Arifov Dehkanboy Sharofo'g'li，郭偉強(qiáng)，劉光偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 遼寧 阜新市 123000)

0 引言

露天礦運(yùn)輸工作是整個礦山生產(chǎn)工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，剝離物運(yùn)輸成本占總生產(chǎn)成本的一半以上，通過優(yōu)化開拓運(yùn)輸系統(tǒng)來減少運(yùn)輸費(fèi)用是降低露天礦生產(chǎn)成本的主要技術(shù)手段之一[1-6]。隨著礦山工程的日益發(fā)展，相鄰露天礦公共邊幫壓煤回采技術(shù)逐漸成熟，在回采邊幫壓煤后，兩礦運(yùn)輸系統(tǒng)受阻，無法進(jìn)行雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸，運(yùn)距增大，運(yùn)輸成本急劇增高，因此，對并行露天礦的內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義。

諸多學(xué)者對相鄰露天礦聯(lián)合開采時，內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的布置進(jìn)行了研究。白潤才等[7]提出相鄰露天礦邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采技術(shù)，在開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置時，將臨時排土橋設(shè)于兩礦采場中部，以構(gòu)建雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)。常治國等[8]針對工作線呈前后交錯的并行開采相鄰露天礦，提出了先行露天礦采用留溝內(nèi)排，在留溝處構(gòu)建臨時排土橋連通端幫與內(nèi)排土場開拓運(yùn)輸?shù)缆?，以減少部分剝離物的內(nèi)排運(yùn)距。王忠鑫等[9]提出了在相鄰露天礦“Z”型工作線追蹤開采，在中間利用工作幫拐點(diǎn)及內(nèi)排土場壓幫建立排土橋，構(gòu)建兩礦雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)。李成盛等[10]提出了相鄰露天礦境界重疊區(qū)邊幫壓煤協(xié)調(diào)開采關(guān)鍵技術(shù)，以貫通采場、排土場，構(gòu)筑采場至排土場臨時運(yùn)輸排土橋，技術(shù)參數(shù)優(yōu)化及工程位置協(xié)調(diào)控制措施開采端幫壓煤，構(gòu)建內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，提高煤炭資源回采率。目前，許多學(xué)者多是關(guān)注于工作線呈“Z”字型前后交錯并行的季節(jié)性剝離相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采公共端幫時的開拓運(yùn)輸系統(tǒng)布置，但露天礦本就復(fù)雜多變，對于兩礦工作線位置相差距離較小，而且全年進(jìn)行剝離作業(yè)的非季節(jié)性相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采時的內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)還未有系統(tǒng)的研究，因此，本次研究對于類似相鄰露天礦的內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)建具有重要的指導(dǎo)意義。

本文針對工作線位置距離接近的并行露天礦，聯(lián)合開采公共端幫后，工作線全線拉直，采場、內(nèi)排土場貫通，導(dǎo)致運(yùn)輸系統(tǒng)破壞、兩礦無法進(jìn)行雙環(huán)運(yùn)輸、內(nèi)排運(yùn)距急劇增大的問題，提出在兩礦采場和內(nèi)排土場之間構(gòu)建雙排土橋，邁步式發(fā)展的方法，優(yōu)化并行露天礦的內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)。即：在兩礦采空區(qū)位置構(gòu)建兩架排土橋連通采場與內(nèi)排土場運(yùn)輸系統(tǒng)，發(fā)展過程中始終保持有一架排土橋處于提供運(yùn)輸?shù)缆窢顟B(tài)，另一架排土橋處于修建或者拆除狀態(tài)。

1 邁步式排土橋模型設(shè)置

1.1 雙橋搭建和邁步式發(fā)展

相鄰露天礦山公共端幫處煤量資源豐富，剝采比小，兩礦實(shí)施協(xié)調(diào)開采技術(shù)開采公共端幫下部壓煤，需破壞相鄰端幫運(yùn)輸?shù)缆?，兩礦均由原來的雙環(huán)內(nèi)排變?yōu)閱苇h(huán)內(nèi)排，運(yùn)距急劇增大，剝離成本明顯升高，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)接續(xù)[9-14]。相鄰露天礦平行推進(jìn)的過程中，若兩礦推進(jìn)速度不一致，工作線呈前后交錯式，此時可采取在先行露天礦的內(nèi)排土場上方建立臨時排土橋，如圖1所示。但對于兩礦工作線前后間距較小或兩礦工作線在一條直線上時，在先行露天礦內(nèi)排土場無排土橋構(gòu)建位置，此種方法將不再適用。

