徐全耀，蔡明祥，高金龍，曹 博，劉士晨，文 宇

(1.國(guó)能新疆準(zhǔn)東能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831700；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

自20世紀(jì)80年代單斗—卡車(chē)工藝成為我國(guó)露天主要開(kāi)采工藝以來(lái)[1]，我國(guó)露天礦的開(kāi)采效率得到了大幅的提高，隨著帶式輸送機(jī)的使用，單斗—卡車(chē)—破碎站—帶式輸送機(jī)的工藝模式成為露天開(kāi)采的主流[2]，其中破碎站的移設(shè)布置是該半連續(xù)工藝模式的核心問(wèn)題之一。其布置位置和移設(shè)步距的合理性對(duì)整個(gè)露天礦開(kāi)采進(jìn)程的生產(chǎn)成本有很大的影響，繼而對(duì)企業(yè)整體的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。

多年來(lái)，隨著業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者的專(zhuān)研，破碎站移設(shè)布置優(yōu)化的研究已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的階段，主要有秦梓赫通過(guò)構(gòu)建生產(chǎn)成本模型對(duì)近水平煤層的單、雙固定和半固定破碎站布置及移設(shè)進(jìn)行了研究[3]；田仙寶通過(guò)破碎站和小型破碎機(jī)及加裝新破碎站的思路，提出5種破碎站移設(shè)方案并進(jìn)行分析，最后根據(jù)破碎站的選型確定最優(yōu)的移設(shè)方案[4]；陳樹(shù)召對(duì)比了他移式破碎站布置在端幫和工作幫的特點(diǎn)后選用工作幫布置方式，建立單臺(tái)階、復(fù)合臺(tái)階運(yùn)輸費(fèi)用優(yōu)化模型選出合理破碎站布置位置[5]；王進(jìn)文通過(guò)排列組合的方式組合出6種雙自移式破碎站搭配方案，分階段優(yōu)化單斗挖掘機(jī)、雙自移式破碎站和帶式輸送機(jī)的布置[6]；王喜賢運(yùn)用Excel的線性規(guī)劃功能對(duì)破碎站群水平布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化并確定移設(shè)步距[7]；戴林、李思維運(yùn)用AHP-GRAP法評(píng)價(jià)單、雙破碎站4種布置方案選擇最優(yōu)的布置方案[8]；李雁飛、何莎等在保證經(jīng)濟(jì)安全的前提下提出了3個(gè)破碎站移設(shè)布置優(yōu)化方案，從運(yùn)輸費(fèi)用、破碎站移設(shè)投資和附加費(fèi)用3個(gè)不同角度分析比選出經(jīng)濟(jì)合理的破碎站移設(shè)布置方案[9]；王伊鳴、王健等以運(yùn)輸時(shí)空模型的方法，通過(guò)VB開(kāi)發(fā)的軟件優(yōu)選出破碎站在采場(chǎng)各位置的最佳站位[10]；但是現(xiàn)有的破碎站移設(shè)布置的數(shù)學(xué)方法以近水平煤層移設(shè)為主，對(duì)于傾斜、急傾斜煤層的縱向破碎站移設(shè)布置研究較少，而我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富的新疆地區(qū)，部分煤田的煤層傾角較大，因此傾斜煤層縱向破碎站移設(shè)布置研究有實(shí)際意義，能夠合理有效地減少傾斜煤層露天礦破碎站移設(shè)所產(chǎn)生的投入費(fèi)用，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以新疆準(zhǔn)東露天礦為例，總結(jié)破碎站移設(shè)意義與布置原則，論述單、雙破碎站移設(shè)布置影響，以破碎站移設(shè)步距費(fèi)用相等法構(gòu)建運(yùn)費(fèi)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，確立破碎站移設(shè)步距通用的關(guān)系式，分析雙破碎站的布置方案，求出該方案下的合理移設(shè)步距。

1 單、雙破碎站移設(shè)布置影響分析

1.1 傾斜煤層破碎站移設(shè)現(xiàn)狀

在當(dāng)前的傾斜煤層破碎站移設(shè)步距研究中，還是基于水平煤層移設(shè)步距的思想，移設(shè)費(fèi)用相等的情況下總成本最小，其并沒(méi)有從空間位置上考慮破碎站在空間高度上移設(shè)時(shí)，卡車(chē)隨輸運(yùn)高度變化而運(yùn)輸重載費(fèi)用變化的因素。

