韓 勇，黃云龍，張子光，劉 闖，張東旭

（1.神華新疆能源有限公司 紅沙泉露天煤礦，新疆 昌吉831800；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000；3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京100029；4.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122;5.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

露天礦是一個(gè)以采掘?yàn)橹行模赃\(yùn)輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。生產(chǎn)計(jì)劃指標(biāo)和任務(wù)的完成，生產(chǎn)過(guò)程的組織、實(shí)施是通過(guò)采、運(yùn)、排，尤其是對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)配來(lái)進(jìn)行的[2]。運(yùn)輸系統(tǒng)是否合理直接影響著露天礦整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[3]。露天煤礦生產(chǎn)過(guò)程中剝離工程費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采煤工程的費(fèi)用，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的運(yùn)營(yíng)成本約占全礦年運(yùn)營(yíng)成本的40%，運(yùn)輸距離變長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量增加、能耗變大、年運(yùn)營(yíng)成本增多、經(jīng)濟(jì)效益變差[4]。

由于露天礦采剝工程量大，運(yùn)輸成本占生產(chǎn)總成本的比重較高，開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置合理與否，直接影響露天礦生產(chǎn)成本。因此，對(duì)露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化研究，對(duì)于提高露天礦生產(chǎn)效率，降低露天礦運(yùn)輸成本意義重大。

我國(guó)對(duì)露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化方面已取得了一些成果[5]，典型的有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)車兆學(xué)、才慶祥提出的“中間邁步式搭橋”開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的理論，解決了露天煤礦內(nèi)排時(shí)期下部水平開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題[6]；新疆工業(yè)高等專科學(xué)校陳亞軍教授提出了通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)建立坑內(nèi)運(yùn)煤傾斜運(yùn)輸溝道，對(duì)露天礦開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化[7]。目前，針對(duì)露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化，而針對(duì)露天礦外排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化研究很少。對(duì)由于外排運(yùn)距加大、設(shè)備運(yùn)行折返次數(shù)增多反映出來(lái)的外排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置不合理問(wèn)題研究不多。

在露天礦生產(chǎn)過(guò)程中，隨著采場(chǎng)深度的加大，采場(chǎng)剝離量增大，需要構(gòu)建外排出入溝，建立采場(chǎng)與外排土場(chǎng)的運(yùn)輸聯(lián)系。減少汽車在采場(chǎng)折返運(yùn)輸次數(shù)，降低外排運(yùn)距。因此，外排出入溝布置方式及參數(shù)設(shè)置對(duì)外排運(yùn)費(fèi)影響重大。

露天礦外排出入溝溝道深度一方面直接影響通過(guò)溝道的采剝工程量運(yùn)距，另一方面決定了外排出入溝的掘溝工程量。因此，研究了通過(guò)外排出入溝的采剝工程量運(yùn)距、外排出入溝掘溝工程量與溝道深度之間的關(guān)系，可確定經(jīng)濟(jì)合理的外排出入溝溝道深度，實(shí)現(xiàn)露天礦外排出入溝的優(yōu)化。

1 露天礦外排開拓溝道的設(shè)置

1．1 外排出入溝布置形式

露天礦開拓的目的是要開辟?gòu)牡孛娴礁鏖_采臺(tái)階的礦、巖運(yùn)輸通道，以建立采礦場(chǎng)與受礦站、排土場(chǎng)及工業(yè)場(chǎng)地的運(yùn)輸聯(lián)系，以滿足一定開采程序不同時(shí)期內(nèi)礦巖運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

一般來(lái)說(shuō)非水平煤田（主要指傾斜及急傾斜煤田）剝離量均較大，須進(jìn)行外排土，運(yùn)距較長(zhǎng)。為了縮短露天礦外排運(yùn)距，減少卡車運(yùn)行時(shí)的折返運(yùn)輸，需建立外排開拓溝道。

根據(jù)露天礦開拓坑線與開采境界或者采場(chǎng)邊幫的相對(duì)位置，可以將開拓坑線分為外部坑線（外部溝）和內(nèi)部坑線（內(nèi)部溝），鐵路坑線開拓系統(tǒng)縱向透視圖如圖1。ho以下坑線位于采場(chǎng)境界以內(nèi)，ho以上坑線位于采場(chǎng)境界外。前者為內(nèi)部坑線，后者為外部坑線[8]。

圖1 鐵路坑線開拓系統(tǒng)縱向透視圖

外部溝多見于鐵路開拓和公路開拓，與內(nèi)部溝相比，外部溝具有如下特點(diǎn)：①線路平直，不受礦體形狀影響；②外部溝運(yùn)距短；③減少卡車（列車）運(yùn)行折返次數(shù)，增加設(shè)備通行效率；④可能增加境界外溝道工程量。

分析上述特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，外部溝相對(duì)于內(nèi)部溝而言在線路形狀、運(yùn)距、設(shè)備通行效率方面均優(yōu)于內(nèi)部溝。因此露天礦外排出入溝采用外部溝的方式更加合理。

