投資費用,元;

I′——一個表土調(diào)運周期內(nèi)的平均生態(tài)復墾費用,元;

E——采掘區(qū)表土采集速度,m3/d;

F——土地復墾區(qū)表土鋪設速度,m3/d;

C1——表土的單位儲存費用,元/m3·d;

C2——無法立即提供表土的缺貨費用,元/

m3·d;

C3——表土的單位運輸費用,元/m3·km;

C4——表土的采裝費用,元/m3·d;

C5——表土的鋪設費用,元/m3·d;

D——表土的運輸距離,km;

T——一個表土采集周期,d;

t

0——表土最低儲存量對應的臨界時間,d。

整理得一個表土調(diào)運周期內(nèi)的平均生態(tài)復墾費用函數(shù):

函數(shù)中含兩個自變量T和t0,對于一個特定的礦山生產(chǎn)企業(yè)來說,短期內(nèi)其余各值(如采集費用、運輸費用、排土費用、鋪設費用、堆存費用、采集速度、鋪設速度、運輸距離等)均為常數(shù)。取導求函數(shù)極值:

求導后得出相應的表土優(yōu)化調(diào)運周期、經(jīng)濟調(diào)運批量和最佳停止時間等參數(shù)。

3 實例研究

勝利一號露天煤礦隸屬神華北電勝利能源有限公司,煤礦排土機排土場復墾區(qū)占地面積270.00 ha,排土機工作線設計排土高度70 m,設計邊坡角為18°。采掘場表土工作面剝離量參考礦方提供的《露天煤礦歷年生產(chǎn)統(tǒng)計資料匯編》,查歷年剝離完成情況明細表,取近年來剝離量年平均值5.76Mt/a,表土單位存儲費C1為0.05元/m3· d,表土的單位運費為1.30元/m3·km,露天礦采掘場至排土機排土場復墾工作線的表土調(diào)運運距D為2.30 km,表土運費C3D為4.68元/m3,單位表土的采裝費用C4取2.50元/m3·d,單位表土的鋪設費用C5為0.35元/m3·d,假定在8 a內(nèi)完成外排土場的覆土工作。

取礦山年有效工作時間為275 d,推導出最終結果:

式中:T＊——生態(tài)復墾條件下最優(yōu)表土調(diào)運周期,

d;

Q＊——表土的經(jīng)濟調(diào)運批量,m3;

t1

＊——表土調(diào)運的最佳停止時間,d。

把相關數(shù)據(jù)代入公式(4)、(5)、(6)中,得T＊=53.48 d,Q＊=119948.70 m3,t1＊=6.37 d。根據(jù)計算結果,勝利一號露天煤礦在生態(tài)復墾工作中,以1 a為計算期限,表土資源的最優(yōu)調(diào)運周期為54 d,表土調(diào)運的經(jīng)濟合理批量為12萬m3,停止表土調(diào)運的最佳時間在開始采集后的第7 d。

表土調(diào)運具體實施方法:在外排土場到期和采掘場內(nèi)排開始后形成的穩(wěn)定排土場地上鋪設一層平均厚度在1.5 m的表土,并分期分批實現(xiàn)保土、護坡、灌溉和人工植草等工作,力求在最短時間內(nèi)恢復露天礦生產(chǎn)過程中被破壞的地理和生態(tài)環(huán)境,尤其是地表水土和植被環(huán)境。

礦山開采與環(huán)境保護在經(jīng)濟上構成互相制約、互相競爭的關系。競爭雙方都力圖選擇對己方最有利或最合理的方案以取得最大的經(jīng)濟利益(或最小的經(jīng)濟投入)。作為一對相互聯(lián)系、相互影響的矛盾體,重建后的生態(tài)環(huán)境與礦產(chǎn)資源開發(fā)可望實現(xiàn)相互補充、相互促進、良性循環(huán)。露天礦生產(chǎn)與生態(tài)復墾良性循環(huán)生產(chǎn)鏈模型見圖3。