眾所周知，運(yùn)輸費(fèi)用是露天開(kāi)采的主要費(fèi)用之一，而運(yùn)輸費(fèi)用的大小則由運(yùn)輸距離決定，但其中還有一個(gè)重要的卡車(chē)重載上、下坡因素，卡車(chē)在重載上坡時(shí)的加馬力提升以及下坡時(shí)的控制車(chē)速防止剎車(chē)失靈，這會(huì)使得卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用與水平運(yùn)輸相比多出一部分來(lái)，那么長(zhǎng)久來(lái)看這部分費(fèi)用在日積月累之下也會(huì)達(dá)到一個(gè)巨大的數(shù)字，因而有必要從重載卡車(chē)上下坡入手，對(duì)傾斜煤層破碎站在縱向上的移設(shè)做一個(gè)全新的研究，使得破碎站的移設(shè)步距趨向一個(gè)最優(yōu)的距離。

1.2 單、雙破碎站布置影響分析

單破碎站：其生產(chǎn)能力大、占地空間?。磺捌诘V山投入小，在總能力相同的情況下，建設(shè)一臺(tái)破碎站費(fèi)用比兩臺(tái)破碎站費(fèi)用的花費(fèi)低[11]，但破碎站和帶式輸送機(jī)損壞會(huì)造成停產(chǎn)；隨著縱采的進(jìn)行開(kāi)采臺(tái)階增多，運(yùn)往單破碎站的臺(tái)階變多，使得卡車(chē)上下坡路變多而造成卡車(chē)部件磨損，增加生產(chǎn)成本；半固定破碎站移設(shè)時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，單破碎站如果進(jìn)行移設(shè)，勢(shì)必會(huì)造成礦山幾個(gè)月的礦石運(yùn)輸問(wèn)題，影響礦山的開(kāi)采程序；露天礦山開(kāi)采受氣候影響較大，如果發(fā)生暴雨、暴雪造成破碎站的路線出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致破碎站無(wú)法工作，那么也會(huì)影響礦山的開(kāi)采。

雙破碎站：分兩種情況討論，一種是集中布置、另一種是分離布置。集中布置時(shí)生產(chǎn)能力大；一臺(tái)破碎站維修或移設(shè)另一臺(tái)仍能正常運(yùn)行，保證礦山的連續(xù)性；但是由于集中布置其占地空間大，需格外建設(shè)地基平臺(tái)，增加投資費(fèi)用；而且兩臺(tái)破碎站的前期投入更大，移設(shè)費(fèi)用也更大；與此同時(shí)兩破碎站共用一條帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)損壞也會(huì)造成停產(chǎn)。分離布置時(shí)受氣候的影響較??；運(yùn)往破碎站的卡車(chē)坡路相比于單破碎站少，對(duì)卡車(chē)的部件磨損也少，節(jié)約生產(chǎn)成本；兩臺(tái)破碎站可以前期錯(cuò)開(kāi)投入使用，分擔(dān)投資壓力；其用兩條帶式輸送機(jī)，如果一條損壞不會(huì)造成停產(chǎn)，并且單個(gè)破碎站的占地面積小，不需要格外建設(shè)地基平臺(tái)。

本文根據(jù)單、雙破碎站的經(jīng)濟(jì)和環(huán)節(jié)可靠性選用雙破碎站來(lái)進(jìn)行研究。

2 縱采破碎站移設(shè)步距

破碎站在移設(shè)過(guò)程中要保證卡車(chē)運(yùn)距最短；不影響礦山的采、運(yùn)、排工作[12]；避免線路交叉、影響運(yùn)輸；破碎站的位置可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變動(dòng)。多年來(lái)確定破碎站移設(shè)步距的常用方法主要有費(fèi)用相等法、最小成本法、總費(fèi)用最小法[13]，文中選用費(fèi)用相等法進(jìn)行研究，并對(duì)傳統(tǒng)的破碎站水平移設(shè)步距的費(fèi)用相等法作了進(jìn)一步改變，將傾斜煤層破碎站在縱向上移設(shè)時(shí)卡車(chē)重載上、下坡的因素加入進(jìn)來(lái)。

