生态复垦条件下大型露天煤矿表土优化调运线性规划研究＊

郝文玉才庆祥张 磊彭 竹

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008; 2.神华北电胜利能源有限公司,内蒙古自治区锡林郭勒,026015; 3.国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,100029)

★节能与环保★

生态复垦条件下大型露天煤矿表土优化调运线性规划研究＊

郝文玉1,2才庆祥1张 磊3彭 竹3

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008; 2.神华北电胜利能源有限公司,内蒙古自治区锡林郭勒,026015; 3.国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京市朝阳区,100029)

采用线性规划对生态复垦条件下矿山表土资源的流量和流向进行最优化控制,得出表土最优调运量、调运周期和最佳停止时间,给出调运的实施办法。建立了露天矿生产与生态重建良性循环模型,并评价了在胜利一号露天矿的实施效益情况。

生态复垦 露天煤矿 表土运输 线性规划

在大型露天煤矿,生态复垦已经成为伴随采矿设计而同步进行的一项重要规划贯穿采矿生产活动的始终。在露天煤矿土地复垦工作的过程中,表土应成为支持复垦工程的重要资源。为解决土地复垦的土源问题,有些国家或企业在采矿工程动工之前,先把表层及亚表层土壤取走,并认真加以保存,待工程结束后再把它们放回原处。

1 研究重点

露天煤矿的矿、岩、土物流一般涉及多个装载点和多个卸载点。针对这个特点,采用线性规划对生态复垦条件下矿山表土资源的流量和流向进行最优化控制。在表土调运线性规划数学模型中,目标函数是追求生态复垦总费用最低,主要考虑表土的采装费、运输费和复垦工程费;约束条件中主要考虑表土采集量和复垦地点表土需要量。理论上来说,复垦客土的来源即表土采集点有多个,而土地复垦的地点也分布在排土场的不同高度和不同位置。假设露天矿表土采集点共m个,i是其中任意一个采集点;土地复垦点共n个,j是其中任意一个复垦点,建立露天煤矿土地复垦的表土运输网络如图1所示。

图1 露天煤矿土地复垦表土运输网络图

剥离物的运输占露天矿山总运输量的大部分,运输费用在矿山生产成本中是必不可少的而且其数额是非常可观的。而表土调运运输问题作为一个多起点、多出口、多重点的复杂系统,寻求合理的或者最优的调运方案将能大大节省总的复垦费用,降低运输成本。

2 生态复垦条件下表土优化调运线性规划模型

2.1 假设条件

(1)表土采集区供给的表土资源流与土地复垦区对表土的需求均是连续的,设表土采集指数是E,表土复垦指数是F,显然,线性规划中E>F。

(2)鉴于露天矿土地复垦的生产实际,即土地复垦区不可能停工待土,故存在一个最小允许表土储存量,模型中设为B。

(3)考虑到露天矿土地复垦工作中庞大的表土需求量和表土供给工作的缓慢性,模型中将问题限制在表土调运补充周期较长的范畴,以天为单位,一旦需要调运表土,采集工程可立即开始。

(4)表土采集需要一定的生产周期,模型中设为T。

(5)在某一时刻表土资源的补充达到最大值,此时停止表土采集工程,此处设表土补充的最大值为M。

2.2 模型创建

在假设条件的基础上,建立了生态复垦条件下表土优化调运线性规划模型,如图2所示。

图2 生态复垦条件下表土优化调运线性规划模型

公式为:

式中:I——表土优化调运线性规划模型中生态复垦总投资费用,元;

I′——一个表土调运周期内的平均生态复垦费用,元;

E——采掘区表土采集速度,m3/d;

F——土地复垦区表土铺设速度,m3/d;

C1——表土的单位储存费用,元/m3·d;

C2——无法立即提供表土的缺货费用,元/

m3·d;

C3——表土的单位运输费用,元/m3·km;

C4——表土的采装费用,元/m3·d;

C5——表土的铺设费用,元/m3·d;

D——表土的运输距离,km;

T——一个表土采集周期,d;

t

0——表土最低储存量对应的临界时间,d。

整理得一个表土调运周期内的平均生态复垦费用函数:

函数中含两个自变量T和t0,对于一个特定的矿山生产企业来说,短期内其余各值(如采集费用、运输费用、排土费用、铺设费用、堆存费用、采集速度、铺设速度、运输距离等)均为常数。取导求函数极值:

求导后得出相应的表土优化调运周期、经济调运批量和最佳停止时间等参数。

3 实例研究

胜利一号露天煤矿隶属神华北电胜利能源有限公司,煤矿排土机排土场复垦区占地面积270.00 ha,排土机工作线设计排土高度70 m,设计边坡角为18°。采掘场表土工作面剥离量参考矿方提供的《露天煤矿历年生产统计资料汇编》,查历年剥离完成情况明细表,取近年来剥离量年平均值5.76Mt/a,表土单位存储费C1为0.05元/m3· d,表土的单位运费为1.30元/m3·km,露天矿采掘场至排土机排土场复垦工作线的表土调运运距D为2.30 km,表土运费C3D为4.68元/m3,单位表土的采装费用C4取2.50元/m3·d,单位表土的铺设费用C5为0.35元/m3·d,假定在8 a内完成外排土场的覆土工作。

取矿山年有效工作时间为275 d,推导出最终结果:

式中:T＊——生态复垦条件下最优表土调运周期,

d;

Q＊——表土的经济调运批量,m3;

t1

＊——表土调运的最佳停止时间,d。

把相关数据代入公式(4)、(5)、(6)中,得T＊=53.48 d,Q＊=119948.70 m3,t1＊=6.37 d。根据计算结果,胜利一号露天煤矿在生态复垦工作中,以1 a为计算期限,表土资源的最优调运周期为54 d,表土调运的经济合理批量为12万m3,停止表土调运的最佳时间在开始采集后的第7 d。

表土调运具体实施方法:在外排土场到期和采掘场内排开始后形成的稳定排土场地上铺设一层平均厚度在1.5 m的表土,并分期分批实现保土、护坡、灌溉和人工植草等工作,力求在最短时间内恢复露天矿生产过程中被破坏的地理和生态环境,尤其是地表水土和植被环境。

矿山开采与环境保护在经济上构成互相制约、互相竞争的关系。竞争双方都力图选择对己方最有利或最合理的方案以取得最大的经济利益(或最小的经济投入)。作为一对相互联系、相互影响的矛盾体,重建后的生态环境与矿产资源开发可望实现相互补充、相互促进、良性循环。露天矿生产与生态复垦良性循环生产链模型见图3。

经济效益评价主要是对复垦后的矿山土地进行农、林、牧、渔业等复垦方向的土地生产能力的评价,个别地方也可扩展到由于生态环境的改变而开展的旅游、餐饮等产业的经济效益评价。胜利露天煤矿复垦土地主要利用方向为牧草恢复用地、林果地和农耕地。根据锡林郭勒地区农、林、牧业的生产水平和现行价格,对3个复垦方向作出的经济效益分析见表1。

图3 露天矿生产与生态复垦良性循环生产链模型

表1 胜利一号露天煤矿复垦土地经济效益分析

生态复垦初期的环境效益首先体现在减轻自然灾害上,如保护新造土地不遭沟蚀破坏与石化、沙化,减轻矿区下游洪涝灾害与泥沙危害,减轻矿区风蚀与风沙危害,减轻滑坡、泥石流的危害等。破坏地复垦的中后期,可以具备生产性功能,其社会效益不仅体现在减轻自然灾害上,而且已上升到促进社会进步的层面,如改善农业基础设施、解决剩余劳动力、提高劳动利用率、调整土地利用结构和农村生产结构、缓解人地矛盾等。

4 结束语

表土优化调运线性规划的实施目的是把胜利一号露天煤矿建设成为绿色生态矿区,并对缓解当地工农用地矛盾,带动环境保护事业、促进矿区人口、生态、社会和谐发展起到积极作用。经过土地重塑、土壤重构、植被恢复,既保证了耕地总量动态平衡,又重建了比原生态更好的生态系统。改善了矿山和地方政府、矿山和农民的关系,提高了社会的稳定性。

[1]孙凤,袁中群,王晓峰.废弃土地的林业复垦技术[M].郑州:黄河水利出版社,2001

[2]付梅臣,陈秋计等.煤矿区生态复垦和预复垦中表土剥离及其工艺[J].西安科技学院学报,2004(6)

[3]车兆学,才庆祥.黑岱沟露天煤矿剥离黄土半连续工艺研究[J].中国矿业大学学报,2004(11)

[4]彭竹,才庆祥,张磊等.灰色预测模型在露天矿生态重建投资中的应用[J].煤炭经济研究,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,神华北电胜利能源有限公司运销公司经理、高级经济师、中国矿业大学在读博士,主要研究方向为采矿工程。

(责任编辑 张艳华)

十一五国家科技支撑计划项目(2006BAB16B00)。