郝文玉才慶祥張 磊彭 竹

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒,026015; 3.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100029)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

生態(tài)復(fù)墾條件下大型露天煤礦表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃研究＊

郝文玉1,2才慶祥1張 磊3彭 竹3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008; 2.神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒,026015; 3.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100029)

采用線性規(guī)劃對(duì)生態(tài)復(fù)墾條件下礦山表土資源的流量和流向進(jìn)行最優(yōu)化控制,得出表土最優(yōu)調(diào)運(yùn)量、調(diào)運(yùn)周期和最佳停止時(shí)間,給出調(diào)運(yùn)的實(shí)施辦法。建立了露天礦生產(chǎn)與生態(tài)重建良性循環(huán)模型,并評(píng)價(jià)了在勝利一號(hào)露天礦的實(shí)施效益情況。

生態(tài)復(fù)墾 露天煤礦 表土運(yùn)輸 線性規(guī)劃

在大型露天煤礦,生態(tài)復(fù)墾已經(jīng)成為伴隨采礦設(shè)計(jì)而同步進(jìn)行的一項(xiàng)重要規(guī)劃貫穿采礦生產(chǎn)活動(dòng)的始終。在露天煤礦土地復(fù)墾工作的過(guò)程中,表土應(yīng)成為支持復(fù)墾工程的重要資源。為解決土地復(fù)墾的土源問(wèn)題,有些國(guó)家或企業(yè)在采礦工程動(dòng)工之前,先把表層及亞表層土壤取走,并認(rèn)真加以保存,待工程結(jié)束后再把它們放回原處。

1 研究重點(diǎn)

露天煤礦的礦、巖、土物流一般涉及多個(gè)裝載點(diǎn)和多個(gè)卸載點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn),采用線性規(guī)劃對(duì)生態(tài)復(fù)墾條件下礦山表土資源的流量和流向進(jìn)行最優(yōu)化控制。在表土調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型中,目標(biāo)函數(shù)是追求生態(tài)復(fù)墾總費(fèi)用最低,主要考慮表土的采裝費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)和復(fù)墾工程費(fèi);約束條件中主要考慮表土采集量和復(fù)墾地點(diǎn)表土需要量。理論上來(lái)說(shuō),復(fù)墾客土的來(lái)源即表土采集點(diǎn)有多個(gè),而土地復(fù)墾的地點(diǎn)也分布在排土場(chǎng)的不同高度和不同位置。假設(shè)露天礦表土采集點(diǎn)共m個(gè),i是其中任意一個(gè)采集點(diǎn);土地復(fù)墾點(diǎn)共n個(gè),j是其中任意一個(gè)復(fù)墾點(diǎn),建立露天煤礦土地復(fù)墾的表土運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 露天煤礦土地復(fù)墾表土運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖

剝離物的運(yùn)輸占露天礦山總運(yùn)輸量的大部分,運(yùn)輸費(fèi)用在礦山生產(chǎn)成本中是必不可少的而且其數(shù)額是非?？捎^的。而表土調(diào)運(yùn)運(yùn)輸問(wèn)題作為一個(gè)多起點(diǎn)、多出口、多重點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng),尋求合理的或者最優(yōu)的調(diào)運(yùn)方案將能大大節(jié)省總的復(fù)墾費(fèi)用,降低運(yùn)輸成本。

2 生態(tài)復(fù)墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃模型

2.1 假設(shè)條件

(1)表土采集區(qū)供給的表土資源流與土地復(fù)墾區(qū)對(duì)表土的需求均是連續(xù)的,設(shè)表土采集指數(shù)是E,表土復(fù)墾指數(shù)是F,顯然,線性規(guī)劃中E>F。

(2)鑒于露天礦土地復(fù)墾的生產(chǎn)實(shí)際,即土地復(fù)墾區(qū)不可能停工待土,故存在一個(gè)最小允許表土儲(chǔ)存量,模型中設(shè)為B。

(3)考慮到露天礦土地復(fù)墾工作中龐大的表土需求量和表土供給工作的緩慢性,模型中將問(wèn)題限制在表土調(diào)運(yùn)補(bǔ)充周期較長(zhǎng)的范疇,以天為單位,一旦需要調(diào)運(yùn)表土,采集工程可立即開(kāi)始。

(4)表土采集需要一定的生產(chǎn)周期,模型中設(shè)為T。

(5)在某一時(shí)刻表土資源的補(bǔ)充達(dá)到最大值,此時(shí)停止表土采集工程,此處設(shè)表土補(bǔ)充的最大值為M。

2.2 模型創(chuàng)建

在假設(shè)條件的基礎(chǔ)上,建立了生態(tài)復(fù)墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃模型,如圖2所示。

