层状矿床露天开采工艺系统的优化选择.doc

层状矿床露天开采工艺系统的优化选择Ξ 张瑞新 张幼蒂 李新春 严霄惠 中国矿业大学 徐州221008 摘要 将层状矿床所包含的物料划分成松软层、岩石层和有用矿物层等三种类型,提出了露天开采工艺的指标评价体系,并应用专家系统、计算机模拟、系统分析及评价等方法,建立了层状矿床露天开采工艺的优化决策模型,并应用该模型对HWS露天矿开采工艺系统进行了优化。 关键词 露天矿 开采工艺 层状矿床 优化决策 1 概述 我国可供露天开采的煤田,其开采条件大都比较复杂,复盖层厚、煤层多、结构复杂、剥采比较大。同一矿田,不同深度的开采物料性质和赋存条件差别较大,单一形式的开采工艺显然难以满足优化设计和生产的需求,因此,为选择适用的开采工艺,可以将露天开采的物料按其硬度或可挖掘性以及有用性归纳为下列三种类型 ・采掘设备可直接挖掘的松软物料,如表土、风化岩层等; ・采掘设备难以直接挖掘,而需预先松碎的岩石层,如硬或中硬岩层等; ・有用矿物层,如煤层; 一般来说,这三类物料的开采工艺不同,鉴于此,露天矿开采工艺的优化应按所开采的物料类型分别进行研究。作者在对影响露天矿开采工艺选择的主要因素进行系统分析的基础上,提出了矿床露天开采工艺的定量综合评价指标体系,并应用专家系统技术、计算机模拟技术等建立了层状矿床露天开采工艺系统优化决策模型。该优化模型通过对松软层、岩石层和煤层的开采工艺的分部优化来达到露天矿开采工艺系统总体优化的目标。2 露天矿开采工艺系统优化选择模型 露天矿开采工艺系统的优化选择模型是应用专家系统技术、计算机模拟技术、系统分析及评价等方法,建立智能性决策支持系统。图1为该模型系统的组成及相互关系,其实现过程可以归纳为如下三个阶段 1模型系统准备阶段建立矿床地质模型、地质数据库、采矿设备及技术数据库、工艺评价综合数据库。建立工艺类型选择、开采设备选择及主要作业参数选择的专家知识库和智能推理控制系统; 2开采工艺方案的初选阶段首先对矿床的不同的物料层进行定量评价,然后选择若干个可行的工艺方案,最后对主要开采工艺设备和主要开采技术参数等进行选择; 3工艺方案的评价与优化决策阶段通过露天矿开采的模拟模型,对工艺系统和设备进行技术经济评价,以确定最佳开采工艺。 2.1 矿床地质模型 矿床地质模型是工艺系统评价和决策的基础。主要包括松软层、岩石层和矿层的地质模型和地质数据库,并具有对各个开采层的内部结构与空间分布状态进行量和质的估算分析,绘制地 ・ 3 ・ Ξ本课题为自然科学基金资助项目 质图件、输出等功能模块,从而形成开采工艺决策所需的专用数据库 。 图1 露天开采工艺系统优化选择模型结构图2.2 露天开采工艺系统可行方案的初选 露天开采工艺方案初选模型主要包括工艺形式的选择、主要开采设备的选择、主要技术参数的确定等功能。其实现过程是依据矿床开采工艺综合评价指标体系,在知识库对矿床开采技术条件进行定量评价的基础上,首先选择出可能的开采工艺系统方案,然后进一步选择采装、运输、排弃环节的主要开采工艺设备和主要开采技术参数。显然开采工艺评价指标体系是整个决策系统的核心,工艺类型的选择则是主体。2.2.1 露天开采工艺系统类型的初选 露天矿开采工艺系统类型的选择是按图2所示的决策网络分层进行的。其分层结构及工艺性综合评价的指标体系简要叙述如下 第一层目标层。即露天开采工艺系统可行方案的选择; 第二层分目标层。即松软层、岩石层和煤层露天开采可行方案的选择; 第三层方案可行性评判指标层。露天开采工艺综合评价指标体系是在分析工艺选择的内外部主要影响因素的基础上提出的。包括下列6项一级指标和17级二级指标,其中一级指标的前三项为内部影响因素,后三项为外部影响因素。 1界面特征界面系指松软物料层、岩石层 和有用矿物层的上下分界面,特征指标主要包括开采层的上下界面的平均倾角、起伏程度包括地貌特征。用以反映工艺设备作业场所的空间工作条件。2物料性质主要包括开采物料的切割阻 力、承载能力和含水性。