露天矿外部沟沟道深度优化

张周爱，鞠兴军，李雁飞，黄玉凯

（神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021500）

露天矿采矿生产工程中，建立沟道是一项经常性的生产工作，用于建立运输系统的联系[1]。如何优化运输系统缩短运距，是露天矿山经济效益最大化的最佳途径[2-6]。而沟道位置的选择和土岩的流向、流量与矿山生产过程中的建设和运输费用直接相关，对矿山经济效益具有较大的影响[7]。但在生产实践中，建立沟道通常只是基于合理性，却极少有专家、学者对沟道深度进详细的研究。外部沟沟道深度一方面直接影响通过该沟道的采剥工程量运距，另一方面决定了外部沟的掘沟工程量。为此，通过研究外部沟的采剥工程量运距、外部沟掘沟工程量与外部沟沟道深度之间的关系，运用费用补偿法，确定经济合理的外部沟沟道深度。

1 影响外部沟设置的因素

根据露天矿开拓坑线与开采境界或者采场边帮的相对位置，可将开拓坑线分为外部坑线（外部沟）和内部坑线（内部沟）。外部沟多见于铁路开拓和公路开拓，与内部沟相比，外部沟具有线路平直，不受矿体形状影响；运距短；减少卡车（列车）运行折返次数，增加设备通行效率；可能增加境界外沟道工程量等特点。

影响外部沟设置的因素有以下几个方面：

1）外部沟类型。外部沟根据需要可以设置在非工作帮和工作帮上，当设置在非工作帮时，为固定坑线外部沟，当设置在工作帮时，为移动坑线外部沟。一般来讲，固定坑线外部沟的沟道工程量发生在开采境界以外，属于纯增加的剥离量。工作帮未推进至最终开采境界时，移动坑线外部沟的沟道工程量位于采场外，仅发生的时间有所提前。当工作帮接近最终开采境界时，继续采用移动坑线外部沟，则产生的沟道工程量亦位于开采境界之外，属于纯增加的剥离量。

2）外部沟与矿岩排卸点相对位置关系。固定坑线外部沟与矿岩排卸点的位置相对固定，当外部沟设置在采场与矿岩排卸点之间且沟道深度不变时，缩短的地面干线运距不变；而移动坑线外部沟位置随工作帮推进而变化，即使沟道深部不变，缩短的地面干线运距也随工作帮推进而动态变化。

3）外部沟服务年限。固定坑线外部沟服务年限越长，通过外部沟的矿岩量越大，则外部沟沟道深度可越大，反之，则沟道深度应越小；移动坑线外部沟的服务年限在影响通过外部沟的矿岩量的同时还影响地面干线运距，因此对沟道深度的影响更为复杂。

经济合理的外部沟沟道深度需要根据外部沟的不同类型加以分析确定。

2 固定坑线的外部沟沟道深度优化

对采用固定坑线外部沟的铁路开拓露天矿，境界内采剥工程量越大，外部沟可以越深，而对于缓倾斜矿体的露天矿，受铁路开拓沟道坡度（1.5%～3%）较小的影响，外部沟沟道深度一般不超过地表以下2～3 个台阶[8]。随着露天采矿工艺的发展，公路开拓取代铁路开拓成为当前露天开拓方式的重要组成部分，公路开拓沟道限制坡度较大（8%），因此外部沟沟道合理深度的取值范围更大。

研究表明，固定坑线外部沟道对于运输干线运距的影响主要表现在2 个方面：①减少内部沟的坑内折返运距和缓坡段运距；②缩短地面干线运距。因此当固定坑线外部沟的深度满足下式即为合理：

式中：Cy为单位运费，元/(t·km)；△L 为内部沟与外部沟运距差值，km；Q 为经出入沟的累计总运量，t；Ck为沟道和扩帮工程的单位费用，元/m3；△V为外部沟与内部沟工程量差值，m3。

