安太堡露天矿半固定式破碎站布设水平的优化.pdf

第3 5 卷第6 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．6 2 0 0 6 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yN o v ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 一0 7 5 2 一0 5 安太堡露天矿半固定式破碎站布设水平的优化 李新旺1 ，段起超2 ，张瑞新1 ，刘宪权2 ，李志英1 1 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．平朔煤炭工业公司，山西朔州0 3 6 0 0 6 摘要半固定式破碎站布设水平的优化是半连续运煤系统能否取得更大效益的关键因素．结合安 太堡露天矿半连续运煤工艺的实际情况，归纳了毛煤卡车综合运距和胶带运距的计算公式，提出 了单斗卡车间断工艺下当量工作线长度的计算方法．论述了该露天矿半固定式破碎站合理布设 水平的优化方法，建立了优化目标函数，得出了不同方案的总费用并进行了技术分析，最终合理 确定了破碎站布设水平．结果表明当上部剥离采用卡车运输时，破碎站布设在4 8 煤底板上方 6 0m 时总费用最低；当上部剥离采用连续运输工艺时，破碎站布设在4 8 煤底板上总费用最低． 关键词露天矿；半固定式破碎站；布设水平；优化 中图分类号T D8 2 4文献标识码A O p t i m i z a t i o no fL o c a t e dL e v e lo fS e m i - S t a t i o n a r yC r u s h i n g S t a f f ’ A n t a i lS u r f a c eM i n e t a t i o ni nA n t a ib a ou r ta c ei n e L IX i n w a n 9 1 ，D U A NQ i c h a 0 2 ，Z H A N GR u i x i n l ， L I UX i a n - q u a n 2 ，L IZ h i y i n 9 1 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．P i n g s h u oC o a lI n d u s t r yC o m p a n y ，S h u o z h o u ，S h a n x i0 3 6 0 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h ek e yf a c t o rd e t e r m i n i n gw h e t h e rt h es e m i c o n t i n u o u st e c h n o l o g yc a nm a k ep r o f i t s i st h eo p t i m i z a t i o no ft h el o c a t e dl e v e lo fs e m i s t a t i o n a r yc r u s h i n gs t a t i o n ．C o m b i n i n gw i t ht h e p r a c t i c a ls i t u a t i o ni nA n t a i b a os u r f a c em i n e ，t h ec o m p u t i n gf o r m u l a so nt h ec o m p r e h e n s i v ec o n v e y i n gd i s t a n c eo ft h et r u c ka n dt h eb e l tw e r ei n d u c e d ，t h ec o m p u t i n gm e t h o do fe q u i v a l e n t l e n g t ho ft h ew o r k i n gb e n c hi ns h o v e l t r u c kt e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d ．