露天煤矿合理工作线长度确定

蔡忠超

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

露天煤矿合理工作线长度确定

蔡忠超

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

为探求露天煤矿合理的工作线长度，对影响工作线长度的几个主要因素进行分析，最终通过函数模型及净现值NVP值综合分析工作线长度对采、运、排影响，从而确定露天煤矿的最佳工作线长度。

工作线长度；影响因素；经济效益；NPV；露天煤矿

工作线长度是露天矿开采的主要参数之一，工作线越长露天矿端帮剥离量所占的比例就越小，剥采比降低，但是工作线越长基建工程量越大，工作面运输距离增加，运输设备数量也会增加，并且延长边坡暴露时间，不利于边坡稳定[1]；工作线过短，则作业空间受限，影响矿山的生产能力，且由于端帮量的影响使生产剥采比增加。因此，确定合理的工作线长度是必要的。

1 露天矿概述

露天矿所在地区属干旱、半干旱的沙漠地貌。南部、东部和北部地形复杂，多为起伏较大的风成沙丘，沙丘走向一般为近东南-西北向，最高标高为112.5 m；中部和西部为较平坦沙漠区，最低标高为52.5 m，一般标高在60.0～80.0 m。露天矿所在煤田地层倾角平缓，一般在2°～4°。煤层基底起伏不平，煤系地层下部产状略有起伏，构造简单，煤层埋藏较深，一般约为150 m。本区煤全水分（Mt）平均为47.8%，干燥基灰分（Ad）平均为13.98%，干燥无灰基挥发分（Vdaf）一般为52%～60%，硫分（St,d）平均为2.57%，干燥基高位发热量（Qgr，d）为23.99 MJ/kg，收到基低位发热量(Qnet，ar)为10.89 MJ/kg，为低灰、特高全水分、特高挥发分、低固定碳、中高硫、中发热量煤、特低氯、中等可磨煤，是良好的电厂用煤。

剥离物由第四系松散层和第三系松散软岩层组成。主要岩性为细砂，黏土质粉砂岩，粉砂岩，中粗砂岩和泥岩等组成，抗压强度均小于6 MPa。砂岩含水率小于20%，泥岩含水率为40%左右。

本露天矿生产能力为原煤7.8 Mt/a，开采对象为A、B和C煤层，开采境界内3个可采煤层厚度约为23～35 m，其中C煤层16～27 m。剥离采用单斗－卡车开采工艺，采煤采用单斗－卡车+半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺。

2 与工作线长度有关的主要因素

2.1 工作线长度与基建量的关系

露天矿工作线长度是由露天矿采掘场尺寸决定的[2]，依据露天矿选定的拉沟位置，在地质模型基础上，选取了采区宽度分别是600、800、1 000、1 200 m 4个宽度方案，按最终帮坡角为24°，工作帮坡角为13°对各方案的基建工程量进行了计算，其计算结果见表1，其变化趋势如图1所示。

表1 不同工作线长度基建量

图1 基建量与工作线长度对应关系

由以上计算结果可知，随着工作线长度的增加，基建工程量也将近似线性增加，因此应尽量减小露天矿的工作线长度，从而降低基建期投资。

2.2 工作线长度对工作面卡车运距影响

工作线的长度对工作面卡车的运距有一定影响，从而影响所需卡车数量，根据本露天矿的实际情况对上述4个方案的采区工作线长度条件下所需设备数量进行了计算，工作线长度变化对运距及卡车数量的影响情况见表2[1]。

表2 工作线长度对卡车运距、数量影响

由表2可知，为了减少自卸卡车运距，减少生产所需卡车数量、降低初期投资，宜选取相对较小的工作线长度。

2.3 工作线长度与年推进速度的关系

工作线长度应能保证选定生产工艺在允许推进度条件下达到设计规模[3]。本露天煤矿建设规模为7.80 Mt/a，境界内的煤层平均可采厚度为23～35 m，煤层倾角一般在2°～4°。剥离、采煤开采工艺均为单斗-卡车开采工艺，根据单斗卡车开采工艺对工作线推进速度的要求，本矿工作线推进速度不宜大于400 m/a[4]，据此计算，本矿采煤工作线长度不宜小于690 m。

