陳曉杰，劉 闖，張東旭，夏慶宇

（1.錫林郭勒盟烏蘭圖嘎煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；3.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；5.神華銷(xiāo)售集團(tuán)東北能源貿(mào)易有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

露天煤礦工作線(xiàn)長(zhǎng)度是影響露天煤礦生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)效益以及采區(qū)劃分的一個(gè)重要因素[1]，在推進(jìn)度變化不大的情況下，工作線(xiàn)長(zhǎng)度便成為決定露天煤礦產(chǎn)量的重要因素之一[2]。對(duì)于分區(qū)開(kāi)采的露天礦，工作線(xiàn)長(zhǎng)度的確定意味著采區(qū)寬度的確定，該項(xiàng)工藝參數(shù)從建設(shè)初期開(kāi)始就影響著露天礦的方方面面，最終在經(jīng)濟(jì)效益上體現(xiàn)出來(lái)[3]。工作線(xiàn)長(zhǎng)度不是一成不變的，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)規(guī)模、市場(chǎng)變化、勘探程度和開(kāi)采工藝的改造適時(shí)進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，同時(shí)優(yōu)化工作線(xiàn)長(zhǎng)度還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4]。

目前對(duì)于露天煤礦工作線(xiàn)長(zhǎng)度的計(jì)算已有一定研究，形成了2 種典型的工作線(xiàn)長(zhǎng)度確定方法：

1）通過(guò)分析露天煤礦在一定生產(chǎn)能力情況下工作線(xiàn)長(zhǎng)度與推進(jìn)速度的關(guān)系，得出技術(shù)可行的工作線(xiàn)長(zhǎng)度；分析在規(guī)定產(chǎn)能時(shí)露天礦剝離總費(fèi)用與工作線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系，得出經(jīng)濟(jì)合理的工作線(xiàn)長(zhǎng)度。最終確定滿(mǎn)足生產(chǎn)能力時(shí)剝離總費(fèi)用最小的工作線(xiàn)長(zhǎng)度即為露天礦合理的工作線(xiàn)長(zhǎng)度[5-7]。

2）利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建三維地質(zhì)模型及開(kāi)采模型，選取不同工作線(xiàn)長(zhǎng)度布置方案進(jìn)行模擬開(kāi)采，對(duì)比分析不同工作線(xiàn)長(zhǎng)度開(kāi)采時(shí)得技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合確定露天礦合理工作線(xiàn)長(zhǎng)度[8]。

1 單一開(kāi)采工藝系統(tǒng)工作面運(yùn)輸成本分析

臺(tái)階開(kāi)采過(guò)程中，采掘設(shè)備與運(yùn)輸系統(tǒng)沿工作線(xiàn)往復(fù)進(jìn)行采掘與運(yùn)輸作業(yè)，開(kāi)采工藝系統(tǒng)的運(yùn)行成本與工作線(xiàn)長(zhǎng)度有關(guān)。由于不同開(kāi)采工藝系統(tǒng)的采掘設(shè)備、物料運(yùn)輸、作業(yè)方式等各不相同，因此工作線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響方式和程度也不相同。例如，單斗-卡車(chē)工藝系統(tǒng)的工作線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，卡車(chē)內(nèi)排運(yùn)距越長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行成本越高；而單斗-自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝系統(tǒng)恰恰相反，工作線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，工作面帶式輸送機(jī)移設(shè)次數(shù)越少，采掘設(shè)備折返次數(shù)越少，運(yùn)行成本越低。綜上所述，綜合開(kāi)采工藝露天礦合理的工作線(xiàn)長(zhǎng)度，需要根據(jù)各種開(kāi)采工藝系統(tǒng)的工作面運(yùn)輸成本與工作線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系來(lái)優(yōu)化確定。

