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        露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)優(yōu)化及工藝環(huán)節(jié)匹配模型

        2020-11-03 07:42:48宋子嶺趙東洋張宇航
        露天采礦技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:露天煤礦煤田露天礦

        宋子嶺,趙東洋,張宇航

        (遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

        我國(guó)露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、青海、寧夏、云南等生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū),尤其以?xún)?nèi)蒙古、青海、新疆等地區(qū)的露天煤礦大都位于我國(guó)主要草原上,草原土地以沙地為主,其生態(tài)環(huán)境脆弱,一旦破壞后很難恢復(fù),且破壞的生態(tài)環(huán)境有自我擴(kuò)大的趨勢(shì)[1-2]。

        我國(guó)露天開(kāi)采設(shè)計(jì)主要采用原蘇聯(lián)露天礦設(shè)計(jì)理論,其設(shè)計(jì)原則是“工藝與開(kāi)采條件匹配;開(kāi)采方法與開(kāi)采條件匹配”,開(kāi)采方案目標(biāo)是“技術(shù)可行;經(jīng)濟(jì)合理;安全可靠”。在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下,露天開(kāi)采設(shè)計(jì)主要考慮露天開(kāi)采安全技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。其設(shè)計(jì)存在以下明顯的缺陷:①?zèng)]有考慮生態(tài)環(huán)境修復(fù)問(wèn)題;②形成先開(kāi)采、后治理環(huán)境被動(dòng)模式,從而引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如露天礦區(qū)土地占用和破壞的面積大,采場(chǎng)排水破壞地下水力平衡,礦區(qū)附近地下水位下降,煤炭或煤矸石自燃,產(chǎn)生有毒有害氣體與煙霧,汽車(chē)工藝消耗燃油,排放尾氣,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)產(chǎn)生粉塵和噪音。露天開(kāi)采引發(fā)固體、水和大氣綜合性污染和破壞。綠色開(kāi)采工藝是從根本上改善露天礦生態(tài)環(huán)境的有效措施,為此,提出了露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)構(gòu)成及其工藝選擇的方法,豐富露天開(kāi)采綠色開(kāi)采技術(shù)與理論[3-7]。

        1 露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)構(gòu)成

        1.1 內(nèi)涵界定

        露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)是在原有概念基礎(chǔ)上,加入“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)而形成的內(nèi)涵更加豐富的新工藝系統(tǒng)。露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)概念為“完成采掘、運(yùn)輸、排卸、生態(tài)恢復(fù)主要工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備和作業(yè)方式的總稱(chēng)”。工藝系統(tǒng)由采裝、運(yùn)輸、排卸、“生態(tài)恢復(fù)”4 個(gè)主要工藝環(huán)節(jié)構(gòu)成?!吧鷳B(tài)恢復(fù)”是綠色露天煤礦不能缺少的主要工藝環(huán)節(jié),加長(zhǎng)了露天煤礦工藝環(huán)節(jié)鏈,其主要作用是強(qiáng)制露天煤礦必須在做好環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)工作前提下進(jìn)行資源開(kāi)采[8-11]。

        “生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)配備專(zhuān)用的作業(yè)設(shè)備,擁有各工藝環(huán)節(jié)的作業(yè)方式、工藝參數(shù)、環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力等,與其它工藝環(huán)節(jié)必須合理匹配。

        1.2 各環(huán)節(jié)合理匹配關(guān)系

        1.2.1 “生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)的作用

        綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)由“礦巖準(zhǔn)備、采裝、運(yùn)輸、排卸、生態(tài)恢復(fù)”5 個(gè)工藝環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)主要是指露天礦土地恢復(fù)作業(yè)環(huán)節(jié)。