T h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fl o c a t e dl e v e lo ft h es e m i s t a t i o n a r yc r u s h i n gs t a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o no b je c t i v ef u n c t i o nw e r eo b t a i n e d ，t h et o t a lc o s t so fd i f f e r e n ts c h e m e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h er e a s o n a b l el o c a t e dl e v e lo ft h ec r u s h i n gs t a t i o nw a sp r e s e n t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eu p p e rp a r tm a t e r i a ls t r i p p i n ga d o p t st r u c kt r a n s p o r t a t i o n ，t h et o t a le x p e n s e si st h el o w e s tl o c a t i n gt h ec r u s h i n gs t a t i o na tt h eb e n c h6 0m a b o v e48c o a l ，a n dw h e nt h eu p p e rp a r tm a t e r i a ls t r i p p i n ga d o p t s c o n t i n u o u st r a n s p o r t a t i o n ，t h et o t a le x p e n s e si st h el o w e s tl o c a t i n gt h ec r u s h i n gs t a t i o na t4 c o a l ． K e yw o r d s s u r f a c em i n i n g ；s e m i s t a t i o n a r yc r u s h i n gs t a t i o n ；l o c a t e dl e v e l ；o p t i m i z a t i o n 露天矿单斗一卡车一半固定式破碎站一带式 输送机半连续开采工艺在世界上已应用近半个世 纪，在我国，黑色金属矿山从上世纪7 0 年代开始使 用半连续开采工艺，露天煤矿起步于8 0 年代‘卜2 | ． 收稿日期2 0 0 6 一0 3 1 8 基金项目国家自然科学基金“创新研究群体”项目 5 0 2 2 1 4 0 2 } 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项目 2 0 0 2 c B 4 1 2 7 0 5 作者简介李新旺 1 9 7 9 一 ，男，河北省邢台市人，博士研究生，从事矿业系统工程及露天采矿新工艺方面的研究． E - m a l l x i n w a n g _ l i 1 2 6 ．t o m T e l 0 1 0 6 4 2 0 4 2 1 8 万方数据 第6 期李新旺等安太堡露天矿半固定式破碎站布设水平的优化 7 5 3 作为霍林河南露天矿、平朔安家岭露天矿和安太堡 露天矿等千万吨级大型露天矿运煤工艺形式，对提 高产量、增加效益发挥了重要的作用． 因半连续开采工艺具有间断工艺适应性强和 连续工艺效率高等优点，技术上采装灵活、配煤方 便、管理简单，经济上缩短卡车运距、降低了生产运 输成本、拓宽了单斗卡车工艺应用范围，在我国露 天煤矿实际生产中具有较大的竞争优势[ 3 - s ] ． 半连续工艺能否取得更大效益，取决于该工艺 诸多关键技术，半固定式破碎站布设水平的合理确 定即是最重要因素之一，也是降低生产成本的有效 保证[ 6 。8 ] ．但调研发现，采用此工艺的生产矿山在生 产实践中都存在许多问题．平面位置上，未能定期 将破碎站移设到更接近坑内运煤重心，造成卡车运 距不能明显减小、胶带运输低成本的优势不能充分 发挥的尴尬局面；布设水平上，确定主观性强，大多 凭经验布设在煤层底板或者矿坑端帮地表上．比如 安太堡露天矿原来的运煤系统布设在4 0 煤层底板 上，采用内排土场留沟明胶带运输，造成沟道上部 单环运输、效益降低，内排土场容积也大大减小．