碳約束下露天煤礦中間搭橋工作線長(zhǎng)度變化趨勢(shì)分析

＊?jiǎng)⒄?劉晨陽(yáng)

（1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司 山西 036500 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 江蘇 221116）

1.背景概述

露天煤礦工作線長(zhǎng)度是影響露天煤礦生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及采區(qū)劃分的一個(gè)重要因素[1-3]，露天煤礦工作線長(zhǎng)度的大小影響著煤礦企業(yè)生產(chǎn)中的采煤費(fèi)用、剝離費(fèi)用以及運(yùn)輸物料費(fèi)用等綜合成本費(fèi)用的支出。

我國(guó)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)化體系方針是“節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主”。但當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分露天煤礦在開采生產(chǎn)的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成一定程度的破壞。

目前國(guó)內(nèi)露天礦開采工藝大多采用的是單斗—卡車間斷工藝。其中，卡車采用柴油驅(qū)動(dòng)，所以卡車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體等會(huì)加劇溫室效應(yīng)，而這與卡車運(yùn)距有直接聯(lián)系。而卡車的運(yùn)距與露天礦工作線長(zhǎng)度和年推進(jìn)強(qiáng)度有著的密切關(guān)系。因此，對(duì)露天礦工作線長(zhǎng)度的合理設(shè)計(jì)能夠有效減少汽車的剝離物內(nèi)排運(yùn)距，從而減少溫室氣體排放，達(dá)到滿意的環(huán)境效益。

2.考慮碳約束的露天煤礦中間搭橋工作線長(zhǎng)度模型

（1）經(jīng)濟(jì)合理工作線長(zhǎng)度分析。露天煤礦的工作線長(zhǎng)度是一個(gè)受多因素影響而變化的值，每一個(gè)露天礦都存在一個(gè)結(jié)合當(dāng)前礦山的生產(chǎn)規(guī)模、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)波動(dòng)變化、考慮環(huán)境約束等因素的工作線長(zhǎng)度[4-5]。

露天礦經(jīng)濟(jì)合理剝采工作線長(zhǎng)度[6]

式中：

H—?jiǎng)冸x層厚度，m；β—端幫幫坡角，°；θ—煤層傾角，°；c1—穿孔爆破、采裝、排土費(fèi)，元/m3；c2—綜合運(yùn)費(fèi)，元/（m3·km）；a—排棄線路系數(shù)，取a=0.5；b—排棄影響距離，取決于端幫運(yùn)距km；ω—工作幫坡角，°；α—內(nèi)排土場(chǎng)幫坡角，°；m—坑底安全距離，km；h—煤層厚度，m。

（2）技術(shù)可行性工作線長(zhǎng)度。為方便生產(chǎn)管理，露天礦工作線長(zhǎng)度應(yīng)該隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)大，在達(dá)到當(dāng)前技術(shù)條件下的工作線長(zhǎng)度要求下，為有利于生產(chǎn)管理和節(jié)省成本，工作線長(zhǎng)度應(yīng)該相應(yīng)增加[7]。

技術(shù)可行工作線長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：

A—生產(chǎn)規(guī)模，t/a；μ—技術(shù)上能夠達(dá)到的推進(jìn)度，km/a；h—煤層的平均開采厚度，m；γ—煤容重，t/m3；X—技術(shù)可行的采礦平均工作線長(zhǎng)度，m。

（3）基于碳約束條件下中間搭橋工作線長(zhǎng)度模型。為取得較好的環(huán)境效益，在碳約束條件下，以減少碳排放量為切入點(diǎn)，對(duì)減少的碳排放量公式進(jìn)行分析，得到結(jié)論：通過(guò)降低卡車運(yùn)輸功，增加節(jié)省的運(yùn)輸功來(lái)增大減少的碳排放量，進(jìn)而起到降低溫室效應(yīng)，減少碳排放量的作用。

減少的碳排放量：

式中：

△W0—搭橋前后節(jié)省的運(yùn)輸功，J；η0—柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換率，取30%。

為了降低卡車運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，基于碳約束條件下，從降低卡車運(yùn)距的角度出發(fā)，確定露天礦搭方案。