        “生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)起促進(jìn)與保護(hù)作用。其“保護(hù)作用”主要是對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù),“促進(jìn)作用”主要促使露天礦實(shí)施土地占用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,即露天礦利用排土場(chǎng)恢復(fù)的土地置換采場(chǎng)剝離所需要的土地,露天礦根據(jù)礦床賦存情況、地質(zhì)地形條件等確定建礦初期土地占用大小,用于露天礦采場(chǎng)基建、排土與維持正常剝采生產(chǎn)所需要的最小土地量,正常生產(chǎn)后以每3~5 年為1 個(gè)周期,露天采場(chǎng)與排土所需要的土地,用恢復(fù)并交付社會(huì)的土地?cái)?shù)量來(lái)等量置換[12]。

        1.2.2 “生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)與其它工藝環(huán)節(jié)的匹配關(guān)系

        露天礦綠色工藝系統(tǒng)中,各個(gè)工藝環(huán)節(jié)之間必須在“設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備數(shù)量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)組織管理”方面合理匹配。

        1)各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備類(lèi)型匹配關(guān)系。生態(tài)恢復(fù)設(shè)備類(lèi)型應(yīng)與采裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、排土設(shè)備的類(lèi)型相匹配,主要要與排土設(shè)備類(lèi)型相匹配。設(shè)備匹配一是設(shè)備類(lèi)型要相一致,盡量購(gòu)置與采裝、排土設(shè)備相同型號(hào)的生態(tài)修復(fù)設(shè)備;二是設(shè)備規(guī)格應(yīng)一致,大型采運(yùn)排設(shè)備配備大型的生態(tài)恢復(fù)設(shè)備。

        2)各工藝環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力匹配關(guān)系。為減小環(huán)節(jié)間的相互影響,使各工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備作業(yè)效率得以充分發(fā)揮,各環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力匹配原則為后續(xù)環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力大于等于前一環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力?!吧鷳B(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)與排土環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力匹配原則:“生態(tài)恢復(fù)”作業(yè)水平推度應(yīng)大于等于排土作業(yè)推進(jìn)度。內(nèi)排土場(chǎng)排土線(xiàn)的推進(jìn)度等于采場(chǎng)工作幫的推進(jìn)度。生態(tài)恢復(fù)環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力QS滿(mǎn)足:

        式中:QS為“生態(tài)恢復(fù)”環(huán)節(jié)總生產(chǎn)能力,m3/a;NS為土地恢復(fù)作業(yè)的工作面?zhèn)€數(shù);Qt為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的年生產(chǎn)能力,m3/(臺(tái)·a);vS為生態(tài)恢復(fù)環(huán)節(jié)作業(yè)水平推進(jìn)度,m/a;hS為土地恢復(fù)作業(yè)填方厚度或挖方深度平均值(填方取“+”、挖方取“-”),m;wS為土地恢復(fù)作業(yè)區(qū)域的寬度,m。

        3)“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量的匹配關(guān)系。露天礦采、運(yùn)、排環(huán)節(jié)設(shè)備數(shù)量的匹配關(guān)系,是通過(guò)合理車(chē)鏟比、車(chē)線(xiàn)比或合理卸載點(diǎn)數(shù)指標(biāo)衡量的。“生態(tài)恢復(fù)”與排土環(huán)節(jié)的匹配關(guān)系則是用生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的數(shù)量來(lái)體現(xiàn)。一般露天礦生態(tài)恢復(fù)設(shè)備的作業(yè)量小于排土工作量,為使二者作業(yè)協(xié)調(diào),生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量為IS:

        式中:IS為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備數(shù)量;KS為生態(tài)恢復(fù)設(shè)備匹配系數(shù),取值≥1;FZ為露天礦年度土地恢復(fù)總面積,m2/a。

        2 露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)選擇模型

        2.1 綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)分類(lèi)

        在露天煤礦開(kāi)采設(shè)計(jì)中,為選擇合理的開(kāi)采工藝系統(tǒng),首先,按露天煤田的賦存條件等因素將露天煤田分類(lèi),每一種類(lèi)型的露天煤田確定適宜的開(kāi)采工藝系統(tǒng),為開(kāi)采工藝的設(shè)計(jì)選擇提供理論依據(jù),對(duì)所選擇的開(kāi)采工藝系統(tǒng)是否合理,通過(guò)其合理性評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行判斷[8,13-14]。