圖1 內(nèi)排留溝搭橋示意

排土橋的搭建方式分為單橋搭建、雙橋搭建、混合橋搭建。季節(jié)性剝離露天礦由于冬季氣候寒冷，凍土情況嚴(yán)重，剝離工作間接性開展，運(yùn)輸系統(tǒng)無需不間斷暢通，在構(gòu)建排土橋聯(lián)通采場和排土場時根據(jù)各礦地質(zhì)條件與開采工藝不同，大部分露天礦山選取單排土橋搭建方式[15]。但非季節(jié)性剝離露天礦需全年進(jìn)行剝離工作，運(yùn)輸系統(tǒng)需始終保持暢通。根據(jù)上述存在的問題，提出搭建雙橋，邁步式向前發(fā)展，以優(yōu)化內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)。

在構(gòu)建排土橋時，排土橋位置和參數(shù)的選取將直接影響剝離物的運(yùn)輸距離和提升高度。因此，根據(jù)實(shí)際剝采工程位置的時空關(guān)系，合理優(yōu)化排土橋參數(shù)來降低運(yùn)輸成本顯得尤為重要[16]。

1.2 設(shè)置雙橋節(jié)約的運(yùn)輸費(fèi)用

大型近水平露天礦內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)通常采用單環(huán)或雙環(huán)運(yùn)輸剝離物[17]。如圖2所示，兩礦未構(gòu)建邁步式排土橋時，A礦單環(huán)內(nèi)排的運(yùn)距為：Lw=La+Ld。如圖3所示，在構(gòu)建邁步式排土橋后，A礦的雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)距，修建雙排土橋后，A礦所節(jié)省的運(yùn)距為，由于A礦與B礦內(nèi)排運(yùn)距計(jì)算公式相同，因此兩礦共能節(jié)省運(yùn)距，節(jié)省的運(yùn)輸總費(fèi)用為：

圖2 相鄰露天礦無排土橋單環(huán)運(yùn)輸

圖3 相鄰露天礦布設(shè)排土橋雙環(huán)運(yùn)輸

式中，La為A礦工作幫運(yùn)距，km；Lb為B礦工作幫運(yùn)距，km；Lz為兩礦間排土橋間距，km；Cy為剝離物運(yùn)輸單價，元/(m3·km)；V0為兩礦總年剝離量，Mm3；Fj為兩礦共節(jié)省運(yùn)輸總費(fèi)用，萬元。

1.3 雙排土橋位置

根據(jù)式（1）可知，雙橋間距離越小，所節(jié)省的運(yùn)輸費(fèi)用越多。因此，將雙橋建于兩礦原公共端幫處，能更好地服務(wù)于兩礦，且雙橋間距離保持最小，僅留設(shè)相應(yīng)的安全距離。

1.4 排土橋模型及發(fā)展演變過程

非季節(jié)性剝離露天礦搭建的雙排土橋隨著剝離工程的發(fā)展變化，兩礦地質(zhì)條件和煤層儲存條件相似，因此設(shè)置時使兩橋模型保證一致。在兩礦采場工作線開始剝離工作時，預(yù)先留設(shè)部分A排土橋（見圖4），采場向前推進(jìn)時，利用剝離物回填采空區(qū)，建立A排土橋運(yùn)輸?shù)缆?。A排土橋建設(shè)過程中，兩礦可經(jīng)B排土橋進(jìn)行雙環(huán)運(yùn)輸，將剝離物排棄至內(nèi)排土場。拆除 B排土橋，揭露B排土橋下部壓煤，B排土橋運(yùn)輸?shù)缆分袛?，兩礦可經(jīng)A排土橋進(jìn)行雙環(huán)運(yùn)輸，將剝離物排棄至內(nèi)排土場。綜上所述，雙橋?qū)⑻幱?B橋運(yùn)輸，A橋拆除、搭建—A橋運(yùn)輸，B橋拆除、搭建的動態(tài)循環(huán)演變過程中，如圖4所示。

圖4 排土橋發(fā)展演變過程

2 排土橋參數(shù)優(yōu)化

排土橋的存在可使兩礦都實(shí)現(xiàn)雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)輸，但其參數(shù)的不同直接影響著兩礦的經(jīng)濟(jì)效益。排土橋建設(shè)的高度由其臺階數(shù)量n決定，由于排土橋上部剝離平盤存在反向運(yùn)輸，臺階數(shù)量n與反向運(yùn)輸剝離量呈反比關(guān)系，與排土橋重復(fù)剝離量呈正比關(guān)系。因此，理論上能找到使重復(fù)剝離費(fèi)用Fb與反向運(yùn)輸費(fèi)用Fj之和F最小的n，即：

由于雙橋是交替構(gòu)建，因此，只計(jì)算單橋的重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用，即可反映排土橋參數(shù)選取的條件。

