露天矿垂向反向运输对运输成本的影响

潘飞亚，车兆学，师兵团，曾启瑞

1)中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；2)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221116



【环境与能源 / Environment and Energy】

露天矿垂向反向运输对运输成本的影响

潘飞亚1,2，车兆学1,2，师兵团1,2，曾启瑞1,2

1)中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；2)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221116

提出露天矿运输设备在运输过程中存在先下后上问题，并将此定义为垂向反向运输问题.指出实际生产中，露天矿往往只考虑运输设备克服装载点与卸载点之间的高程差带来的成本，并未考虑因垂向反向运输增加的运输成本.垂向反向运输时运输成本相对增加，主要由动力消耗增大、上下坡时速度损失和机械设备磨损增加造成的. 以黑岱沟露天煤矿为例，通过对露天矿垂向反向运输中运输成本的增加值进行量化计算，为露天矿提供较为精确的运输成本计算模型，从而为露天矿开拓运输系统的设计和现场管理提供依据.

采矿工程； 露天矿； 高程提升； 垂向反向运输； 物料调度和流优化； 运输成本量化； 开拓运输系统

由于岩土的扩容特性及露天矿往往沿矿体倾向推进[1]的特征，剥离物在内排土场排弃的标高要比在采场时的高，因此，露天开采存在大规模剥离物克服高差进行提升搬运的现象.但是由于地形、工程布置和相邻露天矿影响等原因，造成运输设备在由工作帮去往排土场的过程中，经常不是持续提升，而是先下后上，在垂向上存在反向运输，造成运输成本增加.

一般情况下，运输设备爬坡都是直上直下式的，而垂向反向运输(vertical reverse transportation, VRT)过程则存在先下后上的问题[2]，如图1所示.垂向反向运输过程比直上直下式的爬坡过程多了重车下坡、重车上坡、空车下坡和空车上坡的过程.

图1　垂向反向运输说明图Fig.1　Illustration of vertical-reverse transportation

中国的露天矿大多采用外包加自营的方式完成露天矿的生产工作，计价时，没有具体规定垂向反向运输的价格，其与爬坡取同一值[3]，目前，尚未见相关研究文献.根据神华准能公司和中电投白音华露天煤矿的资料，爬坡单价取0.01元/(m3·m)，即单位体积物料提升1 m的价格是0.01元.重车和空车上下坡的垂向反向运输成本并没有考虑进去.

露天矿的年生产能力大，国内的大型露天煤矿年剥离量可达1.50×108m3以上[4]，如果单位运费节约一分钱，将产生150万元/年以上的经济效益.如果考虑垂向上的反向运输，部分物料的流向将发生变化，比不考虑时的运输成本也将下降.因此，研究露天矿垂向上的反向运输定量计算模型对露天矿物料流向优化、降低露天矿生产成本和指导露天矿管理具有重要意义.

通过分析，笔者认为垂向反向运输时，运输成本要比平面运输增加了3部分，即动力消耗增加、上下坡时速度损失和机械设备磨损增加造成的运输成本增加.所以有

C=(cp+cs+cm)∑h

(1)

其中， C为垂向反向运输时成本增加量(单位：元/m3)； cp为动力消耗增加引起的成本增加值； cs为速度损失引起的成本增加值； cm为机械设备磨损引起的成本增加值； ∑h为垂向反向运输的总高度.下面分别对这3部分进行量化分析，确定垂向反向运输成本的增加量.

1　动力消耗

运输设备爬坡时，实际上不仅有高程提升造成的动力消耗增加[5]，还有运距增加造成的动力消耗增加，如图2所示，α为坡道的角度； l为坡道水平长度； l′为坡道长度； h为坡道提升高度.

图2　高程提升时运距增加示意图Fig.2　Schematic of transport distance increase with vertical lifting

相比水平运输，高程提升时增加的运距为

(2)

由于露天矿运输设备的提升坡度都不大[6]，爬坡能力最强的带式输送机爬坡坡度一般在16°以下，这样Δl=1.040 0l， 爬坡比水平运输运距增加4%.对于露天矿用自卸卡车8%爬坡坡度[7-8]来说，Δl=1.003 2l， 即爬坡仅比水平运距增加0.32%，可以忽略.

对于矿用自卸卡车、铲运机和前装机等运输设备，其动力消耗主要发生在柴油的消耗上，而带式输送机的动力消耗为电力消耗.对于使用柴油的自卸卡车、铲运机和前装机等运输设备，以自卸卡车为例，动力消耗为

(3)

其中，ct为燃油设备垂向反向运输增加单位动力费用(单位：元/(m3·m))； a为柴油单价(单位：元/t)；mt为卡车自重； mts为卡车车货总重； mtl为卡车额定载重(单位：t)； g为重力加速度； ηt为燃油效率；ηm为发动机效率； ηe为传动效率；q为柴油的热值(单位：J/kg)； Vtl为卡车装载的物料体积(单位：m3)； ρ为物料密度(单位：kg/m3).