        1)露天開(kāi)采工藝系統(tǒng)的影響因素。針對(duì)露天煤礦而言,選擇露天開(kāi)采工藝的影響因素主要包括3個(gè)方面:露天煤田自然條件、露天開(kāi)采工藝設(shè)備因素、開(kāi)采設(shè)計(jì)要求。

        2)露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)分類(lèi)。根據(jù)露天礦工藝系統(tǒng)分類(lèi)原則,按主要工藝環(huán)節(jié)的設(shè)備類(lèi)型、作業(yè)特點(diǎn)和生態(tài)恢復(fù)方式分為以下類(lèi)型:①間斷式開(kāi)采-生態(tài)工程修復(fù)工藝;②間斷式開(kāi)采-生態(tài)植物修復(fù)工藝;③間斷式開(kāi)采-生態(tài)生物修復(fù)工藝;④間斷式開(kāi)采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合);⑤連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)工程修復(fù)工藝;⑥連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)植物修復(fù)工藝;⑦連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)生物修復(fù)工藝;⑧連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合);⑨半連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)工程修復(fù)工藝;⑩半連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)植物修復(fù)工藝;1○半連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)生物修復(fù)工藝;12○半連續(xù)式開(kāi)采-生態(tài)綜合修復(fù)工藝(工程、生物、植物組合)。

        3)露天開(kāi)采工藝系統(tǒng)的選擇。由于露天礦的煤層、巖層、表土層的巖性不同,其適應(yīng)的開(kāi)采工藝也不同,所以,開(kāi)采工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)采煤、巖石剝離和表土剝離分別進(jìn)行工藝選擇。采煤工藝用Ci表示,剝離工藝用Bi表示,i=1,2,…,12。根據(jù)我國(guó)露天煤田的類(lèi)型,及各種開(kāi)采工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用條件,確定某種類(lèi)型的露天煤田適宜的開(kāi)采工藝系統(tǒng)。以中硬巖露天煤田為例,其適宜的開(kāi)采工藝分別為:

        表土剝離工藝={B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8}

        巖石剝離工藝={B1,B2,B3,B4,B9,B10,B11,B12}

        采煤工藝={C1,C2,C3,C4,C9,C10,C11,C12}

        2.2 露天礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)合理性評(píng)價(jià)

        根據(jù)影響露天開(kāi)采工藝的因素、各種開(kāi)采工藝系統(tǒng)的適用條件,以及露天煤田的特征條件,確定露天開(kāi)采工藝系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為三級(jí)指標(biāo)體系,共69 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-9]。通過(guò)對(duì)上述69 個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判,得到不同開(kāi)采工藝(Bi,Ci)對(duì)某個(gè)露天煤田的適應(yīng)性指標(biāo),稱(chēng)之為“工藝適合度”,“工藝適合度”值大的工藝即為適合的開(kāi)采工藝系統(tǒng)。

        評(píng)價(jià)模型建立方法與步驟如下:

        1)確定各種開(kāi)采開(kāi)采工藝系統(tǒng)的適用條件。

        2)工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的三級(jí)指標(biāo)(x1~x69)量化處理。綠色開(kāi)采工藝量化指標(biāo)體系用向量U={[u1N,u1M],[u2N,u2M],[u3N,u3M],… [u69N,u69M]}表示。[ukN,ukM]為三級(jí)指標(biāo),xk根據(jù)某種工藝適用條件確定的取值范圍。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)Xk的取值[ukN,ukM]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到每種開(kāi)采工藝系統(tǒng)的適用條件量化指標(biāo)向量(實(shí)際為69 個(gè)三級(jí)指標(biāo)取值范圍的集合),即:

        i=1,2,3,…,12,表示1~12 種剝離開(kāi)采工藝

        i=1,2,3,…,12,表示1~12 種采煤開(kāi)采工藝。

        3)計(jì)算被評(píng)價(jià)露天煤田的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)xk相對(duì)于某個(gè)開(kāi)采工藝的隸屬度μBi(xk),μCi(xk),按式(6)同理計(jì)算采煤工藝的μCi(xk)值。