1．2 外部溝設(shè)置影響因素

1）外部溝類型。外部溝根據(jù)需要可以設(shè)置在非工作幫和工作幫上，當(dāng)設(shè)置在非工作幫時(shí)，為固定坑線外部溝。當(dāng)設(shè)置在工作幫時(shí)，為移動(dòng)坑線外部溝。一般來(lái)講，固定坑線外部溝的溝道工程量發(fā)生在開采境界以外，屬于純?cè)黾拥膭冸x量。工作幫未推進(jìn)至最終開采境界時(shí)，移動(dòng)坑線外部溝的溝道工程量位于采場(chǎng)外，僅發(fā)生的時(shí)間有所提前。當(dāng)工作幫接近最終開采境界時(shí)，繼續(xù)采用移動(dòng)坑線外部溝，則產(chǎn)生的溝道工程量亦位于開采境界之外，屬于純?cè)黾拥膭冸x量。

2）外部溝與礦巖排卸點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系。固定坑線外部溝與礦巖排卸點(diǎn)的位置相對(duì)固定，當(dāng)外部溝設(shè)置在采場(chǎng)與礦巖排卸點(diǎn)之間且溝道深度不變時(shí)，縮短的地面干線運(yùn)距不變；而移動(dòng)坑線外部溝位置隨工作幫推進(jìn)而變化，即使溝道深部不變，縮短的地面干線運(yùn)距也隨工作幫推進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化。

3）外部溝服務(wù)年限。固定坑線外部溝服務(wù)年限越長(zhǎng)，通過(guò)外部溝的礦巖量越大，則外部溝溝道深度可越大，反之，則溝道深度應(yīng)越?。灰苿?dòng)坑線外部溝的服務(wù)年限在影響通過(guò)外部溝的礦巖量的同時(shí)還影響地面干線運(yùn)距，因此對(duì)溝道深度的影響更為復(fù)雜。

2 固定坑線外部溝溝道深度優(yōu)化

2．1 經(jīng)濟(jì)合理的外部溝設(shè)置條件

對(duì)于采用固定坑線外部溝的鐵路開拓露天礦，境界內(nèi)采剝工程量越大，外部溝可以越深，而對(duì)于緩傾斜礦體的露天礦，受鐵路開拓溝道坡度較小1.5%~3%）的影響，外部溝溝道深度一般不超過(guò)地表以下2~3 個(gè)臺(tái)階。隨著露天采礦工藝的發(fā)展，公路開拓取代鐵路開拓，成為當(dāng)前露天開拓方式的主要選擇，公路開拓溝道限制坡度較大（8%），因此外部溝溝道合理深度的取值范圍更大。

研究表明，固定坑線外部溝道對(duì)于運(yùn)輸干線運(yùn)距的影響主要表現(xiàn)在2 個(gè)方面：①減少內(nèi)部溝的坑內(nèi)折返運(yùn)距和緩沖坡段運(yùn)距；②縮短地面干線運(yùn)距。因此當(dāng)固定坑線外部溝滿足式（1），即當(dāng)采用外部溝節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用大于等于溝道工程費(fèi)用時(shí)，設(shè)置外部溝在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

式中：Cy 為單位運(yùn)費(fèi)，元/（t·km）；△L 為內(nèi)部溝與外部溝平均運(yùn)距差值，km；Q 為經(jīng)出入溝的累計(jì)總運(yùn)量，t；Ck為溝道和擴(kuò)幫工程的單位費(fèi)用，元/m3；△V 為外部溝與內(nèi)部溝工程量差值，m3。

2.2 溝道深度優(yōu)化

對(duì)于公路開拓露天礦，內(nèi)部溝工程量可忽略不計(jì)，△V 即為外部溝工程量，溝道降深深度為N 個(gè)臺(tái)階的外部溝工程量△V 可按下式計(jì)算：

式中：h 為臺(tái)階高度，m；i0為道路限制坡度，（°）；d為道路緩坡段長(zhǎng)度，m；b 為道路寬度，m；α1為臺(tái)階坡面角，（°）；α2為溝道各水平道路中心線與外部溝中心線的夾角，（°）；M 為溝道深度為N 個(gè)臺(tái)階時(shí)的溝道臺(tái)階從下至上的編號(hào)，1＜M＜N-1；Df為非工作幫平盤寬度，m。

由式（2）可知，△V 隨外部溝溝道深度增加而增大，因此△V 可用1 個(gè)關(guān)于N 的函數(shù)表示：

同理，由于固定坑線外部溝節(jié)約的運(yùn)距△L 也隨外部溝溝道深度增加而增大，因此△L 也可用1個(gè)關(guān)于N 的函數(shù)表示：

則采用外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)與外部溝工程費(fèi)用之差為：

式中:FZ為采用外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)與外部溝工程費(fèi)用之差，元。

由以上分析可以得出FZ是關(guān)于外部溝臺(tái)階數(shù)N 的函數(shù)。對(duì)F 總求極值，則在N 可能的取值范圍內(nèi)，使得F 總最大的N 即為溝道合理臺(tái)階數(shù)，對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。以此可以對(duì)固定坑線經(jīng)濟(jì)合理的外部溝溝道深度進(jìn)行優(yōu)化確定。