①搭單橋工作線長(zhǎng)度模型

搭橋的目的是為了縮短內(nèi)排運(yùn)距，因此對(duì)露天礦實(shí)行內(nèi)排搭橋時(shí)，應(yīng)對(duì)搭橋的條件進(jìn)行分析，確保露天礦的最短工作線滿足搭橋相應(yīng)的限制。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在不考慮爆破的情況下，電鏟服務(wù)的最短工作線應(yīng)不低于500m。內(nèi)排搭橋時(shí)，對(duì)于工作線的要求為：搭單橋運(yùn)輸內(nèi)排運(yùn)距小于雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)距，即：

當(dāng)i=1時(shí)，即當(dāng)內(nèi)排搭橋時(shí)，橋面以上第一個(gè)臺(tái)階的內(nèi)排運(yùn)距等于雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)距時(shí)，工作線即為搭橋的最短工作線：

式中：

hb—?jiǎng)冸x臺(tái)階高度，m；hp—排土臺(tái)階高度，m；L0—橋面水平的工作線長(zhǎng)度，m；Hi—運(yùn)距計(jì)算水平與橋面的相對(duì)高度，m；α1—一側(cè)端幫穩(wěn)定邊坡角，°；α2—另一側(cè)端幫穩(wěn)定邊坡角，°。

②搭雙橋工作線長(zhǎng)度模型

與內(nèi)排搭單橋相似，露天礦內(nèi)排搭雙橋時(shí)，對(duì)于工作線的要求為：搭雙橋運(yùn)輸內(nèi)排運(yùn)距小于雙環(huán)內(nèi)排運(yùn)距，即：

當(dāng)i=1時(shí)，化簡(jiǎn)可得：

③搭組合橋工作線長(zhǎng)度模型

因此，中醫(yī)上的觀點(diǎn)是將氣虛，血瘀和痰這幾點(diǎn)作為VD的根本原因。發(fā)生癡呆的病人氣血會(huì)變得虛弱，腎氣也會(huì)減弱，然后大腦沒有得到營(yíng)養(yǎng)，最終就是癡呆。還有長(zhǎng)期勞作、情緒方面的不好讓身體里面的器官?zèng)]辦法正常運(yùn)作，然后導(dǎo)致了淤血，肝氣出現(xiàn)郁結(jié)，上火，心神就會(huì)失用，最終就是癡呆。因此，中醫(yī)里面說(shuō)要想把病給治好，首先就是腦腑。大腦如果正常工作，那么記性也就不會(huì)受到影響。“人之記性，皆在腦中”。

下部水平搭建扇形組合橋時(shí)，其工作幫側(cè)橋體布置與內(nèi)排搭單橋類似，因此搭建組合橋的最小工作線要求可參照內(nèi)排搭單橋計(jì)算。

3.碳約束下河曲舊縣露天礦工作線長(zhǎng)度及變化實(shí)例分析

(1)河曲舊縣露天礦工作線長(zhǎng)度研究

河曲舊縣露天礦田位于山西臺(tái)地西北部，礦區(qū)所處煤田埋藏淺，煤層厚，煤質(zhì)較好。13號(hào)煤為主采厚煤層。河曲露天煤礦剝離和采煤工藝均為單斗卡車間斷工藝，年推進(jìn)度約314m。由相關(guān)報(bào)告可知，河曲舊縣露天礦采用中間搭雙橋方案。在碳約束條件下，對(duì)搭橋方案進(jìn)行工作線長(zhǎng)度研究。

①經(jīng)濟(jì)合理工作線長(zhǎng)度分析

代入河曲舊縣露天礦具體數(shù)據(jù)得到剝離費(fèi)用與工作線長(zhǎng)度關(guān)系如下：

圖1 剝離費(fèi)用與工作線長(zhǎng)度關(guān)系

從利于組織管理生產(chǎn)的立場(chǎng)出發(fā)，露天煤礦工作線長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行延長(zhǎng)[8]。

②技術(shù)可行工作線長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

由表1河曲露天礦具體數(shù)據(jù)可得技術(shù)可行下平均工作線長(zhǎng)度為：X=986m。

表1 河曲舊縣露天煤礦開采參數(shù)