2.4 工作线长度与边坡和疏干的关系

采掘场实现内排的条件下，工作线长度越长，推进速度越慢，则边坡暴露时间越久，对边坡稳定性要求更高；工作线长度越短，推进速度越快，实现内排压帮速度快，边坡暴露时间越短，更有利于边坡的稳定性。

从利于边坡稳定性角度分析，本矿的采煤工作线长度宜选取最短的690 m，以实现快速降深，尽早到达最下部煤层底板实现内排。

但根据本露天矿水文地质资料计算，露天煤矿疏干水量为142 520 m3/d，由于工作线过短而导致的工作线推进强度过快不利于采掘场的疏干工程布置及疏干效果，不利于确保采掘场的排水系统安全运行。

2.5 工作线长度与生产剥采比的关系

露天采矿中的端帮剥离量是使剥采比无效增加的剥离量[5]。由于受到赋存条件及地形等因素的影响，露天矿生产剥采比n=f（L）是一个不规律的函数。

露天矿垂直工作线推进方向断面示意如图2所示。

图2 露天矿垂直工作线推进方向断面示意

露天矿的剥采比n可近似的用下式表示：

式中：n为生产剥采比，m3/t；V为剥离量，Mm3；L为坑底走向工作线长度，m；H为上覆剥离物厚度，170 m；h为煤层厚度，30 m；α为最终帮坡角，24°；r为煤的平均密度，1.2 t/m3；经式（1）计算得剥采比n为：。

从上式中可以看出，随着工作线L的增大剥采比将逐渐的减小，因此单一从生产剥采比这一角度考虑应尽量加大露天矿的工作线长度从而降低生产剥采比。

3 最优工作线长度的分析与论证

3.1 函数模型法分析工作线长度

建立完全内排时，露天矿采、运、排3大环节的年总费用Fz关于工作线长度L的函数模型，从而确定合理的工作线长度。

1）年采掘费用Fc。当露天矿的生产能力Q一定时，年采掘费用Fc随着剥采比n的变化而变化，而剥采比n的大小与工作线长度L有关。

露天矿剥离和采煤的总费用可表示为：

式中：Fc为采掘总费用，元；a为采掘单价，元/m3；Q为露天矿年生产能力，Mt；r为煤的平均密度，1.2 t/m3；

2）年运输费用Fy。露天矿剥离的运输方式为自卸卡车运输，煤的运输方式为工作面至半移动式破碎站为自卸卡车运输，半移动式破碎站至电厂接口位置为带式输送机运输。由于煤系统后续的运输费用与工作线长度无关，因此费用计算中总的运输费用仅包含剥离及采煤的自卸卡车运输费用。

如图2所示，采掘场内的物料重心和排土物料重心均为露天矿开采深度的1/2位置，则物料重心的水平工作线长度为：

式中：Lg为物料重心所在水平的工作线长度，m；H1为露天矿开采深度，（H1=h+H=200 m）；

经式（3）计算得物料重心的水平工作线长度为：

如图2所示，实现完全内排开始，物料双环运输，物料重心的剥离运距为[6]：

式中：L1为剥离运距，m；B为底部工作帮与内排土帮坡底间距离，60 m；h1为物料重心开采高度，100 m；γ为工作帮坡角，13°；β为内排土场工作帮坡角，15°；α为端帮最终帮坡角，24°；

经式（3）、（4）计算得剥离运距为：L1=L+770；

从坑底到地表的原煤运距L2的计算式为：

式中：L2为原煤运距/m；K为展线系数取1.2；h为露天矿开采深度，200 m；—卡车道路最大纵坡度8%；

图3 露天矿工作线推进方向断面示意图

经式（5）计算得原煤运距为：L2=L+3 000。

综上所述，露天矿年运输费用Fy应为：

式中：b为汽车运输单位费用，元/m3·km。

3）年排弃费用Fp。露天矿年排弃费用为排弃单价与年排弃总量的乘积，即

式中：c为汽车排弃单位费用，元/m3。

4）露天矿年总费用Fz。根据上述计算结果，考虑采运排3大环节的露天矿总费用Fz应为[7]：

对上述Fz=f（L）求导，令f（L）’=0，则得，

本项目为国外项目，完全内排后剥离物和煤的综合运距为2.68 km，根据运营成本经济模型计算得运输单价b值约为3.00元/m3·km，采掘及排土费用（a+c）值约为4.15元/m3，代入上式中得，5.4L2+24.3L -3 217 422.159=0，进一步求得，L=769.65 m。