用以反映物料采掘、运输的难易程度。 3为了较准确地描述开采物料的结构特征, 对各个剥采层的不同物料组分按其构成比例、对工艺的影响程度,分为主采层和辅采层,并以主采层和辅助层的平均厚度、开采层数及其分布规律为二级指标。用以反映开采物料的内部结构和组分,突出反映分采的难易程度。对煤矿而言,主采层为煤层,其指标为平均矸石厚度、矸石层数、矸 石分布规律。 4运排条件包括采场深度、平面尺寸、内外 排比例、运输排土距离等指标。宏观反映采、运、排三者的空间关系,突出对运输条件的描述。 5剥采强度指松软物料层、岩石层和煤层 的年剥采量,主要包括有用矿物年生产能力、剥采比和松软物料占总剥离量的比例。反映出采剥量对设备效率的要求。 6气候条件包括年平均降水量、冻结天数、 最大冻深等,反映气候对设备作业的影响程度 。 图2 露天开采工艺系统优化决策网络图 在此,知识的运用采取IF -THEN 规则形式,推理控制系统按照开采物料的类型调用知识库,激活规则,完成各开采工艺的定量综合评价,从而选择出可行的开采系统方案。 2.2.2 开采工艺设备及主要作业参数的选择 开采工艺类型的各个可行方案一经确定,决 ・ 4・ 策系统就可按照图1所示的过程选择出与各方案相应的各个工艺环节的各种主要开采设备及其适应的作业参数。设备的选择是由系统调用专家知识库、地质数据库、采矿设备数据库等实现的。其过程是首先选择采掘设备、然后由知识库匹配以相应的运输设备、排弃设备、主要辅助设备,并给出各种主要设备的主要作业参数。2.3 开采模拟择优决策模型 该模型包括对露天矿开采过程的计算机模拟和技术指标、经济指标的计算和评价。按照所选择的主要工艺系统及设备对设计或专项研究提供的开采方案,由计算机模型模拟其开采过程,得出矿岩量、运输距离、设备数量等,进而完成投资、成本估算和经济评价,从各方案中,优选出最佳的开采工艺系统。 3 HWS 露天矿开采工艺系统的优化选择 HWS 露天矿位于内蒙古自治区准格尔煤田 中部,规划年产原煤量12Mt/a 。地表为典型的黄土高原地貌,区内冲沟发育,较大的沟谷已使基岩 直接出露。松软物料层主要为黄土,岩层为中硬岩 图3 开采物料分层示意图 石,煤层为含有多层夹矸的复合煤层。由于受地表冲沟、土岩分界线、煤层顶底板起伏的影响,表土和上下部岩石的剥离台阶不稳定、不连续,对设备作业有一定的影响。在对该矿首采区开采工艺系统优化时将该矿的物料按垂深方向分成图3所示的几部分。其主要特征按决策指标汇总于表1。 根据剥、采层的开采技术条件,认为可能的剥离工艺方案有下列8种 A 单斗铲汽车工艺; B 轮斗铲胶带排土机工艺; C 单斗铲装载仓胶带排土机工艺; D 单斗铲汽车端帮半移动破碎机胶 带机排土机工艺; E 单斗铲汽车工作线中部半移动破碎 机胶带机排土机工艺; F 单斗铲移动破碎机胶带机排土工 艺; G吊斗铲倒堆工艺;H 悬臂排土桥工艺; 可能的采煤工艺方案只有两种,即 I 单斗铲汽车破碎机溜井平巷胶带机 斜井胶带机洗煤厂精煤出口; J 露天采煤机汽车溜井平巷胶带机 斜井胶带机地面储煤场直接供给用户; 通过决策模型分析、评价,从上列可能的剥、采工艺方案中获得若干可行的工艺方案,然后再经模拟开采和进一步分析、评价,即得出优化工艺方案见表1。4 主要结论 4.1 本文将层状矿床露天开采的对象分成松软 层、岩石层和有用矿物层等三类,提出了进行露天开采工艺性综合评价的6个方面17项的评价指标体系是优化露天矿开采工艺系统的基础。4.2 应用专家系统、计算机模拟、系统分析及评 价等方法,建立的层状矿床露天开采工艺系统优化选择的模型,可以实现不同物料层开采工艺类型、开采设备和主要作业参数的选择优化。 4.3 通过实例研究,认为HWS 露天矿首采区表 土台阶、上部岩石台阶、下部岩石台阶以采用最机动的单斗铲汽车工艺为宜;中部岩石台阶运距大,应采用半连续式的开采工艺,即单斗铲移动破碎机胶带机排土机工艺;上下部复杂煤层的开采工艺是露天采煤机汽车溜井平巷胶带机斜井胶带机地面储煤场;中部厚煤层的开采工艺是单斗铲汽车破碎机溜井平巷胶带机斜井胶带机洗煤厂洗选。 