2.1 破碎站移設(shè)運(yùn)輸費(fèi)用數(shù)學(xué)關(guān)系構(gòu)建

將傾斜煤層縱采時(shí)破碎站在端幫處移設(shè)的采場(chǎng)局部模型理想化，如圖1所示，可列出某塊段剝離破碎站移設(shè)前后費(fèi)用的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

圖1 采場(chǎng)局部模型

各工作臺(tái)階工作線與采場(chǎng)最底部工作線的長(zhǎng)度關(guān)系：

Li=L0+2Hicotα(1)

則破碎站移設(shè)前后，運(yùn)輸費(fèi)用關(guān)系式：

某工作臺(tái)階一個(gè)破碎站移設(shè)步距內(nèi)的開(kāi)采量：

相鄰兩個(gè)工作臺(tái)階坡底線之間的水平距離：

破碎站在端幫臺(tái)階間移動(dòng)的移設(shè)步距：

破碎站在端幫臺(tái)階間移動(dòng)時(shí)，破碎站在臺(tái)階中點(diǎn)處移動(dòng)的垂直臺(tái)階走向方向的距離：

2.2 縱采端幫破碎站移設(shè)步距公式的確立

破碎站移設(shè)步距費(fèi)用相等法的原理是破碎站移設(shè)之前該塊段的卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用與破碎站移設(shè)之后卡車(chē)和移設(shè)破碎站所用的費(fèi)用相等時(shí)，該情況下的移設(shè)步距最為合理[14]，否則移設(shè)步距過(guò)短，移設(shè)破碎站費(fèi)用增加；移設(shè)步距過(guò)長(zhǎng)，卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用增加[15]。運(yùn)用上面的數(shù)學(xué)公式，列出縱采端幫破碎站移設(shè)步距的費(fèi)用相等法通用公式如下：

Fi=fi+CF+C0S(9)

式中，CF為破碎站移設(shè)的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)、拆安費(fèi)、臨時(shí)停產(chǎn)損失等費(fèi)用，元；C0為帶式輸送機(jī)單位延長(zhǎng)費(fèi)用，元/km。

2.3 縱采端幫破碎站移設(shè)步距公式驗(yàn)證

破碎站負(fù)責(zé)四個(gè)工作臺(tái)階(i=1，2，3，4，破碎站移設(shè)由臺(tái)階1～4)。

F1+F2+F3+F4=f1+f2+f3+f4+CF+C0ΔS(11)

經(jīng)檢驗(yàn)式(12)符合式(10)的公式實(shí)際結(jié)果，所以傾斜煤層縱采破碎站移設(shè)步距的公式(10)成立。

3 縱采雙破碎站移設(shè)方案分析

3.1 縱采雙破碎站移設(shè)方案

半固定破碎站在礦山設(shè)計(jì)中一般布置在端幫、工作幫、非工作幫和坑底，本文研究的是縱采半固定破碎站的移設(shè)問(wèn)題[16]，所以不能布置在坑底；而布置在工作幫的話，會(huì)無(wú)法滿足帶式輸送機(jī)的傾角不大于12°的條件[17]，并且在縱采情況下工作幫變化頻繁，間接導(dǎo)致破碎站移設(shè)頻繁，造成移設(shè)費(fèi)用的增加，因此不宜布置在工作幫[18]；傾斜煤層的非工作幫一般為煤層的底板，如果破碎站布置在底板上，那么勢(shì)必要破開(kāi)煤層底板進(jìn)行卡車(chē)運(yùn)輸，但是如果破碎站在端幫，而帶式輸送機(jī)布置在煤層底板，那么布置帶式輸送機(jī)破開(kāi)的底板量比布置卡車(chē)運(yùn)輸?shù)缆菲崎_(kāi)底板量少，建設(shè)費(fèi)用也會(huì)少，并且破碎站布置在底板的話，卡車(chē)所走的這段底板距離，換成破碎站布置在端幫時(shí)帶式輸送機(jī)所走的距離，那么運(yùn)費(fèi)會(huì)變少；所以本文選擇破碎站布置在端幫來(lái)進(jìn)行研究。

