曹蘭柱，林 木，丁春健

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.國(guó)家能源平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

露天煤礦的工作線長(zhǎng)度的大小影響著煤礦企業(yè)生產(chǎn)中的采煤費(fèi)用、剝離費(fèi)用以及運(yùn)輸物料費(fèi)用等綜合成本費(fèi)用的支出。一般而言，對(duì)于同一露天煤礦，當(dāng)露天煤礦所運(yùn)用的開(kāi)采工藝和開(kāi)采程序等其他條件不變時(shí)，隨著工作線長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)的增長(zhǎng)，端幫所產(chǎn)生的剝離工程量占整個(gè)露天礦總剝離工程量的比重就相應(yīng)降低，隨之而來(lái)的是該露天礦的生產(chǎn)剝采比也相應(yīng)的有所減少，年采掘排棄的費(fèi)用也同樣隨之有所縮減，但運(yùn)輸費(fèi)用會(huì)隨著工作長(zhǎng)度增大而增加；反之，隨著工作線長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)相應(yīng)縮短，端幫所產(chǎn)生的剝離工程量占整個(gè)露天礦總剝離工程量的比重就增加，隨之而來(lái)的是生產(chǎn)剝采比也相應(yīng)的變大，采掘排棄的費(fèi)用將有所增大，與此同時(shí)運(yùn)輸費(fèi)用會(huì)隨著工作長(zhǎng)度縮短而減小。因此，在其他同等條件下，如礦區(qū)的地質(zhì)賦存條件、生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)采程序和開(kāi)采工藝不變的條件下，理應(yīng)存在一個(gè)合理的工作線長(zhǎng)度，用以確保露天煤礦的經(jīng)濟(jì)效益最好，即煤礦年生產(chǎn)成本中采剝工程費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用最低。

1 露天礦概況

元寶山露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市境內(nèi)，2019年經(jīng)國(guó)家發(fā)改委審核批準(zhǔn)該煤礦年生產(chǎn)能力由8.00 Mt/a核增至12.00 Mt/a，該露天煤礦采用連續(xù)生產(chǎn)工藝與半連續(xù)生產(chǎn)工藝相結(jié)合的綜合開(kāi)采工藝，露天煤礦上部表土第四系砂礫采用輪斗挖掘機(jī)-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)的連續(xù)開(kāi)采工藝，含煤、巖層地層采用單斗挖掘機(jī)-自卸卡車(chē)-半移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝[1]。礦區(qū)主要含3個(gè)可采煤層，其中5＃、6＃2個(gè)煤層是露天煤礦的主采煤層，7＃煤以上煤層為改露天煤礦的開(kāi)采煤層。露天煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備輪斗挖掘機(jī)2臺(tái)，半固定式破碎站5座，履帶式排土機(jī)3臺(tái)，12 m3的單斗挖掘機(jī)8臺(tái)，91 t礦用自卸卡車(chē)34臺(tái)，6 m3以上大型液壓反鏟2臺(tái)，其他礦用工程設(shè)備及車(chē)輛約為100臺(tái)[2]。

2 合理工作線長(zhǎng)度

2.1 合理工作線長(zhǎng)度確定原則

露天煤礦的工作線長(zhǎng)度是一個(gè)受多因素影響而變化的值，每一個(gè)露天礦都存在一個(gè)在結(jié)合當(dāng)前礦山的生產(chǎn)規(guī)模、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)波動(dòng)變化、礦區(qū)勘探程度等因素的合理工作線長(zhǎng)度，當(dāng)影響因素變化時(shí)，應(yīng)對(duì)工作線進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓c調(diào)整。在優(yōu)化露天礦工作線長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)與技術(shù)這2大方面做充分的考慮，以得到工作線長(zhǎng)度的最合理值。因此，在對(duì)某一露天煤礦的工作線長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，除了考慮不影響露天礦開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置，還應(yīng)充分考慮到足夠的工作長(zhǎng)度用以確保采掘設(shè)備作業(yè)空間及作業(yè)設(shè)備數(shù)量趨于穩(wěn)定，且采掘場(chǎng)內(nèi)每個(gè)工作線長(zhǎng)度應(yīng)盡量保持一致，在確保露天煤礦安全生產(chǎn)的前提下確保能滿足其生產(chǎn)能力的要求，并且減少采區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)載次數(shù)，以避免開(kāi)采過(guò)程中的二次倒運(yùn)量的產(chǎn)生[3]。

