露天礦外部溝溝道深度優(yōu)化

張周愛，鞠興軍，李雁飛，黃玉凱

（神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500）

露天礦采礦生產(chǎn)工程中，建立溝道是一項(xiàng)經(jīng)常性的生產(chǎn)工作，用于建立運(yùn)輸系統(tǒng)的聯(lián)系[1]。如何優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)縮短運(yùn)距，是露天礦山經(jīng)濟(jì)效益最大化的最佳途徑[2-6]。而溝道位置的選擇和土巖的流向、流量與礦山生產(chǎn)過程中的建設(shè)和運(yùn)輸費(fèi)用直接相關(guān)，對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益具有較大的影響[7]。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，建立溝道通常只是基于合理性，卻極少有專家、學(xué)者對(duì)溝道深度進(jìn)詳細(xì)的研究。外部溝溝道深度一方面直接影響通過該溝道的采剝工程量運(yùn)距，另一方面決定了外部溝的掘溝工程量。為此，通過研究外部溝的采剝工程量運(yùn)距、外部溝掘溝工程量與外部溝溝道深度之間的關(guān)系，運(yùn)用費(fèi)用補(bǔ)償法，確定經(jīng)濟(jì)合理的外部溝溝道深度。

1 影響外部溝設(shè)置的因素

根據(jù)露天礦開拓坑線與開采境界或者采場(chǎng)邊幫的相對(duì)位置，可將開拓坑線分為外部坑線（外部溝）和內(nèi)部坑線（內(nèi)部溝）。外部溝多見于鐵路開拓和公路開拓，與內(nèi)部溝相比，外部溝具有線路平直，不受礦體形狀影響；運(yùn)距短；減少卡車（列車）運(yùn)行折返次數(shù)，增加設(shè)備通行效率；可能增加境界外溝道工程量等特點(diǎn)。

影響外部溝設(shè)置的因素有以下幾個(gè)方面：

1）外部溝類型。外部溝根據(jù)需要可以設(shè)置在非工作幫和工作幫上，當(dāng)設(shè)置在非工作幫時(shí)，為固定坑線外部溝，當(dāng)設(shè)置在工作幫時(shí)，為移動(dòng)坑線外部溝。一般來講，固定坑線外部溝的溝道工程量發(fā)生在開采境界以外，屬于純?cè)黾拥膭冸x量。工作幫未推進(jìn)至最終開采境界時(shí)，移動(dòng)坑線外部溝的溝道工程量位于采場(chǎng)外，僅發(fā)生的時(shí)間有所提前。當(dāng)工作幫接近最終開采境界時(shí)，繼續(xù)采用移動(dòng)坑線外部溝，則產(chǎn)生的溝道工程量亦位于開采境界之外，屬于純?cè)黾拥膭冸x量。

2）外部溝與礦巖排卸點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系。固定坑線外部溝與礦巖排卸點(diǎn)的位置相對(duì)固定，當(dāng)外部溝設(shè)置在采場(chǎng)與礦巖排卸點(diǎn)之間且溝道深度不變時(shí)，縮短的地面干線運(yùn)距不變；而移動(dòng)坑線外部溝位置隨工作幫推進(jìn)而變化，即使溝道深部不變，縮短的地面干線運(yùn)距也隨工作幫推進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化。

3）外部溝服務(wù)年限。固定坑線外部溝服務(wù)年限越長(zhǎng)，通過外部溝的礦巖量越大，則外部溝溝道深度可越大，反之，則溝道深度應(yīng)越??；移動(dòng)坑線外部溝的服務(wù)年限在影響通過外部溝的礦巖量的同時(shí)還影響地面干線運(yùn)距，因此對(duì)溝道深度的影響更為復(fù)雜。

經(jīng)濟(jì)合理的外部溝溝道深度需要根據(jù)外部溝的不同類型加以分析確定。

2 固定坑線的外部溝溝道深度優(yōu)化

對(duì)采用固定坑線外部溝的鐵路開拓露天礦，境界內(nèi)采剝工程量越大，外部溝可以越深，而對(duì)于緩傾斜礦體的露天礦，受鐵路開拓溝道坡度（1.5%～3%）較小的影響，外部溝溝道深度一般不超過地表以下2～3 個(gè)臺(tái)階[8]。隨著露天采礦工藝的發(fā)展，公路開拓取代鐵路開拓成為當(dāng)前露天開拓方式的重要組成部分，公路開拓溝道限制坡度較大（8%），因此外部溝溝道合理深度的取值范圍更大。

研究表明，固定坑線外部溝道對(duì)于運(yùn)輸干線運(yùn)距的影響主要表現(xiàn)在2 個(gè)方面：①減少內(nèi)部溝的坑內(nèi)折返運(yùn)距和緩坡段運(yùn)距；②縮短地面干線運(yùn)距。因此當(dāng)固定坑線外部溝的深度滿足下式即為合理：