當(dāng)端幫采用雙破碎站移設(shè)時(shí)可以分為兩種情況：一種是同側(cè)布置、另一種是兩側(cè)布置。同側(cè)布置時(shí)可以集中布置或分離布置，由于集中布置會(huì)導(dǎo)致破碎站移設(shè)時(shí)兩個(gè)破碎站同時(shí)停產(chǎn)，而破碎站移設(shè)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月時(shí)間，這樣勢(shì)必會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，所以不宜集中布置，應(yīng)采用分離布置，為了滿足礦山縱采的需求和生產(chǎn)的連續(xù)性，采用分層布置、邁步式縱向移設(shè)，如圖2所示，開(kāi)始時(shí)只建設(shè)一個(gè)破碎站A，其負(fù)責(zé)前兩個(gè)臺(tái)階的運(yùn)輸工作，當(dāng)縱采進(jìn)行到第3個(gè)臺(tái)階時(shí)破碎站A還不到移設(shè)的條件，這時(shí)在第3臺(tái)階建立破碎站B，破碎站B負(fù)責(zé)第3臺(tái)階之后的運(yùn)輸工作，當(dāng)破碎站A進(jìn)行移設(shè)的時(shí)，將其移設(shè)到第2臺(tái)階(破碎站A在移設(shè)時(shí)不能超過(guò)破碎站B，否則造成膠帶線路交叉不符實(shí)際)，在移設(shè)時(shí)破碎站A不能工作，其負(fù)責(zé)的1、2臺(tái)階將運(yùn)往破碎站B，當(dāng)破碎站A移設(shè)后破碎站B移設(shè)時(shí)，其負(fù)責(zé)的臺(tái)階將通過(guò)破碎站A來(lái)運(yùn)輸，依次這樣錯(cuò)開(kāi)移設(shè)就可以保證礦山的生產(chǎn)連續(xù)性。

圖2 端幫同側(cè)分離布置破碎站移設(shè)平面

圖3 端幫兩側(cè)分臺(tái)階布置平面

兩側(cè)布置時(shí)可以同臺(tái)階布置或分臺(tái)階布置，同臺(tái)階布置的話在一臺(tái)破碎站移設(shè)時(shí)另一臺(tái)負(fù)責(zé)所有臺(tái)階工作，那么下面臺(tái)階卡車(chē)在上升時(shí)坡道變多而增加運(yùn)費(fèi)，所以可以采用分臺(tái)階布置，這樣上面破碎站移設(shè)時(shí)下面臺(tái)階卡車(chē)上升的坡路少，運(yùn)輸費(fèi)用也會(huì)減少。如圖6所示，開(kāi)始時(shí)在第1臺(tái)階布置破碎站A，在開(kāi)采進(jìn)行到第2臺(tái)階時(shí)布置破碎站B，這樣相鄰臺(tái)階布置進(jìn)行邁步式移設(shè)，當(dāng)破碎站A移設(shè)時(shí)破碎站B仍可繼續(xù)工作，破碎站A在移設(shè)時(shí)要進(jìn)行間隔臺(tái)階移設(shè)(兩側(cè)布置不存在膠帶線路交叉問(wèn)題)，可以避免破碎站處于同一臺(tái)階，破碎站A在移設(shè)時(shí)，其余臺(tái)階可通過(guò)破碎站B來(lái)運(yùn)輸，破碎站A移設(shè)完成后其負(fù)責(zé)的臺(tái)階為其所處臺(tái)階以下的；隨后破碎站B移設(shè)時(shí)破碎站A負(fù)責(zé)所有臺(tái)階的運(yùn)輸工作，破碎站B間隔臺(tái)階移設(shè)完成后負(fù)責(zé)其所處臺(tái)階以下的運(yùn)輸工作，這樣依次移設(shè)可以解決礦山的生產(chǎn)連續(xù)性問(wèn)題。

3.2 縱采雙破碎站移設(shè)方案的分析與選擇

端幫同側(cè)分離布置：優(yōu)點(diǎn)是破碎站在端幫布置能夠在縱采時(shí)不影響工作臺(tái)階的變動(dòng)，減少破碎站移設(shè)次數(shù)；使用兩條帶式輸送機(jī)，不會(huì)因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)損壞而影響生產(chǎn)；生產(chǎn)中會(huì)節(jié)約工作面到破碎站的坡路而減少運(yùn)費(fèi)；可以保證破碎站移設(shè)時(shí)礦山生產(chǎn)的連續(xù)性；第二個(gè)破碎站投入的時(shí)間相對(duì)兩側(cè)布置短，使生產(chǎn)投入費(fèi)用在時(shí)間上更合理；相對(duì)于兩側(cè)布置前期投入小。缺點(diǎn)是使用兩條帶式輸送機(jī)前期投入大，并且同側(cè)兩條帶式輸送機(jī)的布置距離比破碎站兩側(cè)布置更長(zhǎng)一些，破開(kāi)的煤層底板也多一些，在費(fèi)用上會(huì)變多；上部破碎站向下移設(shè)的臺(tái)階受到下部破碎站的約束。

