復合煤層露天礦綜合開采工藝經濟合理工作線長度優化

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任公司，內蒙古 錫林浩特 026000；2.應急管理部信息研究院，北京 100029；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；5.神華銷售集團東北能源貿易有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

露天煤礦工作線長度是影響露天煤礦生產能力、經濟效益以及采區劃分的一個重要因素[1]，在推進度變化不大的情況下，工作線長度便成為決定露天煤礦產量的重要因素之一[2]。對于分區開采的露天礦，工作線長度的確定意味著采區寬度的確定，該項工藝參數從建設初期開始就影響著露天礦的方方面面，最終在經濟效益上體現出來[3]。工作線長度不是一成不變的，應結合生產規模、市場變化、勘探程度和開采工藝的改造適時進行規劃和調整，同時優化工作線長度還應考慮經濟效益和社會效益[4]。

目前對于露天煤礦工作線長度的計算已有一定研究，形成了2 種典型的工作線長度確定方法：

1）通過分析露天煤礦在一定生產能力情況下工作線長度與推進速度的關系，得出技術可行的工作線長度；分析在規定產能時露天礦剝離總費用與工作線長度的關系，得出經濟合理的工作線長度。最終確定滿足生產能力時剝離總費用最小的工作線長度即為露天礦合理的工作線長度[5-7]。

2）利用計算機輔助設計系統構建三維地質模型及開采模型，選取不同工作線長度布置方案進行模擬開采，對比分析不同工作線長度開采時得技術、經濟指標，綜合確定露天礦合理工作線長度[8]。

1 單一開采工藝系統工作面運輸成本分析

臺階開采過程中，采掘設備與運輸系統沿工作線往復進行采掘與運輸作業，開采工藝系統的運行成本與工作線長度有關。由于不同開采工藝系統的采掘設備、物料運輸、作業方式等各不相同，因此工作線長度對系統運行成本的影響方式和程度也不相同。例如，單斗-卡車工藝系統的工作線長度越長，卡車內排運距越長，系統運行成本越高；而單斗-自移式破碎機半連續工藝系統恰恰相反，工作線長度越長，工作面帶式輸送機移設次數越少，采掘設備折返次數越少，運行成本越低。綜上所述，綜合開采工藝露天礦合理的工作線長度，需要根據各種開采工藝系統的工作面運輸成本與工作線長度的關系來優化確定。

按運輸線路所處位置分類，各開采工藝的運輸距離可分為工作面運距、端幫運距、地面運距、卸載點運距；其中采煤和剝離外排時，工作面運距與工作線的長度有關；當剝離內排時，工作面運距和卸載點運距均與工作線長度有關。

1.1 卡車工作面運輸成本

卡車工作面運輸成本主要包含4 個方面：燃油成本、備件成本、人工成本、設備折舊，其中燃油成本與工作面水平運距正相關。

卡車運送單位體積物料的運輸成本計算公式為：

式中：Ckc為卡車運輸單位體積物料成本，元/m3；Cy為卡車的燃油單價，元/t；Lk為卡車運輸工作面水平運距，km；Yp為單位體積物料的水平運輸油耗，t/（m3·km）；Hk為卡車運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備折舊費，元/m3。

露天礦內排運輸示意圖如圖1。當露天礦采用單環內排時，卡車運輸工作面運距和卸載點運距都與工作線長度有關，因此將卸載點運距統一到工作面運距進行計算，則工作面水平運距為Lg，單環內排如圖1（a）；同理，當采用雙環內排時，工作面水平運距為Lg/2。

圖1 露天礦內排運輸示意圖

由式（1）及工作線長度與卡車運輸工作面水平運距關系可知，工作線長度越大，卡車運輸的工作面水平運距越大，卡車工作面運輸成本越高。

1.2 帶式輸送機工作面運輸成本

工作面帶式輸送機運輸成本主要包含4 個方面：電力成本、備件成本、人工成本、設備折舊，其中電力成本與工作面帶式輸送機長度正相關，設備折舊與工作面長度負相關。

工作面帶式輸送機運送單位體積物料的運行成本計算公式為：

式中：Cs為帶式輸送機運輸單位體積物料的成本，元/m3；PsM為帶式輸送機電機功率，kW；Cd為輸送機用電單價，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備折舊費用，元/m3。