本 文着重将归纳露天矿毛煤运输距离、间断工艺当量 工作线长度的计算方法，通过对破碎站及运煤胶带 系统布设水平所产生的上部土岩内排通道受阻而 改变运输通道所增加的运输费用、沟道对内排土场 容量的影响等的定量研究和综合分析，提出了总费 用最小原则下深露天矿运煤半连续工艺中半固定 式破碎站合理布设水平的优化方法，并成功应用于 安太堡露天煤矿原煤系统改造中． 1 优化基本流程 首先，按照生产过程及工艺，将运煤卡车和胶 a A - A 剖面图 带运距及费用分别计算，进行单项技术要素独立分 析；然后，将运煤沟道造成破碎站所在水平以上部 分台阶单环运输增加费用进行计算；最后，根据上 部土岩剥离运输工艺的不同，将涉及到的各部分费 用相加，按照总费用最低原则，并考虑留沟土岩量 对内排容积的影响等因素对破碎站位置进行综合 优化． 2基础计算公式 2 ．1 卡车运距计算 如图1 a 所示，破碎站位于露天矿端帮，卡车由 采场干道运输，可采煤层为咒层，第i 煤层到破碎 站卸载点的运距为 D T ∽警c 。 掣 D R D G R ， 1 式中D T i 为第i 煤层到破碎站的运输距离，1 2 1 ； H i 为第i 煤层到破碎站的垂深，m ；R 为道路限 制坡度，一般取8 ％～1 0 ％；C 。为道路展线系数； D n 为坑内水平附加运距，m ；D c a 为端帮运输距离， m ；L i 为第i 煤层工作线长度，m ． ． L i L 以 2 [ H 竹 一H i e o t 口] ， 2 式中L 咒 为坑底煤层工作线长度，m } 口为端帮 角，o ；H 咒 为破碎站与坑底煤层高差，m ． 加权运距计算公式为 ≥D T i XT i D T 兰L ≮一， 3 ∑T ￡ t 昌l 式中丁 i 为第i 煤层年采出量，t ． 丁 i L f a h t y ‘， 4 式中h ；为第i 煤层厚度，m ；口为年推进度，m ；7 i 为 第i 煤层容重，t ／m 3 ． A - - 一A ”矿坑平面图 图1卡军运距计算 F i g ．1 C a l c u l a t i o no ft r u c k ’sc o n v e y i n gd i s t a n c e 2 ．2 胶带运距计算坐标差，m ；D 。为胶带坑内附加运距，m ． 胶带运距按几何坐标和运输坡度相结合计算． 2 。3 运煤胶带明沟对内排容积的影响 D 。愚、／A x z A y 2 A z z D 。， 5 运煤明堑沟内除布设胶带输送机外，还要留出 式中D J 为胶带运输距离，m ；k 为展线系数；A z ， 安全土挡、运输道、检修道和安全距离，沟底宽度一 △y ，△2 为破碎站胶带受料点与选煤厂卸载点三维 般达到7 5m ，势必对内排容积和生产组织造成较 万方数据 中国矿业大学学报 第3 5 卷 大影响，特别是在煤层埋深大的露天矿．由图1 a 可 得出年占有内排容积公式 y 明沟一S 断面口． 6 当内排最终排弃标高为原地表标高时，年缺少内排 容积 V 缺一T n 叩一1 一T i t V 明沟， 7 式中T 为毛煤年产量，t ；r t 为剥采比，1 T 1 3 ／t ； 7 为松 散系数；y 为毛煤容重，t ／m 3 ． 2 ．4 运煤胶带明沟对上部土岩卡车剥离运输的 影响 1 当量工作线长度的计算 由图1 b 所示，在剥离采用单斗卡车工艺时， 破碎站所在水平以下台阶 ①区 仍可以双环运输， 以上台阶 ②区 受到运煤明沟的限制，分2 种情 况靠近地表台阶只能通过未布设破碎站的一侧端 帮运输，另一部分靠近破碎站的台阶也可以采用修 筑临时通道，卡车经过胶带沟底爬坡的方式运输． 为确定究竟哪一台阶为以上2 种情况的分水岭，本 文引入了当量工作线长度的概念，即采场内下坡与 内排土场内爬坡运输增加距离与正常双环运输工 作线长度相加所得长度，从而简化了计算． L r 半 等c 。， 8 式中L ，为当量工作线长度，r n ；L i 为正常情况 下，某一平盘工作线长度，计算方法与第i 层煤相 同，1 T I ；H 为剥离台阶与破碎站所在水平的高差， r i l ． 2 内排运输功的计算 内排总运输功为 W T P 一 D ” i V T P i ， 9 置 式中m 为从坑底到地表所有剥离台阶的个数； V T P i 为第i 台阶的土岩量，r n 3 ；D T ， i 为第i 台阶 的内排运距，m ；其详细的取值如式 1 0 所示． D T P i 一 D T P l ； 平盘高程低于破碎站所在台阶 D T P 2 i 平等寰搴高于孽譬站高程， 10D T P 3 i D T P 2 i 、⋯ D T P 3 i 平盘高程高于破碎站高程， D T P 3 i D T P 2 i ． 