3 移動(dòng)坑線外部溝溝道深度優(yōu)化

由于移動(dòng)坑線外部溝與礦巖排卸點(diǎn)的位置關(guān)系隨工作幫向前推進(jìn)而處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，因而采用外部溝節(jié)約運(yùn)距也處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。溝道合理深度與外部溝服務(wù)年限及各年度的運(yùn)距、通過(guò)外部溝的運(yùn)量有關(guān)，因此用式（1）確定的方法不再適用。

隨著工作幫的推進(jìn)，移動(dòng)坑線外部溝將會(huì)存在2 種狀態(tài)。移動(dòng)坑線外部溝的狀態(tài)如圖2。

圖2 移動(dòng)坑線外部溝的狀態(tài)

3.1 外部溝處于開采境界內(nèi)

由于固定坑線外部溝處于開采境界外，因此建立外部溝相當(dāng)于增加了額外的剝離工程量。與之相比，當(dāng)移動(dòng)坑線外部溝處于開采境界內(nèi)時(shí)，溝道工程量發(fā)生在開采境界內(nèi)，建立外部溝相當(dāng)于在工作幫進(jìn)行了超前剝離工作，因此其溝道工程費(fèi)用與溝道服務(wù)期限P 有關(guān)。另外，隨著采場(chǎng)工作幫推進(jìn)，外部溝相對(duì)于卸料點(diǎn)G 的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致外部溝相對(duì)于內(nèi)部溝節(jié)約的運(yùn)距也發(fā)生了變化。

外部溝處于開采境界內(nèi)時(shí)，外部溝的服務(wù)年限為外部溝到達(dá)開采境界所需要的時(shí)間，移動(dòng)坑線外部溝的合理臺(tái)階數(shù)N 按下式確定：

式中：P 為溝道服務(wù)年限，年；j 為正整數(shù)，1≤j＜P；Qj為第j 年通過(guò)溝道的運(yùn)量，t；FL（j，N）為第j 年外部溝節(jié)約的運(yùn)距，km；kh為投資回報(bào)率。

即在移動(dòng)坑線外部溝服務(wù)期限內(nèi)，使各年度通過(guò)外部溝節(jié)約運(yùn)費(fèi)的累計(jì)值與外部溝超前剝離費(fèi)用之差達(dá)到最大時(shí)的溝道臺(tái)階數(shù)N 最為合理，所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。以此可以確定移動(dòng)坑線外部溝處于開采境界內(nèi)時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)溝道深度。

3．2 外部溝處于開采境界外

對(duì)于移動(dòng)坑線外部溝而言，當(dāng)采場(chǎng)工作幫接近最終開采境界時(shí)，到界后的外部溝有2 種設(shè)置方案：①外部溝逐步靠幫到界，避免了增加額外的溝道工程量，但外部溝功能消失，無(wú)法繼續(xù)縮短外排運(yùn)距；②外部溝繼續(xù)隨工作幫推進(jìn)，外部溝可繼續(xù)使用，但外部溝處于開采境界外，需額外增加溝道工程量。因此，對(duì)處于開采境界外的外部溝而言，溝道的合理深度需要通過(guò)計(jì)算外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)和外部溝額外增加的工程費(fèi)用確定。在工作幫向前推進(jìn)的過(guò)程中，外部溝逐漸形成，直至采場(chǎng)工作幫到界時(shí)移動(dòng)坑線外部溝才最終形成，形成過(guò)程與固定坑線外部溝的形成過(guò)程恰恰相反。

外部溝處于開采境界外時(shí)，外部溝最終形成的時(shí)間為工作幫到界的所需的時(shí)間，移動(dòng)坑線外部溝合理臺(tái)階數(shù)N 根據(jù)下式確定：

式中：Dt為出入溝到界時(shí)采場(chǎng)工作幫最上臺(tái)階與開采境界的距離，m；vt為工作幫年推進(jìn)速度，m/a。

即從移動(dòng)坑線外部溝到界至工作幫到界的服務(wù)期限內(nèi)，使各年度通過(guò)外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)與外部溝額外增加的工程費(fèi)用之差累計(jì)值達(dá)到最大時(shí)的溝道臺(tái)階數(shù)N 最為合理，所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。以此可以確定移動(dòng)坑線外部溝處于開采境界外時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)溝道深度。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)外排出入溝設(shè)置方式進(jìn)行比較，結(jié)果表明：外排出入溝采用外部溝的形式更加合理。

2）研究了外部溝服務(wù)期限內(nèi)通過(guò)外部溝外排的采剝工程量及其運(yùn)距、外部溝掘溝工程量與外部溝溝道深度之間的關(guān)系，提出了外部溝溝道深度優(yōu)化的方法。

3）對(duì)固定坑線和移動(dòng)坑線外部溝溝道深度分別進(jìn)行了優(yōu)化確定。