2.1 重復(fù)剝離費(fèi)用

排土橋在建設(shè)的過程中，橋下壓覆了一定煤量，為采出橋下壓覆煤炭資源，需對排土橋進(jìn)行部分重復(fù)剝離，提高礦山煤炭資源回采率[18]，如圖5所示。拆除單橋所產(chǎn)生的重復(fù)剝離量Qb(m3)，以及重復(fù)剝離費(fèi)用Fb(元)：

圖5 排土橋斷面圖

式中，Si為排土橋第i個臺階橫截面積，m2；Bi為排土橋拆除部分第i個臺階長度，m；D0為排土橋頂部平盤寬度，m；α為采場工作幫坡角，（°）；β為排土場穩(wěn)定幫坡角，（°）；θ為排土臺階坡面角，（°）；Hq為排土橋臺階高度，m；b為排土橋平盤寬度，m；Cb為二次剝離單價，元/m3。

令：

上式整理后得到一個關(guān)于臺階數(shù)量n的一元三次方程：

2.2 反向運(yùn)輸費(fèi)用

反向運(yùn)輸即為排土橋上方剝離物經(jīng)排土橋運(yùn)輸?shù)缆放艞壷僚磐翗蛏戏絻?nèi)排土場的過程[19]。

排土橋上部剝離物反向運(yùn)輸費(fèi)用Ff（元）：

式中，Cf為剝離物反向提升單價費(fèi)用，元/(m3·m)；V為經(jīng)過單排土橋的剝離量，m3；H為采深，m。

2.3 排土橋最佳運(yùn)輸平盤數(shù)量

將式（4）和式（6）代入式（2）中，可得到因變量F關(guān)于自變量n的一元三次方程，對F求導(dǎo)可得：

令F′=0，n的取值范圍在（0，H/Hq），根據(jù)露天礦實(shí)際情況，理論上存在最佳排土橋運(yùn)輸平盤數(shù)量n，使得排土橋重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用最小[20]。

3 案例分析

假設(shè)有某并行露天礦甲礦和乙礦，兩礦全年進(jìn)行剝離作業(yè)。甲礦工作線長度為1.8 km，乙礦工作線長度為1.5 km。在協(xié)調(diào)開采公共端幫后，為重新搭建兩礦內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)，運(yùn)用上述方法將兩礦工作線全線拉直，采場、排土場貫通，構(gòu)建雙排土橋邁步式向前發(fā)展，對內(nèi)排運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)兩礦雙環(huán)運(yùn)輸。具體施工參數(shù)與兩礦實(shí)施聯(lián)合開采當(dāng)年的剝、采、排工程計(jì)劃安排見表1。

表1 相鄰露天礦施工參數(shù)

將表1參數(shù)代入式（1）中，計(jì)算可得兩礦共節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用Fj=19500萬元。將表1參數(shù)代入式（5）～式（6）中繪制函數(shù)圖像，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)排土橋臺階數(shù)量計(jì)算結(jié)果n=2時，重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用總和F最小，minF=7200萬元。乙礦經(jīng)排土橋運(yùn)輸量為28 Mm3，其他參數(shù)與甲礦一致，則乙礦重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用總和為6200萬元。由此可見，甲、乙并行露天礦修筑邁步式排土橋的重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用的總和小于節(jié)約的運(yùn)輸費(fèi)用，兩礦共節(jié)約成本6100萬元，因此修筑邁步式排土橋經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖6 單排土橋F、Ff、Fb函數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

（1）對于全年進(jìn)行剝離、協(xié)同開采公共端幫的并行露天礦，通過貫通采場、內(nèi)排土場工作線，在兩礦采空區(qū)中構(gòu)建雙排土橋，邁步式向前發(fā)展，優(yōu)化兩礦內(nèi)排開拓運(yùn)輸系統(tǒng)，以縮短運(yùn)距、降低生產(chǎn)成本。

（2）建立兩礦運(yùn)距數(shù)學(xué)模型，確定排土橋最佳位置為公共端幫處，并且雙橋間距離越小越節(jié)省運(yùn)距。以修筑排土橋產(chǎn)生的重復(fù)剝離費(fèi)用與反向運(yùn)輸費(fèi)用之和最小為目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，確定最優(yōu)排土橋的建設(shè)臺階數(shù)量。

（3）通過對案例進(jìn)行分析，確定排土橋的最佳臺階數(shù)量為 2。比較兩礦節(jié)省的運(yùn)輸費(fèi)用與排土橋重復(fù)剝離與反向運(yùn)輸費(fèi)用總和之間的關(guān)系，可知構(gòu)建雙橋能節(jié)省兩礦成本 6100萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，此方法合理。