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        露天礦相鄰采區(qū)間先壓幫后留溝內(nèi)排方式研究

        2021-01-05 00:37:54白潤(rùn)才郭偉強(qiáng)劉光偉李浩然徐晉文
        露天采礦技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:全壓運(yùn)距雙翼

        白潤(rùn)才,郭偉強(qiáng),劉光偉,李浩然,徐晉文

        (1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心,遼寧阜新 123000)

        我國(guó)大型露天礦為了使建設(shè)初期乃至露天礦的整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),通常采用分區(qū)開采。相鄰采區(qū)間合理壓幫內(nèi)排方式的選擇就顯得尤為重要,方式選擇不得當(dāng),則會(huì)嚴(yán)重影響剝離物運(yùn)距、運(yùn)輸成本、內(nèi)排空間、剝采排工程的接續(xù)[1-4]。

        壓幫為露天礦相鄰采區(qū)間公共端幫處與內(nèi)排土場(chǎng)之間進(jìn)行內(nèi)排。露天礦內(nèi)排方式根據(jù)壓幫程度主要有全壓幫、半壓幫和全留溝3 種方式。全壓幫是指壓幫高度與開采深度相同,其特點(diǎn)是卡車可進(jìn)行雙翼內(nèi)排,減小運(yùn)距,節(jié)省運(yùn)輸成本,最大限度的釋放內(nèi)排空間,但二次剝離量多,導(dǎo)致剝離費(fèi)用高;壓幫高度小于開采深度時(shí)為半壓幫,其特點(diǎn)是有重復(fù)剝離量,部分卡車進(jìn)行雙翼內(nèi)排,部分卡車進(jìn)行單翼內(nèi)排。壓幫高度等于0 時(shí)為全留溝,其特點(diǎn)是完全無(wú)重復(fù)剝離,但卡車只能進(jìn)行單環(huán)內(nèi)排,運(yùn)距增大,且對(duì)相鄰的采區(qū)而言,也無(wú)法進(jìn)行雙翼內(nèi)排,運(yùn)輸成本提高,內(nèi)排空間利用不充分。

        國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)露天礦內(nèi)排留溝與壓幫問題的研究不是很多。顧正洪等[5]分析了壓幫高度與各技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并運(yùn)用相關(guān)費(fèi)用最小法,得出了最佳壓幫高度在不同條件下的取值范圍;劉光偉等[6]采用費(fèi)用補(bǔ)償法確定了最優(yōu)的壓幫高度,并運(yùn)用最小重復(fù)剝采比確定了最優(yōu)的重復(fù)剝離深度;周偉等[7]推導(dǎo)出了計(jì)算最佳壓幫高度的公式,并分析了最佳內(nèi)排壓幫高度的影響因素;趙俊等[8]建立了全壓幫和半壓幫內(nèi)排條件下的重復(fù)剝離計(jì)算公式和留溝深度的數(shù)學(xué)模型。

        綜合上訴分析,專家學(xué)者大多對(duì)內(nèi)排壓幫高度和重復(fù)剝離深度進(jìn)行了優(yōu)化研究,對(duì)于內(nèi)排壓幫方式研究甚少。針對(duì)上述問題,通過(guò)對(duì)露天礦相鄰采區(qū)間內(nèi)排壓幫方式進(jìn)行分析,提出了先壓幫后留溝的內(nèi)排方式,該內(nèi)排方式結(jié)合全壓幫與全留溝二者的優(yōu)點(diǎn),相比全壓幫減少二次剝離費(fèi)用,相比全留溝減少了運(yùn)輸費(fèi)用。具體為內(nèi)排初期先進(jìn)行全壓幫內(nèi)排,內(nèi)排土場(chǎng)發(fā)展到一定位置時(shí)再進(jìn)行全留溝,采用費(fèi)用補(bǔ)償法,證實(shí)了該方法的經(jīng)濟(jì)合理性,并確定了最優(yōu)壓幫位置。