        4)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)wk。權(quán)重系數(shù)向量W:

        5)計(jì)算各開(kāi)采工藝的“工藝適合度”RBi、RCi:

        6)確定合理開(kāi)采工藝系統(tǒng)。根據(jù)各種開(kāi)采工藝的適合度值RBi、RCi,適合度值最大的開(kāi)采工藝即為合理的開(kāi)采工藝系統(tǒng)。剝離工藝Bi=Max{RB1,RB2,RB3,…};采煤工藝Ci=Max{RC1,RC2,RC3,…}。若對(duì)某個(gè)露天煤田所采用的一種開(kāi)采工藝系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià),用上述方法可得出該開(kāi)采工藝系統(tǒng)的適合度指標(biāo)值RB、RC,“工藝適合度”值為[0,1]之間的數(shù),其“工藝適合度”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:

        RB?[0.9,1.0],表示被評(píng)價(jià)工藝完全適合于該露天煤田

        RB?[0.8,0.9],表示被評(píng)價(jià)工藝適合于該露天煤田

        RB?[0.7,0.8],表示被評(píng)價(jià)工藝比較適合于該露天煤田

        RB?[0.6,0.7],表示被評(píng)價(jià)工藝不太適合于該露天煤田

        RB?[0.0,0.6],表示被評(píng)價(jià)工藝不適合于該露天煤田。

        2.3 應(yīng)用實(shí)例

        準(zhǔn)格爾黑岱溝露天煤礦礦床賦存情況見(jiàn)表1。

        表1 準(zhǔn)格爾黑岱溝露天煤礦礦床賦存情況

        利用上述開(kāi)采工藝選擇評(píng)價(jià)模型,對(duì)其可行的開(kāi)采工藝系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),得出黑岱溝露天煤田的開(kāi)采工藝的“工藝適合度”指標(biāo)值RB、RC,其評(píng)價(jià)結(jié)果為:①表土開(kāi)采工藝的“工藝適合度”為{RB4,RB8}={0.72,0.91},RB8=0.91 最大,表土剝離適合“輪斗鏟-膠帶機(jī)開(kāi)采工藝+生態(tài)綜合修復(fù)工藝”;②巖石開(kāi)采工藝的“ 工藝適合度” 為 {RB1,RB2,RB4}={0.80,0.86,0.92},RB4=0.92 值最大,巖石剝離適合“單斗鏟-汽車(chē)開(kāi)采工藝+拉鏟倒堆-拋擲爆破開(kāi)采工藝+生態(tài)綜合修復(fù)工藝”;③采煤開(kāi)采工藝的“工藝適合度”為{RC9,RC10,RC11,RC12}={0.68,0.71,0.80,0.86},RC12=0.86 值最大,采煤適合“單斗鏟-工作面汽車(chē)-半固定式破碎站-膠帶機(jī)開(kāi)采工藝”。

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)提出了將“生態(tài)恢復(fù)”作為主要工藝環(huán)節(jié),與“礦巖準(zhǔn)備、采裝、運(yùn)輸、排卸”環(huán)節(jié)共同形成露天礦工藝系統(tǒng)。

        2)構(gòu)建了露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)“生態(tài)恢復(fù)”工藝環(huán)節(jié)與其它環(huán)節(jié)的合理匹配關(guān)系數(shù)學(xué)模型。

        3)將露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)劃分為12 種類(lèi)型。

        4)建立了露天煤礦綠色開(kāi)采工藝系統(tǒng)選擇與“工藝適合度”評(píng)價(jià)模型,并進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用研究。

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