4.4 本模型系统尚待进一步的拓展和完善。文 中对HWS 露天矿开采工艺优化选择所得出的结 ・ 5・ 论也是初步研究后得出的,仅供参考。 表1 HWS露天矿剥采层特征指标及优化得出的开采工艺系统研究层松 软 层岩 石 层煤 层 界面特征上界面黄土地貌冲沟发育、地形起伏 较大,工作面不连续;下界面土岩界面 有一定起伏。 上部岩层与表土接触界面有一定起伏, 被冲沟切割,工作面不连续; 中部岩层上下界面为人为划定较稳定、 界面平缓; 下部岩层受煤层起伏影响,下界面起伏 较大; 煤层平均倾角8-10℃;煤层沿倾斜方向顶 板、底板起伏较大。 物料性质物料松软、可直接采掘; 承载能力小; 含水量少。 岩石为中硬性,需松碎后可采装; 承载能力大,含水量少。 煤属硬煤,需松碎后可采装; 承载能力大,含水量少。 结构状态主要为黄土,含有少量硬结核、树根等 物;平均厚度为12m,厚度分布变化较 大。 上部岩层平均20-30m; 中部岩层平均60m; 下部岩层平均20-30m; 平均纯煤厚度26m;主要分三层煤,上下层 平均厚度约为8m、5m,含有多层夹矸,结构 复杂,中层厚度约15m,含矸少,结构简单; 煤层与矸层的变化较大,其分布规律略。 运排条件首采区长5km,宽1.5-2.0km;开采深 度在10-30m;表土近距离两翼外排, 运距约1.5km; 开采深度为100-140m; 上部层外排距离较近;其余层外排距离 较大,3-4km;转入内排后,运距约2- 3km; 煤平均开采深度为100-140m;运到地面运 距较大,平均约3-4km; 剥采强度平均年剥离量为7Mm3,占土岩剥离总 量的12-18; 平均剥采比4.65m3/t; 年剥岩量约50-70Mm3; 年平均推进度为300-360m; 年产原煤12Mt/a; 气候条件为干旱地区,年平均冻结期约6个月, 最大冻深1.5m; 同左 同左 工 艺可行工艺 A、B、C 最优工艺A 可行工艺优化结果 上部岩石A,D,F A 中部岩石A,D,E,F F 下部岩石A,G,H A 可行工艺优化结果 上、下煤层I,J J 中部煤层I,J I 致谢参加实例研究工作的尚有中国矿业大学的于汝绶教授、李曙光高工,顾正洪副教授。 参考文献 1 张瑞新,张幼蒂.露天采矿优化决策的新途径.中国矿业大学学报.1994,No.3. 2 Zhang Y oudi.Zhang Ruixin et al,An intelligent system for opti2 mum decision-making in surface mining,the24th APCOM,Canada,Oct.1993. 3 张达贤,张幼蒂编.露天采矿新工艺.中国矿业大学出版社. 1992.10,徐州. 4 于汝绶.露天矿设计理论分析.中国矿业大学出版社,1988,10,徐州. 5 沈阳煤矿设计院.准格尔矿区二期工程总体规划.1989.10 收稿日期1998-02-12 下转15页 ・ 6 ・ ISEP阴柱,从阴柱出来的物料经段间加压泵加压后,再进入阳柱,然后再经过阴柱,物料完成精制过程,进入贮槽。 2顶水将需进行再生树脂柱中的山梨醇顶出,置换出来的料液进入给料罐。 3用酸液再生阳树脂,用碱液再生阴树脂。 4用水彻底清洗树脂中残余的酸和碱。 5用酸液再生阴树脂,用碱液再生阳树脂,进行交叉再生。 6再生废液排放至治理站。 树脂柱与ISEP阀连续同步旋转。 4.2 连续离子交换ISEP系统与间歇离子交换系统比较 比较结果见下表。 