        1 內(nèi)排運(yùn)距

        露天礦卡車內(nèi)排時(shí)有2 種運(yùn)輸方式,分別為單翼內(nèi)排和雙翼內(nèi)排。將先壓幫后留溝內(nèi)排方式分為2 個(gè)時(shí)期,分別為壓幫期和留溝期。在壓幫期進(jìn)行的運(yùn)輸方式為雙翼內(nèi)排,在留溝期由于相鄰采區(qū)公共端幫可以使用,仍然能進(jìn)行一段時(shí)期雙翼內(nèi)排。由于內(nèi)排土場(chǎng)不斷發(fā)展,留溝長(zhǎng)度越來(lái)越大,當(dāng)雙翼內(nèi)排運(yùn)距大于單翼內(nèi)排運(yùn)距時(shí),運(yùn)輸方式改變?yōu)閱我韮?nèi)排。先壓幫后留溝內(nèi)排運(yùn)距示意圖如圖1。對(duì)留溝期雙翼內(nèi)排轉(zhuǎn)為單翼內(nèi)排的條件進(jìn)行分析。采用數(shù)學(xué)期望法對(duì)運(yùn)距進(jìn)行計(jì)算,即在同一水平下,最長(zhǎng)運(yùn)距與最短運(yùn)距的平均值為該水平的內(nèi)排運(yùn)距[9]。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,取運(yùn)輸重心,并假設(shè)采場(chǎng)工作線和剝離工作線相等。

        圖1 先壓幫后留溝內(nèi)排運(yùn)距示意圖

        1.1 壓幫期內(nèi)排運(yùn)距計(jì)算

        壓幫期內(nèi)排時(shí),相鄰采區(qū)公共邊幫處能用于卡車運(yùn)輸,采用雙翼內(nèi)排可縮短運(yùn)距,雙翼內(nèi)排(壓幫期)如圖1(a)。最長(zhǎng)運(yùn)距(圖中I→A→D→F)和最短運(yùn)距(圖中A→D)的平均值為壓幫期的雙翼內(nèi)排運(yùn)距:

        式中:L′s 為雙翼內(nèi)排運(yùn)距,m;L0為采掘或內(nèi)排工作線長(zhǎng)度,m;H 為采深,m;a 為采場(chǎng)與內(nèi)排土場(chǎng)的坡底距離,m;α 為采掘工作幫坡角,(°);β 為內(nèi)排工作幫坡角,(°);γ 為端幫(實(shí)方)幫坡角,(°)。

        1.2 留溝期內(nèi)排運(yùn)距計(jì)算

        留溝期內(nèi)排分為雙翼內(nèi)排和單翼內(nèi)排。因此,需分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

        1)雙翼內(nèi)排運(yùn)距。雙翼內(nèi)排(留溝期)如圖1(b)。最長(zhǎng)運(yùn)距(圖中J→B→C→D→E)和最短運(yùn)距(圖中A→G)的平均值即為留溝初期的雙翼內(nèi)排運(yùn)距LS:

        式中:Ls 為雙翼內(nèi)排運(yùn)距,m;b 為雙翼內(nèi)排留溝期留溝長(zhǎng)度,m。

        2)單翼內(nèi)排運(yùn)距計(jì)算。單翼內(nèi)排(留溝期)如圖1(c)。最長(zhǎng)運(yùn)距(圖中B→A→D→C)和最短運(yùn)距(圖中A→D)的平均值為留溝期的單翼內(nèi)排運(yùn)距LD:

        式中:LD為單翼內(nèi)排運(yùn)距,m;c 為留溝寬度,m。

        當(dāng)留溝期雙翼內(nèi)排運(yùn)距大于單翼內(nèi)排運(yùn)距時(shí),即LS-LD≥0,整理得:

        由式(4)可以得出,影響留溝期內(nèi)排運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變的變量為留溝長(zhǎng)度。當(dāng)留溝長(zhǎng)度大于1 個(gè)定值時(shí)運(yùn)輸方式由雙翼內(nèi)排轉(zhuǎn)變?yōu)閱我韮?nèi)排,此定值由工作線長(zhǎng)度、留溝寬度、采深和內(nèi)排工作幫坡腳共同決定。所以,各露天煤礦需根據(jù)其各項(xiàng)開采參數(shù)計(jì)算求得該礦的最優(yōu)運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變工程節(jié)點(diǎn)。

        2 壓幫轉(zhuǎn)留溝位置確定

        受多種因素影響,大部分露天礦山都面臨著排土空間嚴(yán)重緊張的問題[10-11]。因此我國(guó)大部分露天礦山很少采用全留溝內(nèi)排方式。將比較全壓幫與先壓幫后留溝兩種內(nèi)排方式。將相鄰2 個(gè)采區(qū)命名為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。采用費(fèi)用補(bǔ)償法,先壓幫后留溝方式相對(duì)于全壓幫方式Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)增加的運(yùn)輸費(fèi)用與Ⅱ區(qū)減少的重復(fù)剝離費(fèi)用和重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用進(jìn)行綜合比較,以此確定先壓幫后留溝的經(jīng)濟(jì)合理可行性。取采區(qū)重心,則采區(qū)長(zhǎng)度為D,m,壓幫長(zhǎng)度為X,m;垂直于工作線方向剖面示意圖如圖2。