2.2 正常推進(jìn)時(shí)期合理采煤工作線長(zhǎng)度

元寶山露天煤礦煤層地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 元寶山露天煤礦煤層地質(zhì)參數(shù)

我國(guó)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中，建議采用單斗挖掘機(jī)-自卸卡車(chē)-半移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝開(kāi)采的露天礦年推進(jìn)度應(yīng)小于400 m[4]。結(jié)合元寶山露天礦年生產(chǎn)規(guī)模和礦區(qū)煤層賦存條件，單斗挖掘機(jī)-自卸卡車(chē)-半移動(dòng)式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開(kāi)采工藝年推進(jìn)度應(yīng)為300～400 m[5]。按此計(jì)算露天礦的采煤工作線長(zhǎng)度應(yīng)為：

式中：Lg為采煤工作線長(zhǎng)度，m；Ap為煤炭產(chǎn)量，t/a；νH為水平推進(jìn)速度，m/a；h5、h6、h7為5＃、6＃、7＃煤層厚度；ρ5、ρ6、ρ7為5＃、6＃、7＃煤層密度；η5、η6、η7為5＃、6＃、7＃煤層回采率。

令Lg1、Lg2為水平推進(jìn)速度νH1=300 m/a和νH2=400 m/a下所對(duì)應(yīng)的工作線長(zhǎng)度,則元寶山露天煤開(kāi)采5＃、6＃、7＃煤層時(shí)，采煤工作線長(zhǎng)度分別為：Lg1=490 m，Lg2=370 m。

2.3 正常推進(jìn)時(shí)期合理剝離工作線長(zhǎng)度

正常推進(jìn)時(shí)期合理的剝離工作線長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合運(yùn)輸距離的變化，還要平衡因端幫剝離量變化所導(dǎo)致煤礦在開(kāi)采過(guò)程中生產(chǎn)采剝比的變化，這些因素都影響了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益變化。如工作線長(zhǎng)度減小，雖運(yùn)距有所縮減，但生產(chǎn)采剝比有所增加；反之，工作線長(zhǎng)度相應(yīng)增加，雖降低了某一時(shí)期的生產(chǎn)采剝比，但運(yùn)距又有所增大[6]。因此，合理的工作線長(zhǎng)度既不能過(guò)大也不能過(guò)小，經(jīng)濟(jì)合理的工作線應(yīng)是在其它影響因素不變的前提下，使剝離所生成的費(fèi)用最低的長(zhǎng)度。

開(kāi)采5＃、6＃、7＃煤組時(shí)，年剝離量V與工作線長(zhǎng)度Lg的關(guān)系如下式：

則對(duì)于年產(chǎn)煤量Ap有：

于是生產(chǎn)剝采比n為：

式中：Vg為開(kāi)采該煤組的剝離量，m3；H為剝離物平均厚度，m；α 為兩端幫坡角，(°)；νH為水平推進(jìn)速度，m/a；h為可采煤層厚度，m；ρ 為平均煤的密度，t/m3；η 為煤層的回采率，%；n為生產(chǎn)剝采比，m3/t。式（4）由2部分組成，其中是剝離量與采煤量的比值，稱為整剝采比，其值在某一露天煤礦通常是一個(gè)固定值，而則是由端幫剝離量的變化而引起的生產(chǎn)剝采比的增加，其數(shù)值與工作線長(zhǎng)度成反比。因此，整剝采比是生產(chǎn)剝采比的最小值，由于端幫剝離量的存在，實(shí)際的生產(chǎn)剝采比往往要大于該固定值，因此可以通過(guò)增加工作線長(zhǎng)度的方法來(lái)減小生產(chǎn)剝采比[7]。

2.4 產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行確定合理工作線長(zhǎng)度

確定合理的工作線長(zhǎng)度除應(yīng)匹配露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模的大小以及符合露天煤礦開(kāi)采技術(shù)的可行性，還應(yīng)該綜合考慮礦山的年推進(jìn)度，礦田的地質(zhì)賦存條件、開(kāi)采工藝水平、工程裝備性能等多方面、多角度綜合分析來(lái)加以綜合確定。

