內排條件下露天礦長遠排土規劃研究

謝松偉　王海江　寇長福

摘要：露天礦長遠排土規劃能夠合理規劃剝離物排棄位置、指導露天礦短期排土設計，降低剝離物運距，提高運輸、排土設備生產效率，顯著降低露天礦生產成本，具有重要的理論意義及工程應用價值。根據露天礦采場及排土場發展時空關系，合理簡化了露天礦長遠排土規劃問題，分析了排土場動態調整約束條件，以剝離物總運輸成本最小為目標，建立了內排條件下露天礦長遠排土規劃模型，提出了模型的求解思路并給出了算法流程。定義了模型基礎數據，并提出了其計算方法。采用微積分的思想并根據插值、空間幾何、運籌學等理論方法提出了算法中的關鍵問題的求解方法，包括確定排棄階段位置、計算實體切割后的質心及體積、計算排棄階段高度、確定運輸路徑。

關鍵詞：露天礦；長遠排土規劃；運輸；目標優化

引言

當前由于國內經濟結構的轉型以及國際經濟疲軟，煤炭需求低迷，煤炭企業的生產效益降低，露天礦山在此大環境下亦受到影響。為了度過當前困難時期，政府出臺了限制產能，整合資源的政策，同時企業也在從技術革新，成本管理等方面改善自身經營狀況[8-10]。在粗放型經濟發展模式時期，煤炭等能源需求旺盛，企業即使不注重技術、管理，也能夠取得較好的經濟效益。但在當前市場需求低迷時期，注重技術革新、精細化管理改善經營狀況是刻不容緩的。露天礦的生產中主要包括穿孔、爆破、采掘、運輸、排棄等環節，其中穿孔、爆破與采掘的成本費用與露天礦的生產規模、生產工藝有關，一般變化不大。而運輸與排棄環節則與設計、管理水平等有關，不同的設計及管理其成本差異很大。據統計，露天礦的運輸作業成本占礦山開采總成本的40%～50%，能源消耗約占礦山總能耗的40%～60%，運輸作業的勞動量占露天開采總勞動量的一半以上。因此，排棄運輸環節的設計及管理需要科學合理的優化。

一、露天礦概況

某露天煤礦位于霍林河煤田二區露天勘探范圍內，在霍林郭勒市和扎魯特旗境內。扎哈淖爾露天煤礦上部松散土層剝離采用輪斗挖掘機-帶式輸送機-排土機連續工藝；中部巖石剝離采用單斗-卡車間斷工藝；深部巖石剝離采用單斗-卡車-半固定破碎站-帶式輸送機-排土機半連續工藝；采煤采用單斗—卡車—半固定破碎站—帶式輸送機半連續工藝；排土場采用邊緣式排土，推土機配合作業。為縮短運距，扎哈淖爾露天煤礦采用多出入溝，工作幫移動坑線，端幫半固定坑線的開拓方式。工作線沿煤層走向布置，傾向推進，同時逐漸向西擴幫。三號路以東上部臺階剝離量通過采場北部一條出入溝去往北排土場，三號路西部地表剝離物通過連續系統膠帶運往連續系統排土場，三號路西部地表以下剝離臺階剝離量通過三條出入溝去往南排土場，采場東部下部臺階剝離物通過采場內部平盤道路去往內排土場、南內排土場及半連續生產系統，F50斷層以東剝離量去內排土場。

二、開采現狀

某露天煤礦采場現走向長度為4.65km，以F50斷層和南四路為分界線劃分為3個采坑，F50斷層以東為東坑，F50斷層以西至南四路為中坑，南四路以西為西坑。F50斷層以東2015年底實現閉坑內排。3采區發展規劃當前采區推進方向為縱采方向，如圖5-2所示，而在后期規劃中要逐漸從縱采轉變為斜采，即介于縱采與橫采之間。斜采推進方向在16年西幫基礎上順時針轉向約20度。

三、排土場塊體模型的建立

排土場建模和采礦塊體模型在時間上對應，都是從2021年后開始，直至礦區開采結束。建立的排土塊體模型并不是真實的排土情況，而是按照最大排土量設計。排土場排棄標高按照2021年輪斗排棄標高1057設計，內排土場與外排土場相接。境界外部不存在外排土場的，以地表境界為內排土場境界。

四、運輸路徑計算

每一個階段的運輸可以簡化為水平運輸和垂直運輸，即將每一階段的運輸簡化為先從采剝質心水平運輸至排土場，再進行爬坡或下坡運輸至排棄階段質心?；蛘呦仍诓蓤鰪牟蓜冑|心水平爬坡或下坡運輸至排棄階段質心高程處再水平運輸至排棄階段質心位置。根據目標函數的表達式，排棄階段的排棄量、單位成本費用都為已知。因而求解目標函數值的關鍵是得到各階段的水平運輸距離和垂直提升高度。垂直提升高度可以根據各階段質心點高差確定。而水平方向運輸距離則與實際端幫情況有關。由于雙環運輸涉及到巖量的分割（即什么位置多少巖量走哪一側端幫）問題非常復雜，因此，模型僅考慮單環運輸。對于單環內排運輸，只需考慮作為運輸通道的一側端幫。由于端幫邊坡角和臺階的存在，實際的端幫形態是非常復雜的，在算法中完全表達出來非常復雜且會增加計算時間。因此，筆者將端幫適當簡化，表示為一個分段組合斜面，其在平剖面上為隨著高程變化而變化的多段線，至此端幫的表示即簡化為多段線的表示及其隨高程的變化。

結語

目前針對露天礦排土規劃的研究內容多集中在排土運輸的物料流量流向問題，從時間上來說屬于短期的排土優化。在參考前人短期排土優化的基礎上，嘗試解決長期排土優化的問題。在對研究問題、研究對象適當簡化后，根據內排土場的發展規律，利用運籌學的方法建立了數學模型。模型的求解涉及到復雜的空間幾何問題，利用微積分和插值的思想對求解過程進行簡化并求解了該問題。研究過程中得出了如下成果或結論：（1）根據露天礦采排場發展時空關系，合理簡化了露天礦長遠排土規劃問題，提出了排土場動態調整約束條件，以總運輸成本最小為目標，建立了內排條件下露天礦長遠排土規劃模型，提出了模型的求解思路及算法流程。定義了模型基礎數據，并提出了其計算方法。（2）利用微積分和插值的思想簡化了模型求解中的空間幾何問題，提出了確定排棄階段坡面位置、計算固定推進度排棄階段切割實體被排棄階段坡面切割后兩部分實體的質心和體積、計算排棄階段排棄高度的求解方法。在對端幫空間形態進行簡化處理后，基于空間向量理論提出了端幫水平運輸距離的求解方法。

參考文獻：

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[3]鄭友毅.從科學發展觀角度，看中國露天煤礦的建設與發展歷程[J].煤炭工程，2007，（2）：9-11