圖2 生態(tài)復(fù)墾條件下表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃模型

公式為:

式中:I——表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃模型中生態(tài)復(fù)墾總投資費(fèi)用,元;

I′——一個(gè)表土調(diào)運(yùn)周期內(nèi)的平均生態(tài)復(fù)墾費(fèi)用,元;

E——采掘區(qū)表土采集速度,m3/d;

F——土地復(fù)墾區(qū)表土鋪設(shè)速度,m3/d;

C1——表土的單位儲(chǔ)存費(fèi)用,元/m3·d;

C2——無(wú)法立即提供表土的缺貨費(fèi)用,元/

m3·d;

C3——表土的單位運(yùn)輸費(fèi)用,元/m3·km;

C4——表土的采裝費(fèi)用,元/m3·d;

C5——表土的鋪設(shè)費(fèi)用,元/m3·d;

D——表土的運(yùn)輸距離,km;

T——一個(gè)表土采集周期,d;

t

0——表土最低儲(chǔ)存量對(duì)應(yīng)的臨界時(shí)間,d。

整理得一個(gè)表土調(diào)運(yùn)周期內(nèi)的平均生態(tài)復(fù)墾費(fèi)用函數(shù):

函數(shù)中含兩個(gè)自變量T和t0,對(duì)于一個(gè)特定的礦山生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō),短期內(nèi)其余各值(如采集費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、排土費(fèi)用、鋪設(shè)費(fèi)用、堆存費(fèi)用、采集速度、鋪設(shè)速度、運(yùn)輸距離等)均為常數(shù)。取導(dǎo)求函數(shù)極值:

求導(dǎo)后得出相應(yīng)的表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)周期、經(jīng)濟(jì)調(diào)運(yùn)批量和最佳停止時(shí)間等參數(shù)。

3 實(shí)例研究

勝利一號(hào)露天煤礦隸屬神華北電勝利能源有限公司,煤礦排土機(jī)排土場(chǎng)復(fù)墾區(qū)占地面積270.00 ha,排土機(jī)工作線設(shè)計(jì)排土高度70 m,設(shè)計(jì)邊坡角為18°。采掘場(chǎng)表土工作面剝離量參考礦方提供的《露天煤礦歷年生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)資料匯編》,查歷年剝離完成情況明細(xì)表,取近年來(lái)剝離量年平均值5.76Mt/a,表土單位存儲(chǔ)費(fèi)C1為0.05元/m3· d,表土的單位運(yùn)費(fèi)為1.30元/m3·km,露天礦采掘場(chǎng)至排土機(jī)排土場(chǎng)復(fù)墾工作線的表土調(diào)運(yùn)運(yùn)距D為2.30 km,表土運(yùn)費(fèi)C3D為4.68元/m3,單位表土的采裝費(fèi)用C4取2.50元/m3·d,單位表土的鋪設(shè)費(fèi)用C5為0.35元/m3·d,假定在8 a內(nèi)完成外排土場(chǎng)的覆土工作。

取礦山年有效工作時(shí)間為275 d,推導(dǎo)出最終結(jié)果:

式中:T＊——生態(tài)復(fù)墾條件下最優(yōu)表土調(diào)運(yùn)周期,

d;

Q＊——表土的經(jīng)濟(jì)調(diào)運(yùn)批量,m3;

t1

＊——表土調(diào)運(yùn)的最佳停止時(shí)間,d。

把相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(4)、(5)、(6)中,得T＊=53.48 d,Q＊=119948.70 m3,t1＊=6.37 d。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,勝利一號(hào)露天煤礦在生態(tài)復(fù)墾工作中,以1 a為計(jì)算期限,表土資源的最優(yōu)調(diào)運(yùn)周期為54 d,表土調(diào)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)合理批量為12萬(wàn)m3,停止表土調(diào)運(yùn)的最佳時(shí)間在開(kāi)始采集后的第7 d。

表土調(diào)運(yùn)具體實(shí)施方法:在外排土場(chǎng)到期和采掘場(chǎng)內(nèi)排開(kāi)始后形成的穩(wěn)定排土場(chǎng)地上鋪設(shè)一層平均厚度在1.5 m的表土,并分期分批實(shí)現(xiàn)保土、護(hù)坡、灌溉和人工植草等工作,力求在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)露天礦生產(chǎn)過(guò)程中被破壞的地理和生態(tài)環(huán)境,尤其是地表水土和植被環(huán)境。