式中D T P l i ，D T P 。 i 和D T ，。 i 分别为剥离物 料内排时分平盘双环、单环和当量工作线长度运输 下的运距． 3 布设水平的优化确定 运煤系统半固定式破碎站布设水平的优化确 定不是孤立的，需要结合上部土岩开采工艺综合考 虑，我国目前露天矿剥离一般为单斗一卡车间断工 艺或连续运输工艺．这就决定了总费用要涉及到以 下费用 F 总费用一F 运煤 F 卡车剥离增加 F 内排或外排增加， 式中F 运煤一F 卡车运煤运费 F 胶带运煤运费，F 卡车运煤运费一 D T T C k m ，F 胶带运煤运费一D J T C j ． 单斗一卡车工艺时影响剥离单环运输增加费 用为 F 卡车剥离增加一 W T P W T P l C k b ， 式中C 。。，C k b 分别为卡车运煤和卡车运岩石单 价，元／ t k i n ；C ；为胶带运煤单价，元／ t k i n W t ，，为正常双环情况下总运输功，W m f ” ≥w P T l i V T P i ． i 1 3 ．1 上部剥离采用间断工艺 当上部土岩剥离采用单斗一卡车间断工艺时， 总费用应该包括运煤费用与由于胶带沟道造成的 单环运输相对双环运输增加剥离运费之和，同时， 沟道占用了一部分内排空间，这就需要增高内排高 度或者规划外排土场来解决，由此也会增加剥离和 土地购置费用，此时总费用最低时破碎站所在台阶 即为最优，即F 总费用一F 运煤 F 卡车剥离增加 F 内排或外排增加最／J 、． 3 ．2 上部剥离采用连续运输工艺 当上部土岩剥离采用连续运输工艺时，毛煤运 输系统对上部胶带运输不会造成太大影响，总费用 为运煤费用与沟道增加费用之和，其最小时破碎站 所在台阶即为最优，即F 总费用一F 运煤 F 内排或外排增加 最小． 4 应用实例 安太堡露天煤矿有3 个主采煤层，即4 8 ，9 8 和1 18 ，平均采深2 0 0m ．采煤工艺为单斗一卡 车～半固定式破碎站～带式输送机半连续工艺，剥 离采用单斗卡车工艺．年推进度3 0 01 T I 左右，工作 帮坡角9 。，端帮角3 4 。，内排土场稳定帮坡角2 2 。， 道路坡度8 ％． 露天矿采场现在正处于缓帮转向时期，卡车运 距越来越大，运输成本占整个生产成本的6 2 ．8 ％， 严重影响了经济效益的提高；同时，胶带运煤系统 布设在48 煤层底板水平，内排土场一侧的运煤通 万方数据 第6 期李新旺等安太堡露天矿半固定式破碎站布设水平的优化 7 5 5 道造成上部卡车运距增加，48 煤埋深达到大约1 1 5煤底板上、4 8 煤底板上3 0 和6 0m 台阶等3 种情 m ，严重占用了内排空间．利用设备更新和开采转况下的计算指标为例，进行布设水平的优选。． 向的有利时机，合理确定破碎站的布设水平位置，4 ．1 运煤费用 是减小燃油消耗、降低生产成本的有效途径，也是破碎站在4 * 煤底板上时坑内毛煤综合运距计 迫切需要解决的问题，同时也为剥离连续工艺改造算结果见表1 ．同理，得出半固定式破碎站位于4 8 创造了有利条件．煤底板上3 0 和6 0m 时，坑内综合运距分别为 本文仅以破碎站可能布设在具有代表性的4 0 26 8 9 ，31 7 7m ． 表1破碎站设在4 8 煤底板上时坑内毛煤综合运距 T a b l e1 C o m p r e h e n s i v ec o n v e y i n gd i s t a n c e sw i t hc r u s h i n gs t a t i o nl o c a t i n go nt h e4 c o a lf l o o r 煤层辫4 嬲箬4 蘸嚣罐訾开鬻，黧／怒戮 煤层到8 煤底作业平盘端帮8 煤工作端9 未 ””“7 5 7 运输功Z 雾兰尸 高差／m固定运距／m帮运距／m ⋯⋯⋯ 万t m ⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1 9 4 合计 表2 所列是达产年时，由坑内卡车运费与胶带 运输费相加得出的毛煤运输总费用． 胶带运输费用为年毛煤量22 0 0 万t 0 ．4 5 元／ t k m 2 ．4k m 胶带固定运距 一23 7 6 万 元． 