按運(yùn)輸線(xiàn)路所處位置分類(lèi)，各開(kāi)采工藝的運(yùn)輸距離可分為工作面運(yùn)距、端幫運(yùn)距、地面運(yùn)距、卸載點(diǎn)運(yùn)距；其中采煤和剝離外排時(shí)，工作面運(yùn)距與工作線(xiàn)的長(zhǎng)度有關(guān)；當(dāng)剝離內(nèi)排時(shí)，工作面運(yùn)距和卸載點(diǎn)運(yùn)距均與工作線(xiàn)長(zhǎng)度有關(guān)。

1.1 卡車(chē)工作面運(yùn)輸成本

卡車(chē)工作面運(yùn)輸成本主要包含4 個(gè)方面：燃油成本、備件成本、人工成本、設(shè)備折舊，其中燃油成本與工作面水平運(yùn)距正相關(guān)。

卡車(chē)運(yùn)送單位體積物料的運(yùn)輸成本計(jì)算公式為：

式中：Ckc為卡車(chē)運(yùn)輸單位體積物料成本，元/m3；Cy為卡車(chē)的燃油單價(jià)，元/t；Lk為卡車(chē)運(yùn)輸工作面水平運(yùn)距，km；Yp為單位體積物料的水平運(yùn)輸油耗，t/（m3·km）；Hk為卡車(chē)運(yùn)輸工作面垂直提升高差，m；Yt為單位體積物料的垂直提升油耗，t（/m3·km）；CkB為單位體積物料的備件成本，元/m3；CkR為單位體積物料的人工成本，元/m3；Ckz為單位體積物料的設(shè)備折舊費(fèi)，元/m3。

露天礦內(nèi)排運(yùn)輸示意圖如圖1。當(dāng)露天礦采用單環(huán)內(nèi)排時(shí)，卡車(chē)運(yùn)輸工作面運(yùn)距和卸載點(diǎn)運(yùn)距都與工作線(xiàn)長(zhǎng)度有關(guān)，因此將卸載點(diǎn)運(yùn)距統(tǒng)一到工作面運(yùn)距進(jìn)行計(jì)算，則工作面水平運(yùn)距為L(zhǎng)g，單環(huán)內(nèi)排如圖1（a）；同理，當(dāng)采用雙環(huán)內(nèi)排時(shí)，工作面水平運(yùn)距為L(zhǎng)g/2。

圖1 露天礦內(nèi)排運(yùn)輸示意圖

由式（1）及工作線(xiàn)長(zhǎng)度與卡車(chē)運(yùn)輸工作面水平運(yùn)距關(guān)系可知，工作線(xiàn)長(zhǎng)度越大，卡車(chē)運(yùn)輸?shù)墓ぷ髅嫠竭\(yùn)距越大，卡車(chē)工作面運(yùn)輸成本越高。

1.2 帶式輸送機(jī)工作面運(yùn)輸成本

工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)輸成本主要包含4 個(gè)方面：電力成本、備件成本、人工成本、設(shè)備折舊，其中電力成本與工作面帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度正相關(guān)，設(shè)備折舊與工作面長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)。

工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)送單位體積物料的運(yùn)行成本計(jì)算公式為：

式中：Cs為帶式輸送機(jī)運(yùn)輸單位體積物料的成本，元/m3；PsM為帶式輸送機(jī)電機(jī)功率，kW；Cd為輸送機(jī)用電單價(jià)，元/（kW·h）；S 為輸送帶上物料的最大橫截面面積，m2；v 為輸送帶速度，m/s；CsB為單位體積物料的備件成本，元/m3；CsR為單位體積物料的人工成本，元/m3；CsZ為單位體積物料的設(shè)備折舊費(fèi)用，元/m3。

