露天礦外部溝溝道深度優化

張周愛，鞠興軍，李雁飛，黃玉凱

（神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021500）

露天礦采礦生產工程中，建立溝道是一項經常性的生產工作，用于建立運輸系統的聯系[1]。如何優化運輸系統縮短運距，是露天礦山經濟效益最大化的最佳途徑[2-6]。而溝道位置的選擇和土巖的流向、流量與礦山生產過程中的建設和運輸費用直接相關，對礦山經濟效益具有較大的影響[7]。但在生產實踐中，建立溝道通常只是基于合理性，卻極少有專家、學者對溝道深度進詳細的研究。外部溝溝道深度一方面直接影響通過該溝道的采剝工程量運距，另一方面決定了外部溝的掘溝工程量。為此，通過研究外部溝的采剝工程量運距、外部溝掘溝工程量與外部溝溝道深度之間的關系，運用費用補償法，確定經濟合理的外部溝溝道深度。

1 影響外部溝設置的因素

根據露天礦開拓坑線與開采境界或者采場邊幫的相對位置，可將開拓坑線分為外部坑線（外部溝）和內部坑線（內部溝）。外部溝多見于鐵路開拓和公路開拓，與內部溝相比，外部溝具有線路平直，不受礦體形狀影響；運距短；減少卡車（列車）運行折返次數，增加設備通行效率；可能增加境界外溝道工程量等特點。

影響外部溝設置的因素有以下幾個方面：

1）外部溝類型。外部溝根據需要可以設置在非工作幫和工作幫上，當設置在非工作幫時，為固定坑線外部溝，當設置在工作幫時，為移動坑線外部溝。一般來講，固定坑線外部溝的溝道工程量發生在開采境界以外，屬于純增加的剝離量。工作幫未推進至最終開采境界時，移動坑線外部溝的溝道工程量位于采場外，僅發生的時間有所提前。當工作幫接近最終開采境界時，繼續采用移動坑線外部溝，則產生的溝道工程量亦位于開采境界之外，屬于純增加的剝離量。

2）外部溝與礦巖排卸點相對位置關系。固定坑線外部溝與礦巖排卸點的位置相對固定，當外部溝設置在采場與礦巖排卸點之間且溝道深度不變時，縮短的地面干線運距不變；而移動坑線外部溝位置隨工作幫推進而變化，即使溝道深部不變，縮短的地面干線運距也隨工作幫推進而動態變化。

3）外部溝服務年限。固定坑線外部溝服務年限越長，通過外部溝的礦巖量越大，則外部溝溝道深度可越大，反之，則溝道深度應越小；移動坑線外部溝的服務年限在影響通過外部溝的礦巖量的同時還影響地面干線運距，因此對溝道深度的影響更為復雜。

經濟合理的外部溝溝道深度需要根據外部溝的不同類型加以分析確定。

2 固定坑線的外部溝溝道深度優化

對采用固定坑線外部溝的鐵路開拓露天礦，境界內采剝工程量越大，外部溝可以越深，而對于緩傾斜礦體的露天礦，受鐵路開拓溝道坡度（1.5%～3%）較小的影響，外部溝溝道深度一般不超過地表以下2～3 個臺階[8]。隨著露天采礦工藝的發展，公路開拓取代鐵路開拓成為當前露天開拓方式的重要組成部分，公路開拓溝道限制坡度較大（8%），因此外部溝溝道合理深度的取值范圍更大。

研究表明，固定坑線外部溝道對于運輸干線運距的影響主要表現在2 個方面：①減少內部溝的坑內折返運距和緩坡段運距；②縮短地面干線運距。因此當固定坑線外部溝的深度滿足下式即為合理：

式中：Cy為單位運費，元/(t·km)；△L 為內部溝與外部溝運距差值，km；Q 為經出入溝的累計總運量，t；Ck為溝道和擴幫工程的單位費用，元/m3；△V為外部溝與內部溝工程量差值，m3。

對于公路開拓露天礦，內部溝工程量可忽略不計，△V 即為外部溝工程量，開拓露天礦的外部溝如圖1。

圖1 開拓露天礦的外部溝

溝道降深深度為N 個臺階的外部溝工程量可按下式計算：

式中：h 為臺階高度，m；i0為道路限制坡度；d 為道路緩坡段長度，m；b 為道路寬度，m；α1為臺階坡面角，（°）；α2為溝道各水平道路中心線與外部溝中心線的夾角，（°）；M 為溝道深度為N 個臺階時的溝道臺階從下至上的編號，1＜M＜N-1；Df為非工作幫平盤寬度，m。

由式（2）可知，△V 隨溝道深度增加而增大，因此△V 可用一個關于N 的函數表示：△V＝FV（N）。同理，由于固定坑線外部溝的△L 也隨溝道深度增加而增大，因此△L 也可用一個關于N 的函數表示：△L＝FL（N）。則采用外部溝節約的運費與外部溝工程費用之差Fz為：

Fz是關于外部溝臺階數N 的函數。對F 總求極值，在N 可能的取值范圍內，使得Fz最大的N 即為溝道合理臺階數，對應的溝道深度最優。

3 移動坑線的外部溝溝道深度優化

由于移動坑線外部溝與礦巖排卸點的位置關系隨工作幫向前推進而處于動態變化的過程中，溝道合理深度與外部溝服務年限及各年度的運距、運量有關，因此用式（1）確定的方法不再適用。