由此根据建立的完全内排时，露天矿采、运、排3大环节的年总费用Fz关于工作线长度L的函数模型结果可知，本露天矿内排后采煤工作线长度在800 m左右是最经济的。

3.2 净现值NPV方法分析工作线长度

通过上述采煤工作线长度的函数模型分析，可以得出当采煤工作线长度在800 m左右时是最经济的，但是此函数模型是建立在完全内排的基础上，忽略了基建工程量及内排前的采、运、排费用影响。

净现值NPV法能够计算以市场价值表示的股东财富[8]，因此在函数模型分析的基础上，对工作线长度作进一步优化，同时引入净现值NPV方法分析工作线长度，对项目30年寿命周期的经济影响。

随着本露天煤矿工作线长度的增加，基建工程量也呈现近似线性增加，因此为了降低投资，在确定露天矿初期坑底工作线长度800 m，基建量不变条件下，本文选取了坑底工作线长度800 m、坑底工作线长度从800 m逐渐扩帮到1 000 m、坑底工作线长度从800 m逐渐扩帮到1 200 m、坑底工作线长度从800 m逐渐扩帮到1 400 m及坑底工作线长度从800 m逐渐扩帮到1 600 m共5个工作线长度方案，并对5个方案按照相同原则进行了剥采比均衡，编制了生产30年的进度计划，并分析了各方案的设备投入及更新、利用净现值NPV方法对采、运、排直接费用进行了分析，各方案生产30年剥采比均衡情况及NPV值计算结果见表3。

表3 不同工作线长度30年生产期NPV值

通过上述5个工作线长度方案的NPV净现值比选情况，最优工作线长度宜选取方案3，即初期拉沟为800 m并逐渐扩帮至1 200 m。

4 结论

综上所述，为避免工作面空间过于受限、工作线推进过快影响疏干工程布置，确定露天矿首采区深部采煤工作线长度初始拉沟时为800 m，此时地表工作线长度约1 750 m，基建量为160.0 Mm3。随着生产逐渐扩帮，最终采煤工作线长度为1 200 m，此时地表工作线长度约2 200 m。此工作线长度能够满足露天矿年推进度、生产规模、设备布置及边坡稳定性的要求，同时能够有效地降低露天矿采、运、排综合成本费用，在露天矿30年的寿命周期内经济效益最好。

［1］塔尔Ⅰ区块露天煤矿可行性研究报告［R］.沈阳：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，2016.

［2］姚志勇，付延胜.露天矿工作线长度的优化［J］.露天采矿技术，2006（1）：4-6.

［3］王海青，李景柱.胜利露天煤矿工作线长度优化［J］.露天采矿技术，2007（3）：11-12.

［4］GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范［S］.

［5］张树福.露天矿经济合理的采矿工作线长度［J］.露天采矿技术，2006（6）20.

［6］蔡忠超，魏峥.不同工作线长度下拉沟方案的比选［J］.煤炭工程，2012（S2）：10-11.

［7］宋子岭，白润才.武家塔露天煤矿合理工作线长度的确定［J］.露天采矿技术，2005（3）：4-6.

［8］苏力.论协调不同资本成本计算的NPV［J］.现代商贸工业，2012（1）：174-175.

【责任编辑：陈 毓】

Determining of reasonable working bench length in Open-pit Coal Mine

CAI Zhongchao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

To explore the reasonable length of working bench of the open-pit coal mine,the article analyzes several main factors of affecting the working bench length.Finally through function model and NVP,the author comprehensively analyzes the effects of the working bench on mining,transporting and dumping,and determines the reasonable length of working bench of the open-pit coal mine.

length of working bench;influencing factor;economic benefit;NPV;open-pit coal mine

TD216

B

1671－9816（2017）03－0011－04

2016-10-26

蔡忠超（1985—），男，吉林长春人，工程师，硕士，2010年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程专业，现在中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司从事露天开采设计工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.004

蔡忠超.露天煤矿合理工作线长度确定［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：11-14.