礦山開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)在經(jīng)濟(jì)上構(gòu)成互相制約、互相競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。競(jìng)爭(zhēng)雙方都力圖選擇對(duì)己方最有利或最合理的方案以取得最大的經(jīng)濟(jì)利益(或最小的經(jīng)濟(jì)投入)。作為一對(duì)相互聯(lián)系、相互影響的矛盾體,重建后的生態(tài)環(huán)境與礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)可望實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)、良性循環(huán)。露天礦生產(chǎn)與生態(tài)復(fù)墾良性循環(huán)生產(chǎn)鏈模型見(jiàn)圖3。

經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)主要是對(duì)復(fù)墾后的礦山土地進(jìn)行農(nóng)、林、牧、漁業(yè)等復(fù)墾方向的土地生產(chǎn)能力的評(píng)價(jià),個(gè)別地方也可擴(kuò)展到由于生態(tài)環(huán)境的改變而開(kāi)展的旅游、餐飲等產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。勝利露天煤礦復(fù)墾土地主要利用方向?yàn)槟敛莼謴?fù)用地、林果地和農(nóng)耕地。根據(jù)錫林郭勒地區(qū)農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn)水平和現(xiàn)行價(jià)格,對(duì)3個(gè)復(fù)墾方向作出的經(jīng)濟(jì)效益分析見(jiàn)表1。

圖3 露天礦生產(chǎn)與生態(tài)復(fù)墾良性循環(huán)生產(chǎn)鏈模型

表1 勝利一號(hào)露天煤礦復(fù)墾土地經(jīng)濟(jì)效益分析

生態(tài)復(fù)墾初期的環(huán)境效益首先體現(xiàn)在減輕自然災(zāi)害上,如保護(hù)新造土地不遭溝蝕破壞與石化、沙化,減輕礦區(qū)下游洪澇災(zāi)害與泥沙危害,減輕礦區(qū)風(fēng)蝕與風(fēng)沙危害,減輕滑坡、泥石流的危害等。破壞地復(fù)墾的中后期,可以具備生產(chǎn)性功能,其社會(huì)效益不僅體現(xiàn)在減輕自然災(zāi)害上,而且已上升到促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的層面,如改善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、解決剩余勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)利用率、調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和農(nóng)村生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、緩解人地矛盾等。

4 結(jié)束語(yǔ)

表土優(yōu)化調(diào)運(yùn)線性規(guī)劃的實(shí)施目的是把勝利一號(hào)露天煤礦建設(shè)成為綠色生態(tài)礦區(qū),并對(duì)緩解當(dāng)?shù)毓まr(nóng)用地矛盾,帶動(dòng)環(huán)境保護(hù)事業(yè)、促進(jìn)礦區(qū)人口、生態(tài)、社會(huì)和諧發(fā)展起到積極作用。經(jīng)過(guò)土地重塑、土壤重構(gòu)、植被恢復(fù),既保證了耕地總量動(dòng)態(tài)平衡,又重建了比原生態(tài)更好的生態(tài)系統(tǒng)。改善了礦山和地方政府、礦山和農(nóng)民的關(guān)系,提高了社會(huì)的穩(wěn)定性。

[1]孫鳳,袁中群,王曉峰.廢棄土地的林業(yè)復(fù)墾技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2001

[2]付梅臣,陳秋計(jì)等.煤礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾和預(yù)復(fù)墾中表土剝離及其工藝[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004(6)

[3]車兆學(xué),才慶祥.黑岱溝露天煤礦剝離黃土半連續(xù)工藝研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(11)

[4]彭竹,才慶祥,張磊等.灰色預(yù)測(cè)模型在露天礦生態(tài)重建投資中的應(yīng)用[J].煤炭經(jīng)濟(jì)研究,2008(10)

Research on lineal plann ing of dispatch opt im ization of overburden of large surface coalm ines under ecological reclamation conditions

Hao wenyu1,2,CaiQingxiang1,Zhang Lei3,Peng Zhu3
(1.School ofMining Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China; 2.Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhaote,InnerMongolia 026015,China; 3.Information Research Institute,the State Administration ofWork Safety,ChaoyangDistrict,Beijing 100029,China)

Optimized control of flow volume and rate of overburden resourcesof surface mines under ecological reclamation conditions has been carried out by use of linear planning method.Opt imized dispatch volume,period and stop t ime have been obtained and execution provisions have been proposed for actual dispatch work.Models of sound circulation in between surface mine production and ecological reconstruction has been established and the economic result has been evaluated for implementing in Shengli No.1 SurfaceMine.

ecological reclamation,surface coalmine,overburden dispatch,linear planning

TD57

A

郝文玉(1971-),男,神華北電勝利能源有限公司運(yùn)銷公司經(jīng)理、高級(jí)經(jīng)濟(jì)師、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀博士,主要研究方向?yàn)椴傻V工程。

(責(zé)任編輯 張艷華)

十一五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAB16B00)。