馬 力 ，李瑞行 ，劉福明 ，孫進步 ，董志龍 ，王恒榮 ，靳新宇 ，薛 飛 ，徐甜新

（1.西安科技大學 能源學院, 陜西 西安 710054；2.新疆天池能源有限責任公司, 新疆 昌吉 831100）

0 引 言

露天煤礦適用于開采范圍廣、煤層厚度大的煤田。為了提高煤炭資源開發(fā)效率，通常把煤田分成若干獨立的露天煤礦[1-2]。然而受開采技術、設備規(guī)格、產量規(guī)模、煤層賦存條件以及經濟效益等各種因素影響，且為避免大型露天煤礦整體開采時運輸距離大、運費高、工作線長度大、開采成本高、初期投資時間長、投資費用大等缺點，在滿足技術經濟條件下，對露天煤礦進行合理的采區(qū)劃分[3-5]。采區(qū)過大，則過長的工作線和過大的運距導致露天煤礦開采過程中經濟效益降低；而采區(qū)過小，頻繁的采區(qū)接續(xù)增大生產管理難度影響生產效率。因此，劃分合理的采區(qū)關系是提高露天煤礦生產效率和經濟效益的基礎。劉憲權等[6]基于近水平露天煤礦采區(qū)劃分提出了坑底縱向搭橋及轉向期反向內排開采程序；白潤才等[7-8]基于熵值法與Topsis 法構建了采區(qū)劃分方案評價模型；張瑞新[9-10]等優(yōu)化了露天煤礦開采程序設計相關計算機模型，對哈爾烏素露天煤礦的開采程序提出了多方案動態(tài)綜合優(yōu)化方法，并對安太堡和安家?guī)X的開采程序提出了遞階優(yōu)化方法；葉義成[11]采用雙基點法對開采程序進行多目標綜合排序，并確定了敏感指標；劉桐等[12]采用Delphi-Topsis 法構建了霍林河露天煤礦采區(qū)劃分方案優(yōu)選模型。以新疆準東某露天煤礦擴能目標為研究背景，提出多種采區(qū)劃分方案，結合該露天煤礦具體開采條件確定采區(qū)劃分方案評價指標，并構建綜合評價模型，確定最佳的采區(qū)劃分方案，以滿足擴能至50 Mt/a 的生產能力要求。

1 研究區(qū)概況

以新疆準東某露天煤礦為研究對象，礦區(qū)南北最大長達40.78 km，東西最大寬達37.69 km，面積1 127.32 km2。礦田主要可采煤層為B5、B3、B2三層煤層，且均為巨厚煤層，可采煤層平均厚度為44.2 m。其中剝離工藝采用單斗-卡車間斷工藝；采煤工藝采用單斗-卡車-半移動式破碎站-帶式輸送機半連續(xù)開采工藝[13-15]。該露天煤礦年產原煤量19.85 Mt，為進一步做好露天煤礦生產經營長遠規(guī)劃，該生產能力擬核增至50 Mt/a。

如以當前工作線長度1 500 m 繼續(xù)向前推進，每年的推進度將達到600 m/a 左右，超出《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》規(guī)定的小于400 m/a 要求。將造成外排運距過大且破碎站的移設頻繁。因此，應以適應產能需求的工作線長度對采區(qū)進行優(yōu)化，提高生產效率及經濟效益。

2 工作線長度優(yōu)化

2.1 技術可行的工作線長度

由年產量、容重、含煤率、采出率、煤厚及推進度，確定技術可行工作線長度，應滿足[16]：

式中：Q為年產量，t/a；Lk為技術可行原煤工作線長度，m；vt為推進度，m/a；hm為煤層平均厚度，m；γ為原煤容重，t/m3；η為煤層采出率。

根據該礦產能核增要求，以目前1 500 m 工作線長度，分別計算露天礦產能20 Mt/a 與計劃產量增至為50 Mt/a 時推進度為

由此可見，產能核增后，以當前工作線長度生產將導致推進度過大，應合理增大工作線長度以降低高產能條件下的推進度。結合《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范》要求，設計生產能力為50 Mt/a 時的推進度宜控制在241～400 m/a，進而確定產能核增后技術可行工作線長度為2 261.7～3 753.9 m，如圖1 所示。