连续离交系统与间歇固定床离交系统比较项 目 间歇离交 连续离交 设备台数 6 2 设备投资42万元34万美元 再生剂消耗 烧碱NaOH100kg/a 盐酸HCl31kg/a 292500 330000 20160 74787 顶水用量t/a30521123洗水量m3/a90004068废水量m3/a106306000 树脂消耗量阴树脂m3/次阳树脂m3/次 9.6 9.6 2.06 2.06 产品质量品质不均品质均一 工艺特点 间歇生产, 人工操作 连续生产, 仪表自控 运行时间每年7200h 若阳离子树脂20000元/m3,5年寿命 阴离子树脂32000元/m3,2年寿命 HCl31费用450元/t NaOH100费用1600元/t 工业用水1元/t 废液处理2元/t 则年估计节约费用约83万元 5 结语 生产实践证明,连续离子交换ISEP系统与 传统固定床式离子交换系统相比具有运行费用 低,产品品质均一,操作简单,污水量少等优点。 虽然连续离子交换ISEP系统比固定床式 离子交换系统一次性投资高出数倍,但该系统运 行费用低,据初步估算,以2万t/a山梨醇装置为 例,一年比固定床式可节约83万元,34年即可 收回全部投资,同时,企业可获得成本较低、质量 稳定的产品,可以有效地增强企业的市场竞争力。 收稿日期1998-10-22 Application of continuous Ion Exchange Resin System in Sorbitol Production Zhang Mei Xiang ZIhenchang Lianyungang DesignResearch Institute, the Ministry of Chemical Industry Abstract The operation principle,features of the continuous ion exchange resin system and its application in sorbitol production were described.A economic and technology comparison between the sys2 tem and traditional fixed-bed ion exchange resin system was made. K eyw ords continuous ion exchange resin system,sorbitol,Resin regeneration 上接6页 Selection of Surface Mining T echnology for Layered Deposits Zhang Ruixin Zang Y oudi Li xinchun Yan Xiaohui China University of Mining and Technology Abstract The materials exploited in layered deposits are divided into three kinds,i.e.soft seam,rock seam and useful mineral seam.The comprehensive technical uation index system of the exploitation materials is put forward in this pa2 per and an optimum selection model for surface mining tech2 nology is built up by the use of the s of expert sys2 tem,computer simulation,system analysis and uation, etc.In the end,this model is applied to optimize the surface mining technology of HWS Surface Coal Mine. K eyw ords surface mine,surface mining technology,opti2 mum decision2making. ・ 5 1 ・