綜合工藝條件下拋擲爆破剝離系統工作線長度優化

馬 力，張建國，來興平，孫健東，劉晨東，羅 強，韓 流

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054； 2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3. 華北科技學院 安全學院，河北 三河 065201；4.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

露天開采經濟效果在一定程度上取決于開采工藝的成本投入，不同工藝系統因設備適用條件、作業方式等特點的不同，影響著其在成本費用上的投入。各種現存露天開采工藝的開采程序，均按照一定的開采參數在露天礦推進方向上保持一定的超前距離，為下部臺階的延深和推幫創造了空間保證。綜合考慮各種露天開采工藝優缺點及適應范圍，在現場條件允許的情況下，分層次、分區域布設不同工藝系統，充分利用各工藝系統發揮最大開采效率并降低綜合生產成本，開采工藝系統由單一到綜合化發展[1-2]。元寶山、伊敏、扎哈淖爾等露天煤礦采用輪斗挖掘機連續工藝用于上部松軟土層剝離、下部采用單斗卡車間斷工藝構成的綜合式剝離工藝系統，黑岱溝露天煤礦采用上部單斗卡車間斷工藝、煤層頂板臺階采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝組成的綜合式剝離工藝系統[3]，霍林河南露天煤礦剝離采用單斗-卡車間斷工藝和單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機-排土機半連續工藝構成的綜合式剝離工藝系統[4]。由此可見，工藝系統在綜合化發展的同時也衍生了多種多樣的綜合式開采工藝[5-6]。

在眾多現今采用的露天開采工藝中，含拋擲爆破剝離技術的拉斗鏟倒堆工藝系統的生產成本最低，其中如以單斗挖掘機-卡車工藝成本為基準，拋擲爆破技術的成本僅占13%，而拉斗鏟倒堆工藝成本占1/3左右，使得拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝具有明顯成本優勢[7-8]。但從技術角度而言，拋擲爆破是利用炸藥爆炸產生的能量將部分巖石拋擲到采空區而形成有效拋擲，拋擲爆破技術應用于煤層頂板上部巖石臺階能夠獲得最佳的技術效果[9-10]。因此，深凹采場除拋擲爆破臺階外的物料剝離需要聯合采用其他開采工藝進行剝離，進而構成了露天礦立面綜合開采工藝系統。另一方面，因拋擲爆破臺階自由面起主導作用的拋擲方向與礦山工程推進方向相反，拋擲到采空區的物料無需再經過二次處理，但在一定程度上卻制約了下部臺階在推進方向上的推幫工程，煤層的揭露及生產能力完全取決于拋擲爆破剝離系統的推進強度和效率[11-12]。因此，包含拋擲爆破臺階高度、采掘帶寬度、工作線長度等的拋擲爆破剝離系統參數就是制約綜合工藝系統效率及露天開采整個生產工藝環節的重要參數。針對拋擲爆破臺階剝離參數的研究，多數重點圍繞與有效拋擲率密切相關的臺階高度和采掘帶寬度展開[13-16]。而工作線長度的優化僅考慮單一工藝系統，并未綜合考慮系統間相互影響[17]。因此，工作線長度并未達到系統最佳，優化合理的拋擲爆破臺階開采參數對提高露天礦生產效率及節約生產成本至關重要。筆者以拋擲爆破臺階工作線長度為研究對象，系統分析在綜合工藝條件下拋擲爆破臺階工作線長度的主要影響及合理的取值。

1 拋擲爆破剝離臺階與綜合工藝系統間耦合影響關系

在一定生產規模條件下，露天煤礦的工作線長度與礦山工程推進速度成反比關系，通過影響生產剝采比進而影響采剝生產成本。由于露天礦場幾何形狀的特殊性，使得各水平的工作臺階在立面上具有一致的聯動性，互相制約并影響下部臺階的推進度。因此，為了保證露天煤礦各水平臺階的正常剝采延深程序，上、下兩相鄰臺階間保持最小工作平盤寬度，并要求下水平臺階的推進度不大于相鄰上水平臺階推進度，即應滿足[18-19]：

(1)

式中，Bj為第j(j=1,2,3,…,n)水平(從上至下)臺階平盤寬度，m；Bmin為最小工作平盤寬度；Dj為第j(j=1,2,3,…,n)水平臺階年推進度，m。

受限于拋擲爆破效果及作業特征的影響，拋擲爆破適用于綜合工藝系統中的最下部水平臺階，其下部采煤臺階與拋擲爆破臺階位于同一條采掘帶內追蹤式開采，煤層臺階推進度與拋擲爆破臺階推進度一致。由此可確定拋擲爆破臺階年推進度Dc滿足:

Dc=min(D1,D2,…,Dn)

(2)

其中，拋擲爆破臺階年推進度與露天煤礦生產能力和煤層臺階開采參數有關，即

(3)