在采用工作面帶式輸送機的工藝系統中，每采完1 條采掘帶，帶式輸送機需按一定步距進行移設。移設期間，開采工藝系統停止作業。因此工作線越短，帶式輸送機移設越頻繁，系統停止作業時間越長，年生產能力越小。而采用工作面帶式輸送機的連續、半連續工藝系統設備投資大，由于設備折舊年限固定，破碎、運輸系統年折舊費用固定，故系統生產能力越小，則單位體積物料承擔的破碎、運輸系統折舊費用越高，整體運費越高；反之，則整體運費越低。故單位體積物料的設備折舊費用CsZ為：

式中：FsZ為帶式輸送機系統總投資，元；Nsf為帶式輸送機系統服務年限，a；Qse為帶式輸送機系統年額定生產能力，m3/a；Psg為在移設周期內采掘設備沿工作線方向的推進速度，m/d；Tsy為工作面帶式輸送機單次移設耗時，d；Ls為工作面帶式輸送機長度，Ls=Lg·m。

綜上所述，工作面帶式輸送機運送單位體積物料的運輸成本先隨工作線長度增大而減小，后隨工作線長度增大而增大。

1.3 吊斗鏟剝離倒堆工藝運行成本

吊斗鏟剝離倒堆工藝沒有運輸環節，剝離物直接由吊斗鏟挖掘后卸載至采空區的內排土場，工藝系統的運行成本可由式（4）計算：

式中：Cw為吊斗鏟工藝系統運行成本，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備折舊費用，元/m3。

在吊斗鏟倒堆工藝中，每采完1 條采掘帶，剝采設備總有一段時間停止作業。工作線越短，這一停止時間所占的比重越大，系統年生產能力越小。吊斗鏟剝離倒堆工藝系統設備投資大，由于設備折舊年限和年折舊費用固定，故系統生產能力越小，則單位體積物料承擔的設備折舊費用越高，系統整體運行費用越高；反之，則系統整體運行費用越低。故單位體積物料的設備折舊費用Cwz為：

式中：FwZ為吊斗鏟工藝系統總投資，元；Nwf為Ls為工作面帶式輸送機長度，Ls=Lg·m；系統服務年限，a；Qwe為吊斗鏟系統年額定生產能力，m3/a；Pwg為采掘設備沿工作線方向的推進速度，m/d；Twy為吊斗鏟采完1 條采掘帶后停止作業的時長，d；Lw為吊斗鏟開采工作線長度，m；Lw=Lg。

綜上所述，吊斗鏟工藝系統采、排單位體積物料的運行成本隨工作線長度增大而減小。

2 綜合開采工藝合理工作線長度確定

綜合開采工藝工作線長度的確定，主要受單位煤量的采排成本和工作面運輸成本影響，二者可由各單一工藝系統的采排成本和工作面運輸成本按服務層位計算得出。

2.1 露天礦開采單位煤量的采排成本

假定某復合煤層露天礦綜合開采工藝系統，從上至下布置有剝離工藝系統B1、剝離工藝系統B2、采煤工藝系統C1、剝離工藝系統B3、剝離工藝系統B4和采煤工藝系統C2。將采場坑底寬度（即采煤工藝系統C2的工作線長度）定義為該礦工作線長度Lg0。其中各工藝子系統的工作線長度可表示為露天礦工作線長度Lg0與1 個固定值LBi或LCi的和，工作線長度隨Lg0變化而變化。復合煤層露天礦綜合開采工藝系統布置圖如圖2。綜合開采工藝子系統服務層位參數見表1。

表1 綜合開采工藝子系統服務層位參數

圖2 復合煤層露天礦綜合開采工藝系統布置圖

根據圖2，計算得露天礦生產剝采比ns為：

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

分析式（6）可知，露天礦生產剝采比ns隨工作線長度Lg0增大而減小，開采單位煤量的采排費用也隨之減小；反之，ns隨工作線長度Lg0減小而增大，開采單位煤量的采排費用也隨之增大。