表2破碎站设在不同标高水平的毛煤运输费用 T a b l e2 C o a lc o n v e yc o s t sw i t hc r u s h i n gs t a t i o n l o c a t i n gd i f f e r e n tl e v e l s 布设位置 奁慧。嘉篙裂，荔幕篱筹 4 ”煤底板上3 0 m 2 ．6 8 91 ．588 7 3 ．71 12 4 9 ．7 4 煤底板上6 0 m3 ．1 7 7 1 ．51 02 8 6 ．11 26 6 2 ．1 从表2 可以看出，破碎站设在离煤层越近的水 平，由于坑内卡车运距越小，运煤费用就越低．单从 运煤来说，破碎站尽量放置在下部甚至是煤层重心 水平才会最大限度地降低坑内卡车运距，降低运煤 费用． 4 ．2 增加剥离费用 对破碎站造成上部剥离台阶单环运输时相对 单一汽车工艺下双环内排所增加的运输费用汇总 于表3 ． 从表3 可以看出，单从剥离内排运输费用来 说，破碎站应尽量放置在上部甚至地表水平才不会 由于运煤系统的影响增加剥离费用． 表3影响双环内排剥离费用对比 T a b l e3 C o m p a r i s o no fa f f e c t o r si n f l u e n c i n g t h ec o s to ft w o - w a yi n t e r n a ld u m p i n g 4 ．3 明沟对内排影响 运煤昵沟布设水平标高不同，占有内排容积也 不尽相同．表4 为留沟对内排的影响汇总． 表4 留沟对内排高度的影响 T a b l e 4I n f l u e n c eo ft r e n c ho nt h eh e i g h to fi n n e rw a s t ed u m p 由表4 可以看出，破碎站设置标高水平离煤层 越近，沟道断面积、沟道量以及占用内排量就越大， 内排土场由此增加的排弃高度就越大，在4 8 煤底 板时达到1 3 ．2m ． 4 ．4 总费用及位置优选 1 若4 8 煤以上土岩剥离仍然采用卡车运输 排土时，破碎站标高水平的选择就要考虑运煤费用 和留沟产生的剥离费用的增加值．表5 是破碎站布 设在不同标高水平时的总费用表． 此工艺下，破碎站布设在4 8 煤底板上方6 0m 时总费用最低，这主要是由于卡车运输单价远大于 胶带，由留沟产生的单环运输所增加费用就很高， 同时从技术发展来看，卡车运输费用高、缺点多，胶 带运输已经成为大型露天矿的发展趋势． * 安太露天矿天采程序和半连续工艺系统优化研究报告．中国矿业大学 北京 ，2 0 0 5 ．5 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 表5 破碎站设在不同标高水平总费用[ 3 ] T a b l e5T o t a lc o s t sw i t hc r u s h i n gs t a t i o n l o c a t i n gd i f f e r e n tl e v e l s 布设位置总费用／T Y 元备注 4 8 煤底板 1 0 53 8 5 达产年 4 煤底板上3 0m 1 0 25 0 2 达产年 4 煤底板上6 0I T l9 56 2 5达产年 [ 4 ] 2 若48 煤以上部分剥离采用连续运输排土 岩时，总费用即为运煤费用和很少的沟道增加费 用，此时应该将破碎站布设在4 8 煤底板上，这样能 充分发挥胶带运输的优势，但是对生产组织的要求 比较高． 5 结论 r 5 ] 1 依照单斗一卡车一半固定式破碎站半连续 开采工艺的生产过程，归纳了采用上述工艺与开拓 方式下，露天矿毛煤卡车综合运距、胶带运距的计 算公式，特别是提出了间断工艺下当量工作线长度 r 6 ] 的计算方法； 2 结合安太堡矿运煤系统的实际情况，分别 计算了卡车、胶带运煤费用和造成内排单环运输增 加费用，根据上部岩石剥离工艺不同，将涉及到的 相应费用相加得出方案总费用，按照总费用最小原 L ，o 则，安太堡露天矿当上部剥离采用卡车运输时，破 碎站布设在48 煤底板上方6 0m 时总费用最低；当 上部剥离采用连续运输工艺时，破碎站布设在4 8 煤底板上总费用最低； 3 建立总费用最小的优化目标函数，将总费 用层层分解，对单项指标分别计算，最后进行经济 技术综合分析的优化方法对于采用端帮破碎站、胶[ 8 ] 带运输机压帮堑沟式布置的露天矿具有指导意义． 参考文献 [ 1 ]张达贤，张幼蒂．露天采矿新工艺I - 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