圖1 工作線長度與推進度關系Fig.1 Relation between working face length and propulsive degree

2.2 經濟合理的工作線長度

通過該露天煤礦的端幫邊坡角、上覆巖層剝離物與煤層厚度、爆破、采裝及運輸費用、排棄路線系數以及排棄的影響距離，確定經濟合理工作線長度[17-18]：

式中：Lh為經濟合理采煤工作線長度，km；H為剝離層平均厚度，m；β為端幫邊坡角，(°)；c1為穿孔爆破、采裝、排土費，元/m3；c2為運輸費，元/(m3·km)；a為排棄路線系數，雙環(huán)內排時取0.5，單環(huán)內排時取1；b為排棄影響距離，km。

排棄影響距離可按式計算：

式中：θ為內排土場幫坡角，(°)；φ為工作幫坡角，(°)；m為坑底安全距離，km。

結合煤厚與上覆巖層厚度，確定經濟合理工作線長度為2 286.3～2 496.5 m。

2.3 最佳工作線長度

確定產能核增50 Mt/a 時，技術可行工作線長度為2 261.7～3 753.9 m，經濟合理工作線長度為2 286.3～2 496.5 m。兩者取交集為2 286.3～2 496.5取整后確定核增后最佳工作線長度在2 300～2 500 m內取值。

3 采區(qū)劃分方案及分析評價

3.1 采區(qū)劃分方案

3.1.1 采區(qū)劃分原則

采區(qū)劃分應滿足開采工藝系統(tǒng)及生產能力的需要，結合礦田的幾何形狀、地質條件、開采工藝和采區(qū)接續(xù)等因素，以最佳工作線長度為采區(qū)寬度劃分依據，同時要綜合考慮采區(qū)長度及服務時間、采區(qū)過渡方式及影響，各采區(qū)剝采比變化關系等。

3.1.2 采區(qū)劃分方案的提出

1）方案一：先以礦區(qū)南邊界往北劃分為四采區(qū)，再對剩余未開采礦區(qū)從東往西以最佳工作線長度劃分成3 個采區(qū)，各采區(qū)工作線長度皆基本滿足合理工作線長度，如圖2 所示。

圖2 采區(qū)劃分方案一及各采區(qū)剝采比Fig.2 Mining area division scheme 1 and stripping ratio bar chart of each mining area

2）方案二：從開采現狀逐漸往西南方向推進，西南方向4 000 m 左右為首采區(qū)；再由此往東至東部邊界為二采區(qū)；然后剩余未開采礦區(qū)東部的南北方向長度均分劃分成上下三采區(qū)和五采區(qū)，最后西部合理工作線長度按開采順序劃分為四采區(qū)，如圖3 所示。

圖3 采區(qū)劃分方案二及各采區(qū)剝采比Fig.3 Mining area division scheme 2 and stripping ratio bar chart of each mining area

3）方案三：首采區(qū)、二采區(qū)與方案二首采區(qū)、二采區(qū)采區(qū)劃分方案相同；然后剩余未開采礦區(qū)劃分成3 個采區(qū)。保證三采區(qū)、四采區(qū)從東往西劃分在最佳的工作線長度范圍內，最后剩余未開采部分為五采區(qū)，如圖4 所示。

圖4 采區(qū)劃分方案三及各采區(qū)剝采比Fig.4 Mining area division scheme 3 and stripping ratio bar chart of each mining area

4）方案四：首采區(qū)、二采區(qū)與方案二首采區(qū)、二采區(qū)的采區(qū)劃分方案相同；然后直接在剩余未開采礦區(qū)南北方向上劃分成三采區(qū)及四采區(qū)，如圖5所示。