带式输送机的反向运输动力消耗为

(4)

其中， cb为带式输送机垂向反向运输增加单位动力费用(单位：元/(m3·m))； b为电力单价(单位：元/(kW·h))； mb为单位长度上胶带的重量(单位：t/km)； mbs为单位长度上胶带和物料总重(单位：t/km)； mbl为单位长度上带式输送机载重(单位：t/km)； ηb为驱动站电力转换效率； w为每度电包涵能量(单位：J/(kW·h))； Vbl为单位长度胶带上装载岩石的体积(单位：m3/km).

运输设备垂向反向运输增加单位动力费用为

(5)

式(5)中最难确定的是燃油效率ηt， 其由发动机热效率ηm和和传动效率ηe决定， 且ηt=ηmηe. 其中， ηm和ηe可通过制造商标定和现场实际测定， ηm因发动机类型不同而多异，汽油发动机、柴油发动机和增加柴油机的热效率范围分别为25%～30%、30%～40%和35%～40%[9].

2　上下坡速度损失

对于燃油运输设备上下坡时，虽然运距增加量很少，但是速度损失明显[10]，导致整个运输过程用时增长.速度损失后，运输设备能力降低，需要购置新的运输设备保持总运量不变，或减少总运量，即减少剥离量或矿石产量[11].

2.1新购买运输设备

没有垂向反向运输时，运输设备数量为

(6)

存在垂向反向运输时，运输设备数量为

(7)

增加的运输设备数量为

ΔN=N2-N1=

(8)

由于露天矿运输设备的提升坡度都不大，爬坡运距和坡道投影长度相差很小，爬坡时增加的运距可以忽略，所以s1≈s2，则增加的运输设备数量为

ΔN=N2-N1=

(9)

(10)

(11)

其中， ∑h为运输设备运输过程中垂向反向运输总高度(单位：m).

因为卡车数量增加，导致需要增加的投资为

ΔA=10 000ΔNe

(12)

其中，ΔA为购买新的运输设备增加的投资(单位：万元)； e为单台运输设备需增加的投资(单位：万元/台).

单位物料反向运输单位高度增加时，因速度降低增加的费用为

(13)

其中， IRR为资金内部收益率(internal rate of return).

结合式(9)、(11)、(12)和(13)，得到单位物料反向运输单位高度增加时，因速度降低增加的费用为

(14)

2.2减少剥离物运量或矿石运量

在不新购置运输设备时，由于垂向反向运输导致剥离物运量或矿石运量减少，造成经济效益降低.

2.2.1剥离运输设备

剥离运输设备垂向反向运输时降低的经济效益可结合式(6)和(7)计算得到ΔQ.ΔQ为在不购置新的运输设备时，由于垂向反向运输导致减少的剥离物的运量(单位：m3/年).

(15)

增加的费用为

(16)

其中， pc为矿石单位利润(单位：元/m3)； n为生产剥采比(单位：t/m3).

将式(6)、(11)和(15)带入式(16)得

(17)

2.2.2矿石运输设备

矿石运输设备垂向反向运输时降低的经济效益为

(18)

将式(6) 、(11)和(15)带入式(18)得

(19)

减少剥离物运输量时，增加的运营费为

(20)

减少矿石运输量时，增加的运营费用为

(21)

3　机械磨损

运输设备尤其是矿用自卸卡车满载下坡时，车辆制动系统负荷很大；满载上坡时，车辆动力系统需要满负荷工作，从而额外造成运输设备的机械磨损[13].机械磨损又会导致运输设备的故障率增加，导致保养与维修成本增加[14].但是运输设备因垂向反向运输造成的保养与维修成本增加量很难量化，原因有：① 维修保养成本与露天矿维修部门的技术、管理水平有很大关系，不同露天矿维修保养成本相差很大[15]；② 即使相同的运输设备，使用年限不同，其维修保养成本也不同[15]；③露天矿维修保养的对象针对的是具体的运输设备，是统一维修保养整个运输过程中造成的故障、机械磨损，并没有单独区分平路和上下坡维修成本.

笔者认为，因垂向反向运输造成的成本增加量，可根据具体矿山的设备维修保养成本情况估计为

“民用分类代码”将基础地理信息要素分为：1定位基础，2水系，3居民地及设施，4交通，5管线，6境界与政区，7地貌，8植被与土质，共计8个大类，46个小类，768个要素（除注记外723个要素）。本文按照大类对所有地理信息要素（注记除外）的分布进行了统计，其中，定位基础占3%，水系占14%，居民地及设施占25%，交通占18%，管线占14%，境界与政区占7%，地貌占12%，植被与土质占7%。

(22)

其中， cm为垂向反向运输造成的维修保养成本增加值(单位：元/(m3·m))； k为垂向反向运输维修保养成本增加系数； cr为露天矿运输设备单位维修成本(单位：元/m3).