移動坑線開拓時，在開采工程中，開拓坑線隨一側工作幫推進而移動[9]。隨著工作幫的推進，移動坑線外部溝存在2 種狀態：開采境界內與開采境界外。移動坑線外部溝的狀態如圖2。

圖2 移動坑線外部溝的狀態

3.1 外部溝處于開采境界內

當移動坑線外部溝處于開采境界內時，溝道工程量發生在開采境界內，建立外部溝相當于在工作幫進行了超前剝離，因此其費用與溝道服務期限P有關。另外，隨著采場工作幫推進，外部溝相對于卸料點G 的位置發生變化，導致外部溝比內部溝節約的運距也發生了變化，外部溝與內部溝的外排運距示意圖如圖3。

圖3 外部溝與內部溝的外排運距示意圖

移動坑線外部溝的合理臺階數N 按下式確定：

式中：P 為溝道服務年限，a；j 為正整數，1≤j＜P；Qj為第j 年通過溝道的運量，t；FL（(j,N）為第j 年外部溝節約的運距，km；kh為投資回報率。

即在移動坑線外部溝服務期限內，使各年度通過外部溝節約的運費累計值與外部溝超前剝離費用之差達到最大時的溝道臺階數N 最為合理，所對應的溝道深度最優。

3.2 外部溝處于開采境界外

由于固定坑線外部處于開采境界外，因此建立外部溝增加了額外的剝離工程量。對于移動坑線外部溝而言，當采場工作幫接近最終開采境界時，外部溝先于工作幫到界，外部溝先于工作幫到界如圖4。

圖4 外部溝先于工作幫到界

到界后的外部溝有2 種設置方案：①外部溝逐步靠幫到界，避免了增加額外的溝道工程量，但外部溝功能消失，無法縮短外排運距；②外部溝繼續隨工作幫推進，外部溝可繼續使用，但外部溝處于開采境界外，需額外增加溝道工程量。因此，對于處于開采境界外的外部溝而言，溝道的合理深度需要通過計算外部溝節約的運費和外部溝額外增加的工程費用確定。移動坑線外部溝直至采場工作幫到界時才最終形成，與固定坑線外部溝的形成過程恰恰相反，因此外部溝合理臺階數N 應根據下式確定：

式中：Dt為出入溝到界時采場工作幫最上臺階與開采境界的距離，m；vt為工作幫年推進速度，m/a。

即從移動坑線外部溝到界至工作幫到界的服務期限內，使各年度通過外部溝節約的運費與外部溝額外增加的工程費用之差累計值達到最大時的溝道臺階數N 最為合理，所對應的溝道深度最優。

4 實例分析

神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，年產量在30 Mt/a，是大型的近水平復合露天煤礦。在采區重新劃分后，三采區未來面臨向四采區轉向開采，轉向期間內排空間不足，大量剝離物需運往外排土場。為減少外排運距，避免大量的卡車在內部溝溝道折返運輸，可在采場工作幫方向和端幫非工作幫方向建立外排溝，由單斗卡車排棄至外排土場。寶日希勒露天礦開采參數如下：①臺階高度h=15 m；②道路限制坡度i0=10%；③道路緩坡段長度d=50m；④道路寬度b=50 m；⑤臺階坡面角α1=33°；⑥溝道各水平道路中心線與外部溝中心線的夾角α2=15°；⑦非工作幫平盤寬度Df=50m；⑧工作幫年推進速度vt=350 m/a；⑨投資回報率1.95%。

1）當建設固定坑線外部溝，服務年限P=5 年時，Qj={6 200，5 800，5 600，6 300，6 000}（萬t），對應節省運距FL（j）={2.1，1.7，1.6，2.0，1.8}（km），（j=1，2，3，4，5），將參數代入式（3）中計算：在溝道臺階數量合理的范圍內，確定節省費用Fz=2 156 萬元，溝道臺階數量N=7。所對應的溝道深度最優為105m。

2）當建設移動坑線外部溝，外部溝在開采境界內，服務年限P=6 年時，將參數代入式（4）中計算：在溝道臺階數量合理的范圍內，確定節省費用3 410 萬元，溝道臺階數量為8。所對應的溝道深度最優為120 m。

外部溝在開采境界外時，出入溝到界時采場工作幫最上臺階與開采境界的距離Dt=720 m，服務年限P=2 年時，將參數代入式（5）中計算：在溝道臺階數量合理的范圍內，確定節省費用480 萬元，溝道臺階數量3。所對應的溝道深度最優為45 m。

5 結語

1）總結了外部溝道的特點及影響外部溝設置的主要因素。

2）運用費用補償法，分析研究外部溝服務期限內通過外部溝外排的采剝工程量及其運距、外部溝掘溝工程量與外部溝溝道深度之間的關系，提出了固定坑線和移動坑線的外部溝溝道深度優化確定的方法，并依次建立了函數模型。

3）結合神華寶日希勒露天煤礦，實際情況當建設固定坑線外部溝時，確定溝道深度最優為105 m，節省費用2 156 萬元；當建設移動坑線外部溝，外部溝在開采境界內，確定溝道深度最優為120 m，節省費用3 410 萬元；外部溝在開采境界外時，確定溝道深度最優為45 m，節省費用480 萬元。