在采用工作面帶式輸送機(jī)的工藝系統(tǒng)中，每采完1 條采掘帶，帶式輸送機(jī)需按一定步距進(jìn)行移設(shè)。移設(shè)期間，開(kāi)采工藝系統(tǒng)停止作業(yè)。因此工作線(xiàn)越短，帶式輸送機(jī)移設(shè)越頻繁，系統(tǒng)停止作業(yè)時(shí)間越長(zhǎng)，年生產(chǎn)能力越小。而采用工作面帶式輸送機(jī)的連續(xù)、半連續(xù)工藝系統(tǒng)設(shè)備投資大，由于設(shè)備折舊年限固定，破碎、運(yùn)輸系統(tǒng)年折舊費(fèi)用固定，故系統(tǒng)生產(chǎn)能力越小，則單位體積物料承擔(dān)的破碎、運(yùn)輸系統(tǒng)折舊費(fèi)用越高，整體運(yùn)費(fèi)越高；反之，則整體運(yùn)費(fèi)越低。故單位體積物料的設(shè)備折舊費(fèi)用CsZ為：

式中：FsZ為帶式輸送機(jī)系統(tǒng)總投資，元；Nsf為帶式輸送機(jī)系統(tǒng)服務(wù)年限，a；Qse為帶式輸送機(jī)系統(tǒng)年額定生產(chǎn)能力，m3/a；Psg為在移設(shè)周期內(nèi)采掘設(shè)備沿工作線(xiàn)方向的推進(jìn)速度，m/d；Tsy為工作面帶式輸送機(jī)單次移設(shè)耗時(shí)，d；Ls為工作面帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度，Ls=Lg·m。

綜上所述，工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)送單位體積物料的運(yùn)輸成本先隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度增大而減小，后隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度增大而增大。

1.3 吊斗鏟剝離倒堆工藝運(yùn)行成本

吊斗鏟剝離倒堆工藝沒(méi)有運(yùn)輸環(huán)節(jié)，剝離物直接由吊斗鏟挖掘后卸載至采空區(qū)的內(nèi)排土場(chǎng)，工藝系統(tǒng)的運(yùn)行成本可由式（4）計(jì)算：

式中：Cw為吊斗鏟工藝系統(tǒng)運(yùn)行成本，元；CwD為單位體積物料的電力成本，元/m3；CwB為單位體積物料的備件成本，元/m3；CwR為單位體積物料的人工成本，元/m3；CwZ為單位體積物料的設(shè)備折舊費(fèi)用，元/m3。

在吊斗鏟倒堆工藝中，每采完1 條采掘帶，剝采設(shè)備總有一段時(shí)間停止作業(yè)。工作線(xiàn)越短，這一停止時(shí)間所占的比重越大，系統(tǒng)年生產(chǎn)能力越小。吊斗鏟剝離倒堆工藝系統(tǒng)設(shè)備投資大，由于設(shè)備折舊年限和年折舊費(fèi)用固定，故系統(tǒng)生產(chǎn)能力越小，則單位體積物料承擔(dān)的設(shè)備折舊費(fèi)用越高，系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)用越高；反之，則系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)用越低。故單位體積物料的設(shè)備折舊費(fèi)用Cwz為：

式中：FwZ為吊斗鏟工藝系統(tǒng)總投資，元；Nwf為L(zhǎng)s為工作面帶式輸送機(jī)長(zhǎng)度，Ls=Lg·m；系統(tǒng)服務(wù)年限，a；Qwe為吊斗鏟系統(tǒng)年額定生產(chǎn)能力，m3/a；Pwg為采掘設(shè)備沿工作線(xiàn)方向的推進(jìn)速度，m/d；Twy為吊斗鏟采完1 條采掘帶后停止作業(yè)的時(shí)長(zhǎng)，d；Lw為吊斗鏟開(kāi)采工作線(xiàn)長(zhǎng)度，m；Lw=Lg。

綜上所述，吊斗鏟工藝系統(tǒng)采、排單位體積物料的運(yùn)行成本隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度增大而減小。

2 綜合開(kāi)采工藝合理工作線(xiàn)長(zhǎng)度確定

綜合開(kāi)采工藝工作線(xiàn)長(zhǎng)度的確定，主要受單位煤量的采排成本和工作面運(yùn)輸成本影響，二者可由各單一工藝系統(tǒng)的采排成本和工作面運(yùn)輸成本按服務(wù)層位計(jì)算得出。