式中，M為露天礦生產能力，Mt；Lm為煤層工作線長度，km；hm為煤層厚度，m；γ為原煤密度，t/m3；ψ為原煤采出與矸石混入影響系數，ψ=ξ(1+ρ)，ξ為原煤采出系數；ρ為采出原煤中含矸率，%。

拋擲爆破工作線長度除要滿足拋擲爆破臺階及其影響的下部各水平工作面的布置要求外，對上部諸水平臺階剝離及運距也產生顯著的影響。采用內排土方式的露天煤礦，剝離物料從采掘工作面經鄰近端幫至內排土場進行排棄，運輸方式以水平環形運輸為主，運距由采掘點至端幫距離、采場工作面與內排土場工作面端幫投影距離、內排土場卸載點至端幫距離3個部分構成。而由于拋擲爆破臺階與下部煤層臺階位于同一條采掘帶內，相應減少了工作線推進方向上若干個采掘帶寬度的距離，進而通過影響在兩側端幫處的距離而降低內排剝離物運距。

2 拋擲爆破剝離臺階工作線長度對露天礦生產影響

2.1 工作線長度對綜合工藝剝離費用的影響

依據黑岱溝露天煤礦工藝特征，構建推進方向上采場斷面如圖1所示。

圖1 綜合工藝推進方向采場斷面示意Fig.1 Schematic diagram of stope section in the advancing direction of comprehensive system

露天煤礦每年按一定生產強度推進，則年剝離總量分別由構成綜合工藝系統的各剝離工藝系統完成，可表示為

(4)

式中，V為年實方剝離總量，m3；V1為由單斗-卡車間斷工藝完成年實方剝離量，m3；V2為由拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝完成年實方剝離量，m3；β為端幫邊坡角，(°)；Hx1為間斷工藝服務臺階總高度，m；Hx2為拋擲爆破剝離臺階高度，m；Lx為拋擲爆破臺階工作線長度，km。

拋擲爆破巖石剝離臺階和煤層臺階追蹤作業方式，根據幾何關系有Lx=Lm+(Hx2+hm)cotβ。其中煤層工作線和拋擲爆破工作線受端幫效應影響較小，為簡化計算可令Lx=Lm，則根據式(3),(4)有

(5)

則綜合工藝條件下剝離費用由各種工藝/技術的單位成本及負擔剝離量構成：

(6)

式中，Cb1為間斷工藝年剝離費用，元；Cb2為倒堆工藝年剝離費用，元；ks1為間斷工藝服務巖石臺階松動爆破物料的松散系數；ks2為拋擲爆破臺階物料松散系數；cb1為間斷工藝單位剝離成本，元/m3；cb2為巖石拋擲爆破單位剝離成本，元/m3；cb3為拉斗鏟倒堆單位剝離成本，元/m3；η為有效拋擲率。

2.2 工作線長度對間斷工藝內排運輸費用的影響

工作線長度與內排運距的關系[20]為

Lj=aLx+bj

(7)

式中，a為單雙環內排影響系數，單環內排時a=1，雙環內排時a=0.5；bj為第j水平臺階的排棄影響距離，bj=[Hj(cotα+cotφ+2cotβ)+D]/1 000，m；Hj為第j水平臺階距坑底高度，m；α為采場工作幫邊坡角，(°)；φ為內排土場工作幫邊坡角，(°)；D為坑底寬度，m；Lj為第j水平臺階的內排運距，km。

則間斷工藝年剝離運輸費用為

(8)

式中，Ch為年剝離運輸費用，元；ch為剝離物單位運輸費用，元/(m3·km)；Vj為第j水平臺階剝離物總量，m3。

式(5)可以簡化為

(9)

2.3 工作線長度對倒堆工藝作業效率的影響

黑岱溝露天煤礦在采用拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統時，在工作線方向上劃分為4個作業區保證倒堆剝離系統正常作業，中部留運煤出入溝作為原煤運輸系統并將工作線劃分兩翼。拉斗鏟從中部溝進入拋擲爆破爆堆向端幫作業，經由端幫—內排土場—中部溝進入到另一翼向另一側端幫作業，經相同的運行線路再次進入下一作業循環，如圖2(a)所示。

圖2 拉斗鏟倒堆工作面走行入換示意Fig.2 Schematic diagram of dragline moving in and out of working face

倒堆作業時間和走行入換時間分別為

(10)

式中，t1為拉斗鏟倒堆作業時間，h；t2為拉斗鏟走行入換時間，h；v1為拉斗鏟倒堆作業速度，m/h；v2為拉斗鏟走行速度，m/h；d為端幫及中部溝走行路線距離，m。

其中，拉斗鏟倒堆作業速度與實際生產能力和臺階參數密切相關：

(11)

式中，Qe為拉斗鏟實際小時生產能力，m3/h；W為拋擲爆破臺階爆區寬度，m。

實際倒堆作業時間占總作業時間的占比為

(12)