4　实例说明

将上述参数分别代入式(3)、(5)、(11)、(14)、(17) 、(20)和(22)，得到因动力消耗增加的成本cp=0.026 0元/(m3·m)，因速度损失增加的成本为

0.000 5元/(m3·m).

因机械磨损增加的成本

cm=0.015 3元/(m3·m).

因垂向反身运输增加的单位成本

黑岱沟露天煤矿二采区南部和哈尔乌素露天煤矿交叉，为了减少重复剥离量，经过优化，黑岱沟南帮压帮高度在煤层顶板以上120 m[16].在2018年，压帮高度为1 130 m，则工作帮1 130 m水平以上的剥离物要从南帮经过就必定存在垂向反向运输.未考虑垂向反向运输时，物料从工作帮的中央一分为二，工作帮北部的物料经北帮到内排土场排弃，南部的物料经南帮到内排土场排弃.考虑垂向反向运输后，为了降低运输成本就要减少垂向反向运输的物料量，使原经过南帮内排的剥离物部分剥离物经北帮内排弃.这部分剥离的确定应以工作帮中点为界，逐渐向南帮扩展，直至节约的垂向反响运输费用不能弥补走北帮增加的平面运距运费时为止.

优化结果见表1，预测2018年黑岱沟露天煤矿自营剥离考虑垂向反向运输后，对于1 150～1 180 m台阶，工作帮中点以南300 m范围内的剥离物由原来经南帮到排土场改为经北帮去往排土场，虽然运距增加了150 m左右，但是节约了垂向反向运输费用，综合可节约236.56万元的费用；1 130～1 150 m台阶同理，这2个台阶共节约运输成本256.81万元.

表1　2018年黑岱沟露天煤矿自营剥离考虑垂向反向运输效益计算结果

5　结　论

1)根据露天矿运输设备的运行特征，提出了垂向反向运输的概念，垂向反向运输造成了运输设备动力消耗增加、平均运行速度降低和机械磨损增加，从而使运输成本增加.

2)动力消耗增加造成的成本增加量是垂向反向运输成本的主要组成部分，其与柴油(电力)价格呈正相关，而因速度损失造成的运输成本增加量不大，必要时可忽略.

3)确定垂向反向运输增加的成本后，生产单位可据此以总成本最小为原则对运输设备的运行路线，即物料流向进行优化，尽可能减少存在垂向反向运输现象的剥离物的量，进而节约运输成本.

4)通过研究实例说明仅测试若干卡车技术与运行参数并调整物料流向，在2018年黑岱沟露天煤矿自营岩石剥离(不计黄土剥离)可节省256.81万元. 该项技术可操作性强.可供露天矿优化物流，节约运输成本参考.

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【中文责编：晨兮；英文责编：天澜】

2016-02-24；Accepted：2016-05-23

Influence of the vertical-reverse transportation on the transportation cost of open-pit mines

Pan Feiya1,2, Che Zhaoxue1,2†, Shi Bingtuan1,2, and Zeng Qirui1,2

1) School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, P.R.China 2) State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, P.R.China

The issue of first downhill and then uphill for open-pit mine transport equipment in the transport processis is raised as a problem of vertical reverse transportation(VRT). It is well known that, in actual production, only the cost of overcoming vertical difference between the starting and ending points has been already considered while the transport cost of the VRT is ignored. When the VRT occurs, the other three parts should be added into the transport costs, including the increased power consumption, the speed loss during the downhill and uphill of the transport equipment, and the increased machinery wear and tear. By taking Heidaigou open-pit coal mine as an example, this paper quantifies the additional value of open-pit transport costs when the VRT occurs, and provides a more accurate model for the open-pit transport costs, so as to provide the basis for the design and management of the pit haulage system.

mining engineering; open-pit mine; vertical upgrade; vertical-reverse transportation; material flow scheduling and optimizating; transportation cost quantification; open haulage system

Pan Feiya, Che Zhaoxue, Shi Bingtuan, et al. Influence of the vertical-reverse transportation on the transportation cost of open-pit mines[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 464-469.(in Chinese)

TD 804

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05464

国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA062004)

潘飞亚(1990—)，男，中国矿业大学硕士研究生．研究方向：露天采矿. E-mail: pcumter@cumt.edu.cn

Foundation：National High-Tech Research and Development Program of China (2012AA062004)

† Corresponding author：Professor Che Zhaoxue. E-mail: chezhaoxue@163.com

引文：潘飞亚，车兆学，师兵团，等. 露天矿垂向反向运输对运输成本的影响[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(4)：464-469.