2.1 露天礦開(kāi)采單位煤量的采排成本

假定某復(fù)合煤層露天礦綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)，從上至下布置有剝離工藝系統(tǒng)B1、剝離工藝系統(tǒng)B2、采煤工藝系統(tǒng)C1、剝離工藝系統(tǒng)B3、剝離工藝系統(tǒng)B4和采煤工藝系統(tǒng)C2。將采場(chǎng)坑底寬度（即采煤工藝系統(tǒng)C2的工作線(xiàn)長(zhǎng)度）定義為該礦工作線(xiàn)長(zhǎng)度Lg0。其中各工藝子系統(tǒng)的工作線(xiàn)長(zhǎng)度可表示為露天礦工作線(xiàn)長(zhǎng)度Lg0與1 個(gè)固定值LBi或LCi的和，工作線(xiàn)長(zhǎng)度隨Lg0變化而變化。復(fù)合煤層露天礦綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)布置圖如圖2。綜合開(kāi)采工藝子系統(tǒng)服務(wù)層位參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 綜合開(kāi)采工藝子系統(tǒng)服務(wù)層位參數(shù)

圖2 復(fù)合煤層露天礦綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)布置圖

根據(jù)圖2，計(jì)算得露天礦生產(chǎn)剝采比ns為：

式中：ns為露天礦生產(chǎn)剝采比，m3/m3；HBi、HCi分別為剝離工藝系統(tǒng)B、采煤工藝系統(tǒng)C 的服務(wù)高度，m。

分析式（6）可知，露天礦生產(chǎn)剝采比ns隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度Lg0增大而減小，開(kāi)采單位煤量的采排費(fèi)用也隨之減?。环粗?，ns隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度Lg0減小而增大，開(kāi)采單位煤量的采排費(fèi)用也隨之增大。

露天礦單位煤量的年度礦巖采排費(fèi)用FC為：

式中：FC為露天礦年度礦巖采排費(fèi)用，元；Ap為露天礦年生產(chǎn)能力，t；PB1、PB2、PB3、PB4、PC1、PC2為各開(kāi)采工藝系統(tǒng)的采排單價(jià)，元/m3。

其中，各工藝子系統(tǒng)的采排單價(jià)為已知量。

2.2 露天礦工作面運(yùn)輸成本

綜合開(kāi)采工藝露天礦單位煤量的工作面運(yùn)輸成本Fy為：

式中：Fy為露天礦年度礦巖工作面運(yùn)輸費(fèi)用，元；CB1、CB2、CB3、CB4、CC1、CC2為各開(kāi)采工藝系統(tǒng)的工作面運(yùn)輸單價(jià)，元/m3。

其中，各工藝子系統(tǒng)的工作面運(yùn)輸單價(jià)的取值分別對(duì)應(yīng)工作面卡車(chē)運(yùn)輸單價(jià)Ckc、或工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)輸單價(jià)Cs、或吊斗鏟剝離倒堆工藝運(yùn)行單價(jià)Cw，隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度Lg0的變化而變化。

2.3 綜合開(kāi)采年采排費(fèi)用與工作面運(yùn)輸費(fèi)用總和

綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)的年采排費(fèi)用與工作面運(yùn)輸費(fèi)用總和FZ：

式中：FZ為露天礦年采排費(fèi)用與工作面運(yùn)輸費(fèi)用總和，元。

根據(jù)對(duì)各種開(kāi)采工藝工作面運(yùn)輸成本的分析，得出的不同開(kāi)采工藝運(yùn)輸成本隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)如圖3。

圖3 不同開(kāi)采工藝運(yùn)輸成本隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)

由于不同開(kāi)采工藝系統(tǒng)的工作面運(yùn)輸成本隨工作線(xiàn)長(zhǎng)度變化趨勢(shì)各不相同，且開(kāi)采工藝系統(tǒng)布置層位也會(huì)影響露天礦年度采排費(fèi)用和工作面運(yùn)輸費(fèi)用，因此不同的開(kāi)采工藝系統(tǒng)及其組合方式對(duì)應(yīng)的合理工作線(xiàn)長(zhǎng)度也不同，合理工作線(xiàn)長(zhǎng)度需根據(jù)具體的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。