式中：Cy為單位運(yùn)費(fèi)，元/(t·km)；△L 為內(nèi)部溝與外部溝運(yùn)距差值，km；Q 為經(jīng)出入溝的累計(jì)總運(yùn)量，t；Ck為溝道和擴(kuò)幫工程的單位費(fèi)用，元/m3；△V為外部溝與內(nèi)部溝工程量差值，m3。

對(duì)于公路開拓露天礦，內(nèi)部溝工程量可忽略不計(jì)，△V 即為外部溝工程量，開拓露天礦的外部溝如圖1。

圖1 開拓露天礦的外部溝

溝道降深深度為N 個(gè)臺(tái)階的外部溝工程量可按下式計(jì)算：

式中：h 為臺(tái)階高度，m；i0為道路限制坡度；d 為道路緩坡段長(zhǎng)度，m；b 為道路寬度，m；α1為臺(tái)階坡面角，（°）；α2為溝道各水平道路中心線與外部溝中心線的夾角，（°）；M 為溝道深度為N 個(gè)臺(tái)階時(shí)的溝道臺(tái)階從下至上的編號(hào)，1＜M＜N-1；Df為非工作幫平盤寬度，m。

由式（2）可知，△V 隨溝道深度增加而增大，因此△V 可用一個(gè)關(guān)于N 的函數(shù)表示：△V＝FV（N）。同理，由于固定坑線外部溝的△L 也隨溝道深度增加而增大，因此△L 也可用一個(gè)關(guān)于N 的函數(shù)表示：△L＝FL（N）。則采用外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)與外部溝工程費(fèi)用之差Fz為：

Fz是關(guān)于外部溝臺(tái)階數(shù)N 的函數(shù)。對(duì)F 總求極值，在N 可能的取值范圍內(nèi)，使得Fz最大的N 即為溝道合理臺(tái)階數(shù)，對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。

3 移動(dòng)坑線的外部溝溝道深度優(yōu)化

由于移動(dòng)坑線外部溝與礦巖排卸點(diǎn)的位置關(guān)系隨工作幫向前推進(jìn)而處于動(dòng)態(tài)變化的過程中，溝道合理深度與外部溝服務(wù)年限及各年度的運(yùn)距、運(yùn)量有關(guān)，因此用式（1）確定的方法不再適用。

移動(dòng)坑線開拓時(shí)，在開采工程中，開拓坑線隨一側(cè)工作幫推進(jìn)而移動(dòng)[9]。隨著工作幫的推進(jìn)，移動(dòng)坑線外部溝存在2 種狀態(tài)：開采境界內(nèi)與開采境界外。移動(dòng)坑線外部溝的狀態(tài)如圖2。

圖2 移動(dòng)坑線外部溝的狀態(tài)

3.1 外部溝處于開采境界內(nèi)

當(dāng)移動(dòng)坑線外部溝處于開采境界內(nèi)時(shí)，溝道工程量發(fā)生在開采境界內(nèi)，建立外部溝相當(dāng)于在工作幫進(jìn)行了超前剝離，因此其費(fèi)用與溝道服務(wù)期限P有關(guān)。另外，隨著采場(chǎng)工作幫推進(jìn)，外部溝相對(duì)于卸料點(diǎn)G 的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致外部溝比內(nèi)部溝節(jié)約的運(yùn)距也發(fā)生了變化，外部溝與內(nèi)部溝的外排運(yùn)距示意圖如圖3。

圖3 外部溝與內(nèi)部溝的外排運(yùn)距示意圖

移動(dòng)坑線外部溝的合理臺(tái)階數(shù)N 按下式確定：

式中：P 為溝道服務(wù)年限，a；j 為正整數(shù)，1≤j＜P；Qj為第j 年通過溝道的運(yùn)量，t；FL（(j,N）為第j 年外部溝節(jié)約的運(yùn)距，km；kh為投資回報(bào)率。

即在移動(dòng)坑線外部溝服務(wù)期限內(nèi)，使各年度通過外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)累計(jì)值與外部溝超前剝離費(fèi)用之差達(dá)到最大時(shí)的溝道臺(tái)階數(shù)N 最為合理，所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。

3.2 外部溝處于開采境界外

由于固定坑線外部處于開采境界外，因此建立外部溝增加了額外的剝離工程量。對(duì)于移動(dòng)坑線外部溝而言，當(dāng)采場(chǎng)工作幫接近最終開采境界時(shí)，外部溝先于工作幫到界，外部溝先于工作幫到界如圖4。