        圖2 垂直于工作線方向剖面示意圖

        在先壓幫后留溝內(nèi)排方式可行的基礎(chǔ)上,隨著壓幫長(zhǎng)度X 的不斷變化,增加的運(yùn)輸費(fèi)用和減少的重復(fù)剝離費(fèi)用都會(huì)依次隨之改變,那么合理的壓幫位置直接影響露天礦先壓幫后留溝內(nèi)排方式的經(jīng)濟(jì)效益。

        2.1 Ⅰ區(qū)增加的運(yùn)輸費(fèi)用

        Ⅰ區(qū)在留溝期采用留溝內(nèi)排時(shí),產(chǎn)生的剝離物運(yùn)輸距離增大,卡車運(yùn)輸費(fèi)用增高。先壓幫后留溝相對(duì)于全壓幫運(yùn)距增量△L 可由先壓幫后留溝內(nèi)排方式的雙翼內(nèi)排運(yùn)距減去全壓幫的雙翼內(nèi)排運(yùn)距計(jì)算得到。全壓幫內(nèi)排方式為雙翼內(nèi)排,其運(yùn)距的數(shù)學(xué)公式與先壓幫后留溝內(nèi)排方式壓幫期的雙翼內(nèi)排公式相同。

        式中:F0為I 區(qū)增加的運(yùn)距費(fèi)用,元;V0為I 區(qū)剝離物體積,m3;△L 為運(yùn)距增量,m;J 為單位運(yùn)輸成本,元/(km·m3)。

        2.2 Ⅱ區(qū)增加的運(yùn)距費(fèi)用

        Ⅰ區(qū)進(jìn)行了部分留溝內(nèi)排,在開采Ⅱ區(qū)時(shí),部分剝離量仍不能進(jìn)行雙翼運(yùn)輸,從而導(dǎo)致Ⅱ區(qū)運(yùn)費(fèi)增加。Ⅰ區(qū)的壓幫位置進(jìn)行二次剝離開采,導(dǎo)致這一位置端幫角變緩,Ⅱ區(qū)運(yùn)距相對(duì)于Ⅰ區(qū)發(fā)生改變。重復(fù)剝離示意圖如圖3。

        圖3 重復(fù)剝離示意圖

        分別計(jì)算出Ⅱ區(qū)在壓幫期和留溝期的內(nèi)排運(yùn)距,由此可以得出Ⅱ區(qū)先壓幫后留溝相對(duì)于全壓幫的運(yùn)距增量△L1。則Ⅱ區(qū)增加的運(yùn)距費(fèi)用為:

        式中:F1為II 區(qū)增加的運(yùn)距費(fèi)用,元;V 為II 區(qū)部分剝離體積;△L1為II 區(qū)運(yùn)距增量,m;θ 為端幫(松方)幫坡角,(°)。

        2.3 Ⅱ區(qū)減少的重復(fù)剝離費(fèi)用

        對(duì)相鄰采區(qū)公共端幫位置進(jìn)行壓幫內(nèi)排,當(dāng)下一采區(qū)開采時(shí),為了回收相鄰采區(qū)公共邊幫處壓的三角煤,必然需要進(jìn)行重復(fù)剝離[12]。

        先壓幫后留溝內(nèi)排方式壓幫期增加的二次剝離費(fèi)用與壓幫的程度有關(guān)。全壓幫時(shí)的重復(fù)剝離體積與壓幫期的重復(fù)剝離體積做差即可求出先壓幫后留溝壓幫期對(duì)于全壓幫減少的重復(fù)剝離體積V′。那么,減少的重復(fù)剝離費(fèi)F2為:

        式中:F2為I 區(qū)減少的重復(fù)剝離費(fèi)用,元;V′為II 區(qū)重復(fù)剝離體積;J′為單位重復(fù)剝離費(fèi)用,元/m3。

        2.4 Ⅱ區(qū)減少的重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用

        Ⅱ區(qū)單翼內(nèi)排運(yùn)距即為減少的重復(fù)剝離量V′的運(yùn)距L3。所以,先壓幫后留溝相對(duì)于全壓幫減少的重復(fù)剝離運(yùn)距費(fèi)用F3為:

        式中:F3為II 區(qū)減少的重復(fù)剝離運(yùn)距費(fèi)用,元;L3為減少的重復(fù)剝離運(yùn)距,m。

        2.5 最佳壓幫內(nèi)排轉(zhuǎn)留溝工程位置確定

        運(yùn)用費(fèi)用補(bǔ)償法,即先壓幫后留溝相對(duì)于全壓幫在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)增加的運(yùn)輸費(fèi)用是否能通過(guò)Ⅱ區(qū)減少的二次剝離費(fèi)用和二次剝離運(yùn)輸費(fèi)用得以補(bǔ)償。相鄰采區(qū)的采剝工程推進(jìn)往往存在時(shí)間差異。考慮現(xiàn)金的時(shí)間效應(yīng),二次剝離需滯后內(nèi)排壓幫n 年,且假設(shè)每年的內(nèi)排剝離物都在相同的年以后進(jìn)行二次剝離。則費(fèi)用補(bǔ)償值△F 為:

        式中:△F 為費(fèi)用補(bǔ)償;p 為存款利率,%。

        當(dāng)△F<0 時(shí),表示此壓幫位置所減少的重復(fù)剝離費(fèi)用和重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用的折現(xiàn)不能補(bǔ)償兩相鄰采區(qū)共增加的運(yùn)距費(fèi)用。

        當(dāng)△F=0 時(shí),表示此壓幫位置所減少的重復(fù)剝離費(fèi)用和重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用的折現(xiàn)恰好能補(bǔ)償兩相鄰采區(qū)共增加的運(yùn)距費(fèi)用。

        當(dāng)△F>0 時(shí),表示此壓幫位置所減少的重復(fù)剝離費(fèi)用和重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用的折現(xiàn)能充足的補(bǔ)償兩相鄰采區(qū)共增加的運(yùn)距費(fèi)用。

        因變量△F 是以壓幫位置X 為自變量的一元二次函數(shù),利用其性質(zhì)建立函數(shù)圖像。

        因此,當(dāng)△F>0 時(shí)的X 為最優(yōu)壓幫位置。影響△F 的因素很多,需要根據(jù)各露天礦的開采參數(shù)確定該礦合理的壓幫位置。

        3 實(shí)例分析

        平莊煤業(yè)集團(tuán)有限公司白音華一號(hào)露天煤礦采用分區(qū)開采,首采區(qū)和二采區(qū)為相鄰采區(qū)。通過(guò)查看設(shè)計(jì)及咨詢礦山技術(shù)人員綜合得出計(jì)算所需參數(shù),白音華一號(hào)礦各項(xiàng)開采參數(shù)見表1。

        表1 白音華一號(hào)礦各項(xiàng)開采參數(shù)

        將上述開采參數(shù)代入式(1)~式(8),計(jì)算可知:留溝長(zhǎng)度在455.5 m 時(shí),由雙翼內(nèi)排轉(zhuǎn)為單翼內(nèi)排。△F 的極值點(diǎn)在區(qū)間[0,4 000]內(nèi),且在有效區(qū)間內(nèi)△F 為凸函數(shù),因此存在最大值點(diǎn)。△F 與壓幫長(zhǎng)度變化曲線如圖4,當(dāng)壓幫長(zhǎng)度X=1 764 m 時(shí),△F=0,此時(shí)減少的重復(fù)剝離費(fèi)用和重復(fù)剝離運(yùn)輸費(fèi)用的折現(xiàn)恰好能補(bǔ)償兩相鄰采區(qū)共增加的運(yùn)距費(fèi)用。當(dāng)壓幫長(zhǎng)度X=465 m 時(shí),為最優(yōu)壓幫位置,此時(shí)△F=85萬(wàn)元。

        圖4 △F 與壓幫長(zhǎng)度變化曲線

        4 結(jié)論

        1)結(jié)合壓幫與留溝內(nèi)排的特點(diǎn),提出了先壓幫后留溝的內(nèi)排方式,可以合理釋放內(nèi)排空間,減少運(yùn)輸費(fèi)用和重復(fù)剝離費(fèi)用,進(jìn)而提高礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

        2)將先壓幫后留溝內(nèi)排方式分為壓幫期和留溝期,建立了2 個(gè)時(shí)期運(yùn)距的數(shù)學(xué)模型,確定了雙翼內(nèi)排轉(zhuǎn)換為單翼內(nèi)排時(shí)的條件為Hcotβ,為運(yùn)輸方式的轉(zhuǎn)變提供理論依據(jù)。運(yùn)用費(fèi)用補(bǔ)償法進(jìn)行公式推導(dǎo),建立一元二次函數(shù),分析計(jì)算得出最優(yōu)壓幫長(zhǎng)度。

        3)結(jié)合白音華一號(hào)露天煤礦開采參數(shù),確定留溝長(zhǎng)度為455.5 m 時(shí),雙翼內(nèi)排轉(zhuǎn)變?yōu)閱我韮?nèi)排,確定最優(yōu)壓幫位置為X=465 m。

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