3 工程實(shí)例研究

某露天煤礦礦田范圍內(nèi)從上至下賦存有M、N 2 個(gè)主采煤層，年生產(chǎn)能力為12.0 Mt，原煤密度為1.35 t/m3。剝離、采煤均采用綜合開(kāi)采工藝，剝離從上至下分別采用單斗-卡車(chē)工藝B1、自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝B2、單斗-卡車(chē)工藝B3，采煤從上至下分別采用自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝C1和半固定破碎站半連續(xù)工藝C2。某露天礦綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)布置圖如圖4。

圖4 某露天礦綜合開(kāi)采工藝系統(tǒng)布置圖

各開(kāi)采工藝系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為：

1）單斗-卡車(chē)工藝B1：工作線(xiàn)長(zhǎng)度為（Lg0+660）km；服務(wù)高度為61 m；采排單價(jià)為2.12 元/m3；工作面運(yùn)輸單價(jià)為（0.62(Lg0+660)/1 000+0.54）元/m3。

2）自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝B2：工作線(xiàn)長(zhǎng)度為（Lg0+450）km；服務(wù)高度為28 m；采排單價(jià)為1.34元/m3；工作面運(yùn)輸單價(jià)為（1.32+370/(Lg0+450)+0.15(Lg0+450)/1 000）元/m3。

3）單斗-卡車(chē)工藝B3：工作線(xiàn)長(zhǎng)度為（Lg0+190）km；服務(wù)高度為42 m；采排單價(jià)為2.12 元/m3；工作面運(yùn)輸單價(jià)為（1.23(Lg0+190)/1 000+0.54）元/m3。

4）自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝C1：工作線(xiàn)長(zhǎng)度為（Lg0+330）km；服務(wù)高度為20 m；采排單價(jià)為1.08元/m3；工作面運(yùn)輸單價(jià)為（1.15+290/(Lg0+330)+0.1(Lg0+330)/1 000）元/m3。

5）半固定破碎站半連續(xù)工藝C2：工作線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)g0km；服務(wù)高度為18 m；采排單價(jià)為1.08 元/m3；工作面運(yùn)輸單價(jià)為（1.23Lg0/1 000+0.54）元/m3。

FZ隨采場(chǎng)坑底長(zhǎng)度Lg0變化圖如圖5。

圖5 FZ 隨采場(chǎng)坑底長(zhǎng)度Lg0 變化圖

借助函數(shù)圖像判斷，當(dāng)N 煤層工作線(xiàn)長(zhǎng)度為0.9 km 時(shí)，露天礦年采排費(fèi)用與工作面運(yùn)輸費(fèi)用總和最小，最小值為1.642 億元。此時(shí)，單一開(kāi)采工藝工作線(xiàn)長(zhǎng)度合理的匹配方式：?jiǎn)味?卡車(chē)工藝B1的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為1.56 km，自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝B2的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為1.35 km，單斗-卡車(chē)工藝B3的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為1.09 km，自移式破碎機(jī)半連續(xù)工藝C1的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為1.23 km，半固定破碎站半連續(xù)工藝C2的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為0.9 km。

4 結(jié)語(yǔ)

1）計(jì)算了所列各種單一開(kāi)采工藝下工作面運(yùn)輸成本，分析了開(kāi)采單位煤量的采排成本與露天礦生產(chǎn)剝采比的關(guān)系。

2）提出了復(fù)合煤層露天礦綜合開(kāi)采工藝經(jīng)濟(jì)合理工作線(xiàn)長(zhǎng)度的優(yōu)化方法。

3）通過(guò)實(shí)例進(jìn)行研究，計(jì)算出M 煤層工作線(xiàn)長(zhǎng)度為1.23 km，N 煤層的工作線(xiàn)長(zhǎng)度為0.9 km 時(shí)露天礦年采排費(fèi)用與工作面運(yùn)輸費(fèi)用總和最小。