③碳約束下搭雙橋最短工作線長(zhǎng)度

由表1數(shù)據(jù)可知，河曲舊縣露天礦一個(gè)排土臺(tái)階高度對(duì)應(yīng)兩個(gè)剝離臺(tái)階，此時(shí)橋面位置處的工作線長(zhǎng)度應(yīng)滿足：

帶入河曲舊縣露天礦實(shí)際數(shù)據(jù)可得搭雙橋最短工作線長(zhǎng)度：

(2)河曲舊縣露天礦未來(lái)工作線長(zhǎng)度變化分析

工作線長(zhǎng)短將影響中間搭橋的合理性和環(huán)境效益，因此有必要對(duì)河曲舊縣露天礦未來(lái)一段時(shí)間的工作線長(zhǎng)度進(jìn)行研究，以確保中間搭橋方案的合理性以及環(huán)境效益。

對(duì)露天煤礦來(lái)說(shuō)，煤層平均厚度是相對(duì)不變的，所以可以只考慮產(chǎn)能規(guī)模及推進(jìn)度的影響，進(jìn)一步分析產(chǎn)能規(guī)模及最優(yōu)工作線長(zhǎng)度[6]。

以河曲舊縣露天礦13#主采煤層計(jì)算，結(jié)合前文所計(jì)算工作線要求，取工作線長(zhǎng)度范圍為900m、950m、1000m、1050m、1100m、1150m。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取相應(yīng)年推進(jìn)度為314m/a、340m/a。

考慮到當(dāng)前該露天煤礦首采區(qū)工作線長(zhǎng)度為1000m，如果將工作線擴(kuò)到1100m，推進(jìn)度在340m/a，則其產(chǎn)能規(guī)模為9.66Mt/a。若要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能10Mt/a，依據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知，需要進(jìn)行擴(kuò)幫作業(yè)，工作線延長(zhǎng)100～150m，達(dá)到1100～1150m，此時(shí)的推進(jìn)度為340m/a。經(jīng)分析可知，未來(lái)為了使河曲舊縣露天礦既經(jīng)濟(jì)合理又能達(dá)到預(yù)期產(chǎn)能規(guī)模，綜合多種因素并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)幫作業(yè)使工作線長(zhǎng)度達(dá)到1150m左右[6]。同時(shí)對(duì)河曲舊縣露天礦未來(lái)工作線長(zhǎng)度進(jìn)行匯總制表。

表2 工作線長(zhǎng)度、推進(jìn)度和產(chǎn)量之間關(guān)系分析表

不論是未來(lái)進(jìn)行擴(kuò)幫作業(yè)后的工作線長(zhǎng)度還是未來(lái)三年內(nèi)工作線平均長(zhǎng)度均與現(xiàn)階段基本保持一致，與目前的工作線長(zhǎng)度相比變化幅度有限，所以未來(lái)搭橋前后節(jié)省的運(yùn)輸功ΔW0變化起伏不大，能夠起到減少碳排放的作用。

圖2 未來(lái)河曲舊縣露天礦工作線長(zhǎng)度變化趨勢(shì)

4.結(jié)論與展望

(1)結(jié)論

本文在碳約束條件下分析減少的碳排放量數(shù)學(xué)模型，通過(guò)建立單斗—卡車運(yùn)距模型，對(duì)工作線長(zhǎng)度進(jìn)行分析研究。為避免對(duì)環(huán)境造成過(guò)度傷害，結(jié)合研究?jī)?nèi)容，在環(huán)保條件約束下，在確保搭橋方案可行的前提下，盡最大限度通過(guò)改變工作線長(zhǎng)度來(lái)降低河曲舊縣露天礦搭橋后的卡車運(yùn)距，節(jié)省運(yùn)輸功。

(2)展望

①全面樹立節(jié)能是“第一能源”和“最大減排”的發(fā)展理念，提升能源系統(tǒng)綜合效率。

②積極研發(fā)推動(dòng)低碳新設(shè)備投入使用，降低露天礦開采設(shè)備的廢氣排放，減少含碳、含硫等有害氣體的排放。

③在開采前對(duì)露天礦開采方案進(jìn)行積極有效的研討，如果發(fā)現(xiàn)不足不妥之處，要及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)和修訂。