圖4 外部溝先于工作幫到界

到界后的外部溝有2 種設(shè)置方案：①外部溝逐步靠幫到界，避免了增加額外的溝道工程量，但外部溝功能消失，無法縮短外排運(yùn)距；②外部溝繼續(xù)隨工作幫推進(jìn)，外部溝可繼續(xù)使用，但外部溝處于開采境界外，需額外增加溝道工程量。因此，對(duì)于處于開采境界外的外部溝而言，溝道的合理深度需要通過計(jì)算外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)和外部溝額外增加的工程費(fèi)用確定。移動(dòng)坑線外部溝直至采場(chǎng)工作幫到界時(shí)才最終形成，與固定坑線外部溝的形成過程恰恰相反，因此外部溝合理臺(tái)階數(shù)N 應(yīng)根據(jù)下式確定：

式中：Dt為出入溝到界時(shí)采場(chǎng)工作幫最上臺(tái)階與開采境界的距離，m；vt為工作幫年推進(jìn)速度，m/a。

即從移動(dòng)坑線外部溝到界至工作幫到界的服務(wù)期限內(nèi)，使各年度通過外部溝節(jié)約的運(yùn)費(fèi)與外部溝額外增加的工程費(fèi)用之差累計(jì)值達(dá)到最大時(shí)的溝道臺(tái)階數(shù)N 最為合理，所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)。

4 實(shí)例分析

神華寶日希勒能源有限公司露天煤礦，年產(chǎn)量在30 Mt/a，是大型的近水平復(fù)合露天煤礦。在采區(qū)重新劃分后，三采區(qū)未來面臨向四采區(qū)轉(zhuǎn)向開采，轉(zhuǎn)向期間內(nèi)排空間不足，大量剝離物需運(yùn)往外排土場(chǎng)。為減少外排運(yùn)距，避免大量的卡車在內(nèi)部溝溝道折返運(yùn)輸，可在采場(chǎng)工作幫方向和端幫非工作幫方向建立外排溝，由單斗卡車排棄至外排土場(chǎng)。寶日希勒露天礦開采參數(shù)如下：①臺(tái)階高度h=15 m；②道路限制坡度i0=10%；③道路緩坡段長(zhǎng)度d=50m；④道路寬度b=50 m；⑤臺(tái)階坡面角α1=33°；⑥溝道各水平道路中心線與外部溝中心線的夾角α2=15°；⑦非工作幫平盤寬度Df=50m；⑧工作幫年推進(jìn)速度vt=350 m/a；⑨投資回報(bào)率1.95%。

1）當(dāng)建設(shè)固定坑線外部溝，服務(wù)年限P=5 年時(shí)，Qj={6 200，5 800，5 600，6 300，6 000}（萬t），對(duì)應(yīng)節(jié)省運(yùn)距FL（j）={2.1，1.7，1.6，2.0，1.8}（km），（j=1，2，3，4，5），將參數(shù)代入式（3）中計(jì)算：在溝道臺(tái)階數(shù)量合理的范圍內(nèi)，確定節(jié)省費(fèi)用Fz=2 156 萬元，溝道臺(tái)階數(shù)量N=7。所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)為105m。

2）當(dāng)建設(shè)移動(dòng)坑線外部溝，外部溝在開采境界內(nèi)，服務(wù)年限P=6 年時(shí)，將參數(shù)代入式（4）中計(jì)算：在溝道臺(tái)階數(shù)量合理的范圍內(nèi)，確定節(jié)省費(fèi)用3 410 萬元，溝道臺(tái)階數(shù)量為8。所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)為120 m。

外部溝在開采境界外時(shí)，出入溝到界時(shí)采場(chǎng)工作幫最上臺(tái)階與開采境界的距離Dt=720 m，服務(wù)年限P=2 年時(shí)，將參數(shù)代入式（5）中計(jì)算：在溝道臺(tái)階數(shù)量合理的范圍內(nèi)，確定節(jié)省費(fèi)用480 萬元，溝道臺(tái)階數(shù)量3。所對(duì)應(yīng)的溝道深度最優(yōu)為45 m。

5 結(jié)語(yǔ)

1）總結(jié)了外部溝道的特點(diǎn)及影響外部溝設(shè)置的主要因素。

2）運(yùn)用費(fèi)用補(bǔ)償法，分析研究外部溝服務(wù)期限內(nèi)通過外部溝外排的采剝工程量及其運(yùn)距、外部溝掘溝工程量與外部溝溝道深度之間的關(guān)系，提出了固定坑線和移動(dòng)坑線的外部溝溝道深度優(yōu)化確定的方法，并依次建立了函數(shù)模型。

3）結(jié)合神華寶日希勒露天煤礦，實(shí)際情況當(dāng)建設(shè)固定坑線外部溝時(shí)，確定溝道深度最優(yōu)為105 m，節(jié)省費(fèi)用2 156 萬元；當(dāng)建設(shè)移動(dòng)坑線外部溝，外部溝在開采境界內(nèi)，確定溝道深度最優(yōu)為120 m，節(jié)省費(fèi)用3 410 萬元；外部溝在開采境界外時(shí)，確定溝道深度最優(yōu)為45 m，節(jié)省費(fèi)用480 萬元。