經(jīng)濟效益評價主要是對復墾后的礦山土地進行農(nóng)、林、牧、漁業(yè)等復墾方向的土地生產(chǎn)能力的評價,個別地方也可擴展到由于生態(tài)環(huán)境的改變而開展的旅游、餐飲等產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益評價。勝利露天煤礦復墾土地主要利用方向為牧草恢復用地、林果地和農(nóng)耕地。根據(jù)錫林郭勒地區(qū)農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn)水平和現(xiàn)行價格,對3個復墾方向作出的經(jīng)濟效益分析見表1。

圖3 露天礦生產(chǎn)與生態(tài)復墾良性循環(huán)生產(chǎn)鏈模型

表1 勝利一號露天煤礦復墾土地經(jīng)濟效益分析

生態(tài)復墾初期的環(huán)境效益首先體現(xiàn)在減輕自然災害上,如保護新造土地不遭溝蝕破壞與石化、沙化,減輕礦區(qū)下游洪澇災害與泥沙危害,減輕礦區(qū)風蝕與風沙危害,減輕滑坡、泥石流的危害等。破壞地復墾的中后期,可以具備生產(chǎn)性功能,其社會效益不僅體現(xiàn)在減輕自然災害上,而且已上升到促進社會進步的層面,如改善農(nóng)業(yè)基礎設施、解決剩余勞動力、提高勞動利用率、調(diào)整土地利用結構和農(nóng)村生產(chǎn)結構、緩解人地矛盾等。

4 結束語

表土優(yōu)化調(diào)運線性規(guī)劃的實施目的是把勝利一號露天煤礦建設成為綠色生態(tài)礦區(qū),并對緩解當?shù)毓まr(nóng)用地矛盾,帶動環(huán)境保護事業(yè)、促進礦區(qū)人口、生態(tài)、社會和諧發(fā)展起到積極作用。經(jīng)過土地重塑、土壤重構、植被恢復,既保證了耕地總量動態(tài)平衡,又重建了比原生態(tài)更好的生態(tài)系統(tǒng)。改善了礦山和地方政府、礦山和農(nóng)民的關系,提高了社會的穩(wěn)定性。

[1]孫鳳,袁中群,王曉峰.廢棄土地的林業(yè)復墾技術[M].鄭州:黃河水利出版社,2001

[2]付梅臣,陳秋計等.煤礦區(qū)生態(tài)復墾和預復墾中表土剝離及其工藝[J].西安科技學院學報,2004(6)

[3]車兆學,才慶祥.黑岱溝露天煤礦剝離黃土半連續(xù)工藝研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2004(11)

[4]彭竹,才慶祥,張磊等.灰色預測模型在露天礦生態(tài)重建投資中的應用[J].煤炭經(jīng)濟研究,2008(10)

Research on lineal plann ing of dispatch opt im ization of overburden of large surface coalm ines under ecological reclamation conditions

Hao wenyu1,2,CaiQingxiang1,Zhang Lei3,Peng Zhu3
(1.School ofMining Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China; 2.Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote,InnerMongolia 026015,China; 3.Information Research Institute,the State Administration ofWork Safety,ChaoyangDistrict,Beijing 100029,China)

Optimized control of flow volume and rate of overburden resourcesof surface mines under ecological reclamation conditions has been carried out by use of linear planning method.Opt imized dispatch volume,period and stop t ime have been obtained and execution provisions have been proposed for actual dispatch work.Models of sound circulation in between surface mine production and ecological reconstruction has been established and the economic result has been evaluated for implementing in Shengli No.1 SurfaceMine.

ecological reclamation,surface coalmine,overburden dispatch,linear planning

TD57

A

郝文玉(1971-),男,神華北電勝利能源有限公司運銷公司經(jīng)理、高級經(jīng)濟師、中國礦業(yè)大學在讀博士,主要研究方向為采礦工程。

(責任編輯 張艷華)

十一五國家科技支撐計劃項目(2006BAB16B00)。