端幫兩側(cè)分臺(tái)階布置：優(yōu)點(diǎn)是端幫能夠在縱采時(shí)不影響工作臺(tái)階的變動(dòng)，減少破碎站移設(shè)次數(shù)；兩破碎站能夠在臺(tái)階間自由移設(shè)而相互不受影響，為了合理性按照規(guī)劃移設(shè)；使用兩條帶式輸送機(jī)，不會(huì)因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)損壞而影響生產(chǎn)；生產(chǎn)中會(huì)節(jié)約工作面到破碎站的坡路而減少運(yùn)費(fèi)；能夠保證破碎站移設(shè)時(shí)礦山生產(chǎn)的連續(xù)性。缺點(diǎn)是使用兩條帶式輸送機(jī)前期投入大；由于兩側(cè)都有帶式輸送機(jī)的布置會(huì)導(dǎo)致以后往一側(cè)橫采時(shí)破碎站的移設(shè)問(wèn)題。

綜上所述，為了礦山未來(lái)橫采的考量，選用端幫同側(cè)分離布置的方案來(lái)布置破碎站。

4 實(shí) 例

4.1 雙破碎站移設(shè)步距

新疆準(zhǔn)東露天礦其礦田儲(chǔ)量豐富，適合大型露天礦開(kāi)采，如圖4所示，根據(jù)準(zhǔn)東露天礦開(kāi)采實(shí)際參數(shù)及參考其他露天礦的指標(biāo)[19，20]，確定準(zhǔn)東露天礦縱采半固定破碎站移設(shè)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 破碎站移設(shè)參數(shù)

圖4 準(zhǔn)東露天礦現(xiàn)場(chǎng)平面

將這些參數(shù)代入式(10)得破碎站A、B移設(shè)步距ΔSA=481 m，ΔSB=492 m。

4.2 雙破碎站端幫臺(tái)階間移設(shè)合理性

根據(jù)帶式輸送機(jī)爬坡角度不大于12°的原則，因此破碎站向下移設(shè)一個(gè)臺(tái)階的最小移設(shè)距離為：

ΔS=16÷tan12°=55.8 m

ΔS<ΔSA=481 m，ΔS<ΔSB=492 m

綜上所述，破碎站在端幫臺(tái)階間移設(shè)符合帶式輸送機(jī)爬坡角度不大于12°的要求，能夠進(jìn)行移設(shè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)結(jié)合傾斜煤層當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了還存在的不足之處，以及改進(jìn)的方向，通過(guò)經(jīng)濟(jì)、環(huán)節(jié)可靠性兩方面分析單、雙破碎站布置對(duì)露天礦開(kāi)采、生產(chǎn)投入的影響，最后確定選用雙破碎站布置進(jìn)行研究。

2)根據(jù)破碎站布置在端幫時(shí)的采場(chǎng)各位置圖，加入卡車(chē)重載上、下坡的因素，構(gòu)建半固定破碎站在縱向移設(shè)前后，卡車(chē)與帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸費(fèi)用數(shù)學(xué)關(guān)系式，以移設(shè)費(fèi)用相等法為原則進(jìn)行數(shù)學(xué)關(guān)系式的聯(lián)立，確立出通用的破碎站縱向移設(shè)步距的通用關(guān)系式，并通過(guò)破碎站負(fù)責(zé)四個(gè)工作臺(tái)階開(kāi)采時(shí)的移設(shè)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

3)通過(guò)對(duì)雙破碎站在端幫處的兩種布置與移設(shè)的優(yōu)劣性進(jìn)行對(duì)比，選取端幫同側(cè)分離布置的方案，并以準(zhǔn)東露天礦的實(shí)際參數(shù)及參考其他露天礦的指標(biāo)來(lái)計(jì)算出半固定破碎站在該方案下第一次移設(shè)的步距，破碎站A移設(shè)步距為481 m，破碎站B移設(shè)步距為492 m，并分析破碎站在端幫臺(tái)階間移設(shè)符合帶式輸送機(jī)爬坡角度不大于12°的要求。