圖5 采區(qū)劃分方案四及各采區(qū)剝采比Fig.5 Mining area division scheme 4 and stripping ratio bar chart of each mining area

3.2 采區(qū)劃分方案對比

3.2.1 采區(qū)平均工作線長度及剝采比

通過采區(qū)劃分及剝采比等值線圖確定4 種方案中各采區(qū)的平均工作線長度和剝采比大小見表1。

表1 各采區(qū)平均工作線長度及剝采比Table 1 Average working face length and stripping ratio of each mining area

3.2.2 方案對比

結合該礦端幫邊坡角34°、內排土場邊坡角23°，考慮各采區(qū)平均埋深、相鄰采區(qū)二次剝離長度，基于全壓幫內排方式，分析4 種采區(qū)劃分方案的優(yōu)缺點。

1）方案一：優(yōu)點：①工作線長度分布較均勻；②各采區(qū)形狀較規(guī)則，便于生產；③采區(qū)數量少、過渡次數較少；④容易實現內排；⑤剝采比變化趨勢隨著采區(qū)發(fā)展逐漸增大。缺點：①由剝采比等值線圖可知各采區(qū)剝采比分布不均勻；②采區(qū)間接續(xù)均需重新拉溝，工程量大耽誤組織生產；③外排運距3.1 km，長度過大，降低外排效率。

2）方案二：優(yōu)點：①首采區(qū)剝采比1.8 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產快；②較容易實現內排；③外排運距為2.2 km，相對較??；④剝采比變化趨勢隨著采區(qū)往后逐漸增大，趨勢較好。缺點：①各采區(qū)工作線長度變化較大；②二次剝離量950.7 Mm3，相對較大；③采區(qū)數量相對較多繼而接續(xù)次數多，影響生產。

3）方案三：優(yōu)點：①首采區(qū)剝采比1.85 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產快；②較容易實現內排；③外排運距2.2 km，相對較小。缺點：①二次剝離量為1 166.5 Mm3，重復剝離大；②采區(qū)數量多，接續(xù)復雜，工程量大；③五采區(qū)內工作線長度分布不均勻；④各采區(qū)工作線長度變化較大；⑤剝采比變化趨勢先增后減，趨勢較差。

4）方案四：優(yōu)點：①各采區(qū)工作線長度分別分布較均勻；②首采區(qū)剝采比1.85 m3/t，前期剝采比較小減小前期投資，投產快；③剝采比變化趨勢隨著采區(qū)往后逐漸增大，趨勢較好；④采區(qū)數量相對較少，接續(xù)簡單；⑤外排運距2.2 km，相對較小。缺點：后期采區(qū)內剝采比較大。

4 采區(qū)劃分方案優(yōu)選

4.1 采區(qū)劃分評價指標

通過分析總結多個周邊相似露天煤礦采區(qū)劃分經驗，且進一步結合專家評價分析確定下列9 個指標作為采區(qū)劃分影響指標。

1）平均工作線長度。平均工作線長度應結合擴增為50 Mt/a 的生產能力確定，工作線長度過長或過短對采運排主要生產環(huán)節(jié)均有一定影響。

2）二次剝離量。采區(qū)邊界造成開采過程中上覆巖石的重復剝離，大幅度增加生產成本。

3）前期外排運距。前期外排運距的大小直接影響排棄費用以及外排效率。外排運距過大，則會增加采排費用，降低排卸效率及經濟效益。

4）內排難易程度。內排難易程度嚴重影響對排卸物進行排卸時的效率及經濟效益。內排越難，造成的排卸費用就越大。

5）采區(qū)接續(xù)次數。在露天煤礦生產過程中，頻繁的采區(qū)接續(xù)會浪費大量生產時間及造成復雜的生產管理，嚴重影響原煤的生產效率。

6）首采區(qū)勘探程度。首采區(qū)勘探程度不明，在生產推進的過程中，因煤層厚度的驟變或者部分自燃導致生產能力受嚴重影響。

7）采區(qū)接續(xù)難易。在采區(qū)的過渡接續(xù)中，采區(qū)接續(xù)越難，則對采、運、排等主要生產環(huán)節(jié)的影響越大，影響生產效率。