式中，δ為拉斗鏟實際倒堆作業時間占比。

由式(12)可知，工作線長度增大可減少拉斗鏟走行入換時間占比，增加實際倒堆作業時間，進而提高拉斗鏟生產效率。

3 拋擲爆破剝離臺階工作線長度優化

3.1 基于總剝離費用最小的綜合優化模型

3.1.1目標函數的確定

總剝離費用由間斷工藝剝離費用、運輸費用與拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統剝離費用共同構成。因此，綜合工藝剝離總費用與拋擲爆破臺階工作線長度關系為

(13)

式中，C為綜合工藝剝離總費用，元。

3.1.2約束條件

而當采用工作線兩翼分區作業時，要根據設備能力、作業條件將各剝采工作面分配到兩翼，左右兩翼在技術上應滿足：

(14)

式中，m，q分別為工作線兩翼的工作面數量；Lk，Lp分別為左右兩翼各工作區的長度，km。

其次，工作線長度影響拉斗鏟走行入換和有效作業時間，為滿足年最低生產能力，拉斗鏟實際年生產能力應滿足

(15)

式中，Qs為拉斗鏟實際年生產能力，m3；Qj為完成生產能力要求的倒堆作業量，m3；ε為其他設備輔助作業系數；T為拉斗鏟年作業時間，h。

則由式(5),(11),(12),(15)確定滿足生產能力要求的走行入換與工作線長度的關系為

(16)

3.1.3約束非線性規劃模型

綜合考慮以上因素，工作線長度既要保證經濟最優，也要保證工作面布置的技術要求和生產能力影響的最小工作線長度，以總剝離費用最小的公式(13)為目標函數，約束條件除需滿足式(14)，(16)要求外，還需滿足M≥34及Lx>0的約束，并建立工作線長度的約束非線性規劃模型。

3.2 工程優化

黑岱溝露天煤礦年生產能力34.00 Mt，生產剝采比4.60 m3/t。黑岱溝露天煤礦剝離工藝采用單斗-卡車間斷工藝系統+拋擲爆破-拉斗鏟倒堆工藝系統的綜合工藝，其中上部巖石臺階采用單斗-卡車間斷剝離工藝，拋擲爆破-拉斗鏟倒堆剝離工藝應用于煤層頂板巖石臺階的剝離，采用拋擲爆破將34%左右的剝離物料拋擲到采空區，由推土機平整爆堆作業與單斗-卡車工藝輔助剝離并形成擴展平臺，而后由拉斗鏟將剩余物料倒堆至內排土場。為了保證生產能力要求及倒堆系統效率，拋擲爆破臺階高度和采掘帶寬度經多次調整，當前采用臺階高度和采掘帶寬度分別為38 m和85 m。相關實測指標數據見表1。

表1 實測指標數據

依據式(17)和表1中實測數據，采用有約束非線性規劃對其求解，確定不同實動率條件下工作線長度及總剝離費用與生產能力的關系如圖3所示，圖中實線代表工作線長度與生產能力關系，虛線代表總剝離費用與生產能力關系。在當前工況及34 Mt生產能力要求的條件下，最佳工作線長度為2.29 km。總剝離費用和最佳工作線長度隨生產能力增大而增大，而最佳工作線長度也與拉斗鏟年實動率影響的年作業時間密切相關，如果在保證當前拉斗鏟實動率不變的條件下增大生產能力到35 Mt，則最佳工作線長度應增加至2.36 km。

圖3 工作線長度及總剝離費用與生產能力關系Fig.3 Relationship between working face length with total stripping cost and production capacity

在相同生產能力條件下，隨拉斗鏟實動率的增大，最佳工作線長度及總剝離費用都呈現降低趨勢。因此，結合黑岱溝露天煤礦采區劃分實際條件，其工作線長度為2.30 km，當前所采用的拋擲爆破臺階參數及拉斗鏟設備實動情況恰能滿足34 Mt/a的生產能力要求，達到此種工況條件下的產能極限。而如繼續擴大生產規模，將出現難以擴展最佳工作線長度的情況，則只能通過提高生產組織管理和維修以提高拉斗鏟實際倒堆作業時間。

4 結 論

(1)綜合工藝系統中拋擲爆破臺階推進度是限制露天礦生產能力主要因素，拋擲爆破臺階工作線長度增大影響拋擲爆破臺階推進度，使間斷工藝年剝離費用增大，但可減少拉斗鏟走行入換時間占比，提高拉斗鏟作業效率。

(2)以綜合工藝總剝離費用最小為目標函數，以工作線兩翼分區作業最小工作線長度、拉斗鏟系統生產能力、露天礦生產能力、工作線長度非負等為約束條件，構建了綜合工藝條件下拋擲爆破剝離系統工作線長度的約束非線性規劃模型。

(3)剝離費用和最佳工作線長度隨生產能力增大而增大，而最佳工作線長度也與拉斗鏟年實動率密切相關，黑岱溝露天煤礦在當前拉斗鏟實動率及系統開采參數條件下，達到產能34 Mt/a的最佳工作的最佳工作線長度為2.29 km。