當(dāng)某一露天煤礦的開(kāi)采工藝和年推進(jìn)度確定后，為達(dá)到露天煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的要求，當(dāng)開(kāi)采厚煤層時(shí)，工作線長(zhǎng)度可在一定程度上縮減，反之當(dāng)開(kāi)采薄煤層時(shí)，工作線長(zhǎng)度可相應(yīng)增長(zhǎng)；另一方面由于剝離臺(tái)階數(shù)量及工程設(shè)備的采裝能力對(duì)推進(jìn)速度影響較大，還需充分考慮臺(tái)階數(shù)量及相關(guān)剝離設(shè)備能力是否可以保證必要的推進(jìn)速度，以確保開(kāi)拓煤量，最終實(shí)現(xiàn)露天煤礦所要求的生產(chǎn)能力[8]。鑒于以上因素影響，在生產(chǎn)實(shí)際中常依據(jù)煤層厚度及相關(guān)設(shè)備采裝能力的年推進(jìn)度來(lái)確定露天煤礦工作線長(zhǎng)度的合理值。當(dāng)然，也可根據(jù)合理工作線長(zhǎng)度來(lái)反推需要保證的年剝離推進(jìn)度，再依據(jù)剝離推進(jìn)度不小于采煤推進(jìn)度的要求來(lái)驗(yàn)證露天煤礦剝離能力是否符合要求。產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行工作線長(zhǎng)度Lg為：

式中：ν 為露天煤礦推進(jìn)度，m/a。

對(duì)某些特定的水平或近水平煤層的露天煤礦來(lái)說(shuō)，煤層平均厚度可以在理論上可以認(rèn)為是不變的，這種條件下只需考慮露天煤礦的生產(chǎn)能力及推進(jìn)度的影響。為了進(jìn)一步分析元寶山露天煤礦產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)可行工作線長(zhǎng)度的最優(yōu)值，以元寶山露天煤礦主采煤層5＃、6＃、7＃煤為計(jì)算主體。我國(guó)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中，建議采用半連續(xù)生產(chǎn)工藝的露天礦年推進(jìn)度應(yīng)小于400 m，依據(jù)上述分析所得相應(yīng)的推進(jìn)度分別取300 m/a及400 m/a這2個(gè)值，經(jīng)濟(jì)合理工作線長(zhǎng)度應(yīng)分別為370、390、410、430、450、470、490 m，元寶山露天煤不用推進(jìn)度和工作線長(zhǎng)度下的生產(chǎn)能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 元寶山露天煤不用推進(jìn)度和工作線長(zhǎng)度下的生產(chǎn)能力

當(dāng)工作線長(zhǎng)度在390～410 m、以400 m/a作為年推進(jìn)度時(shí)，元寶山露天煤礦的生產(chǎn)能力可以達(dá)到12.1～12.4 Mt/a，即可保證12.00 Mt/a的設(shè)計(jì)的生產(chǎn)規(guī)模。綜上分析可知，為保證元寶山露天煤礦既能保證經(jīng)濟(jì)上合理又能達(dá)到預(yù)期生產(chǎn)規(guī)模的大小等的要求，同時(shí)綜合其他多種因素并結(jié)合元寶山露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，最終選取410 m作為元寶山露天煤礦的合理工作線長(zhǎng)度，將此工作線、長(zhǎng)度值代入式（4）可得出相應(yīng)的生產(chǎn)剝采比為6.38 m3/t，符合經(jīng)濟(jì)上對(duì)剝采比的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

元寶山露天煤礦12.00 Mt/a的生產(chǎn)能力，采場(chǎng)的推進(jìn)度應(yīng)維持在400 m/a，合理的工作線長(zhǎng)度達(dá)到410 m時(shí)，可確保煤礦企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)量規(guī)模。在設(shè)計(jì)露天煤礦和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采中合理的工作線長(zhǎng)度，不但可以有效降低露天煤礦企業(yè)的年采剝成本和運(yùn)輸費(fèi)用等生產(chǎn)成本的支出，并且可以有效提升露天煤礦的生產(chǎn)規(guī)模的大小，進(jìn)而使得煤礦企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)效益。