露天礦單位煤量的年度礦巖采排費用FC為：

式中：FC為露天礦年度礦巖采排費用，元；Ap為露天礦年生產能力，t；PB1、PB2、PB3、PB4、PC1、PC2為各開采工藝系統的采排單價，元/m3。

其中，各工藝子系統的采排單價為已知量。

2.2 露天礦工作面運輸成本

綜合開采工藝露天礦單位煤量的工作面運輸成本Fy為：

式中：Fy為露天礦年度礦巖工作面運輸費用，元；CB1、CB2、CB3、CB4、CC1、CC2為各開采工藝系統的工作面運輸單價，元/m3。

其中，各工藝子系統的工作面運輸單價的取值分別對應工作面卡車運輸單價Ckc、或工作面帶式輸送機運輸單價Cs、或吊斗鏟剝離倒堆工藝運行單價Cw，隨工作線長度Lg0的變化而變化。

2.3 綜合開采年采排費用與工作面運輸費用總和

綜合開采工藝系統的年采排費用與工作面運輸費用總和FZ：

式中：FZ為露天礦年采排費用與工作面運輸費用總和，元。

根據對各種開采工藝工作面運輸成本的分析，得出的不同開采工藝運輸成本隨工作線長度變化曲線如圖3。

圖3 不同開采工藝運輸成本隨工作線長度變化曲線

由于不同開采工藝系統的工作面運輸成本隨工作線長度變化趨勢各不相同，且開采工藝系統布置層位也會影響露天礦年度采排費用和工作面運輸費用，因此不同的開采工藝系統及其組合方式對應的合理工作線長度也不同，合理工作線長度需根據具體的參數進行計算確定。

3 工程實例研究

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

圖4 某露天礦綜合開采工藝系統布置圖

各開采工藝系統相關參數為：

1）單斗-卡車工藝B1：工作線長度為（Lg0+660）km；服務高度為61 m；采排單價為2.12 元/m3；工作面運輸單價為（0.62(Lg0+660)/1 000+0.54）元/m3。

2）自移式破碎機半連續工藝B2：工作線長度為（Lg0+450）km；服務高度為28 m；采排單價為1.34元/m3；工作面運輸單價為（1.32+370/(Lg0+450)+0.15(Lg0+450)/1 000）元/m3。

3）單斗-卡車工藝B3：工作線長度為（Lg0+190）km；服務高度為42 m；采排單價為2.12 元/m3；工作面運輸單價為（1.23(Lg0+190)/1 000+0.54）元/m3。

4）自移式破碎機半連續工藝C1：工作線長度為（Lg0+330）km；服務高度為20 m；采排單價為1.08元/m3；工作面運輸單價為（1.15+290/(Lg0+330)+0.1(Lg0+330)/1 000）元/m3。

5）半固定破碎站半連續工藝C2：工作線長度為Lg0km；服務高度為18 m；采排單價為1.08 元/m3；工作面運輸單價為（1.23Lg0/1 000+0.54）元/m3。

FZ隨采場坑底長度Lg0變化圖如圖5。

圖5 FZ 隨采場坑底長度Lg0 變化圖

借助函數圖像判斷，當N 煤層工作線長度為0.9 km 時，露天礦年采排費用與工作面運輸費用總和最小，最小值為1.642 億元。此時，單一開采工藝工作線長度合理的匹配方式：單斗-卡車工藝B1的工作線長度為1.56 km，自移式破碎機半連續工藝B2的工作線長度為1.35 km，單斗-卡車工藝B3的工作線長度為1.09 km，自移式破碎機半連續工藝C1的工作線長度為1.23 km，半固定破碎站半連續工藝C2的工作線長度為0.9 km。

4 結語

1）計算了所列各種單一開采工藝下工作面運輸成本，分析了開采單位煤量的采排成本與露天礦生產剝采比的關系。

2）提出了復合煤層露天礦綜合開采工藝經濟合理工作線長度的優化方法。

3）通過實例進行研究，計算出M 煤層工作線長度為1.23 km，N 煤層的工作線長度為0.9 km 時露天礦年采排費用與工作面運輸費用總和最小。