8）首采區(qū)剝采比。首采區(qū)的剝采比大小嚴重影響露天煤礦開采的前期經濟效益。首采區(qū)剝采比越小，前期經濟效果越好。

9）各采區(qū)剝采比變化趨勢。隨著開采的工作面向前推進，剝采比也應保證隨著采區(qū)不斷過渡接續(xù)，不呈大幅度波動變化。

其中，各指標數據見表2。

表2 采區(qū)劃分評價指標數據Table 2 Data of division of mining area index

4.2 指標權重確定

各評價指標對采區(qū)劃分的影響程度取決于各指標權重，且權重是方案優(yōu)選的關鍵性指標。選取集值迭代法確定指標權重，其原理如下[19-20]。

設Y={y1,y2,···,yq}為有限論域，P={p1,p2,···,pq}，選初始值k(1 ≤k≤q),然后pj(j=1,2,3,···,n)按下完成計算：

①在Y中選pj優(yōu)選屬于A的R1=k個元素，得Y的子集：

②在Y中選pj優(yōu)選屬于A的R2=2k個元素，得Y的子集：

③在Y中選pj優(yōu)選屬于A的Rt=tk個元素，得Y的子集：

假設自然數t滿足q=tk+c,1 ≤c≤k,則在第t+1 步迭代終止。

yj的覆蓋頻率：

式中： χy(sj)是集合的特征函數，將m(yi)歸一化即可得各指標權重。

由5 位專家P={p1,p2,p3,p4,p5}對采區(qū)劃分各項指標進行優(yōu)先排序，最終得到權重集：W=(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w8,w9)=(0.058,0.164,0.076,0.133,0.08,0.04,0.084,0.187,0.178)。

4.3 TOPSIS 評價法

TOPSIS 原理是在比選方案中選出最優(yōu)指標和最劣指標，并分別組成理想方案和最劣方案，然后計算出理想方案和各比選方案貼近度，由此給各比選方案進行排序，選出最佳方案[21-25]。

2）矩陣歸一化。

式中：aij為評價i在第j指標值；Xij為第i評價對象在第j指標值；X3為經Xij倒數轉化后值。

歸一化矩陣：

3）最優(yōu)、最劣向量。分別取歸一化矩陣每行的最大值、最小值為最優(yōu)向量A+與最劣向量A-：

5）計算各方案與理想方案的貼近度Ci：

6）貼近度Ci越大，說明越接近模型理想方案，離最劣方案越遠，即所比選最佳方案。

4.4 比選方案貼近度確定

通過上述TOPSIS 評價法以及各比選方案評價指標參數，計算確定出各比選方案貼近度見表3。

表3 比選方案貼近度Table 3 Closeness of the comparison scheme

由表3 可知，C4=0.772 最大，即方案四最接近理想方案，因此方案四為最佳方案。

5 結 論

1）依據技術可行與經濟合理為原則，分別計算了產能擴增至50 Mt/a 時的工作線合理范圍，綜合確定了工作線長度最佳范圍為2 300～2 500 m。

2）基于確定的最佳工作線長度對采區(qū)進行劃分，提出4 種采區(qū)劃分方案，計算了個采區(qū)平均工作線長度及剝采比，確定4 種采區(qū)劃分方案的二次剝離量、前期外排運距、內排難易程度以及各采區(qū)劃分方案的優(yōu)缺點。

3）構建了基于集值迭代法-TOPSIS 法的采區(qū)劃分方案評價模型，計算了各種方案的貼近度，并確定了從開采現狀逐漸往西南方向推進4 000 m 左右為首采區(qū)，再由此往東至東部邊界為二采區(qū)，然后剩余未開采礦區(qū)在南北方向長度均分劃分成上下三采區(qū)和四采區(qū)的最佳采區(qū)劃分方案。