对于公路开拓露天矿，内部沟工程量可忽略不计，△V 即为外部沟工程量，开拓露天矿的外部沟如图1。

图1 开拓露天矿的外部沟

沟道降深深度为N 个台阶的外部沟工程量可按下式计算：

式中：h 为台阶高度，m；i0为道路限制坡度；d 为道路缓坡段长度，m；b 为道路宽度，m；α1为台阶坡面角，（°）；α2为沟道各水平道路中心线与外部沟中心线的夹角，（°）；M 为沟道深度为N 个台阶时的沟道台阶从下至上的编号，1＜M＜N-1；Df为非工作帮平盘宽度，m。

由式（2）可知，△V 随沟道深度增加而增大，因此△V 可用一个关于N 的函数表示：△V＝FV（N）。同理，由于固定坑线外部沟的△L 也随沟道深度增加而增大，因此△L 也可用一个关于N 的函数表示：△L＝FL（N）。则采用外部沟节约的运费与外部沟工程费用之差Fz为：

Fz是关于外部沟台阶数N 的函数。对F 总求极值，在N 可能的取值范围内，使得Fz最大的N 即为沟道合理台阶数，对应的沟道深度最优。

3 移动坑线的外部沟沟道深度优化

由于移动坑线外部沟与矿岩排卸点的位置关系随工作帮向前推进而处于动态变化的过程中，沟道合理深度与外部沟服务年限及各年度的运距、运量有关，因此用式（1）确定的方法不再适用。

移动坑线开拓时，在开采工程中，开拓坑线随一侧工作帮推进而移动[9]。随着工作帮的推进，移动坑线外部沟存在2 种状态：开采境界内与开采境界外。移动坑线外部沟的状态如图2。

图2 移动坑线外部沟的状态

3.1 外部沟处于开采境界内

当移动坑线外部沟处于开采境界内时，沟道工程量发生在开采境界内，建立外部沟相当于在工作帮进行了超前剥离，因此其费用与沟道服务期限P有关。另外，随着采场工作帮推进，外部沟相对于卸料点G 的位置发生变化，导致外部沟比内部沟节约的运距也发生了变化，外部沟与内部沟的外排运距示意图如图3。

图3 外部沟与内部沟的外排运距示意图

移动坑线外部沟的合理台阶数N 按下式确定：

式中：P 为沟道服务年限，a；j 为正整数，1≤j＜P；Qj为第j 年通过沟道的运量，t；FL（(j,N）为第j 年外部沟节约的运距，km；kh为投资回报率。

即在移动坑线外部沟服务期限内，使各年度通过外部沟节约的运费累计值与外部沟超前剥离费用之差达到最大时的沟道台阶数N 最为合理，所对应的沟道深度最优。

3.2 外部沟处于开采境界外

由于固定坑线外部处于开采境界外，因此建立外部沟增加了额外的剥离工程量。对于移动坑线外部沟而言，当采场工作帮接近最终开采境界时，外部沟先于工作帮到界，外部沟先于工作帮到界如图4。

图4 外部沟先于工作帮到界

到界后的外部沟有2 种设置方案：①外部沟逐步靠帮到界，避免了增加额外的沟道工程量，但外部沟功能消失，无法缩短外排运距；②外部沟继续随工作帮推进，外部沟可继续使用，但外部沟处于开采境界外，需额外增加沟道工程量。因此，对于处于开采境界外的外部沟而言，沟道的合理深度需要通过计算外部沟节约的运费和外部沟额外增加的工程费用确定。移动坑线外部沟直至采场工作帮到界时才最终形成，与固定坑线外部沟的形成过程恰恰相反，因此外部沟合理台阶数N 应根据下式确定：

式中：Dt为出入沟到界时采场工作帮最上台阶与开采境界的距离，m；vt为工作帮年推进速度，m/a。

即从移动坑线外部沟到界至工作帮到界的服务期限内，使各年度通过外部沟节约的运费与外部沟额外增加的工程费用之差累计值达到最大时的沟道台阶数N 最为合理，所对应的沟道深度最优。

4 实例分析

神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿，年产量在30 Mt/a，是大型的近水平复合露天煤矿。在采区重新划分后，三采区未来面临向四采区转向开采，转向期间内排空间不足，大量剥离物需运往外排土场。为减少外排运距，避免大量的卡车在内部沟沟道折返运输，可在采场工作帮方向和端帮非工作帮方向建立外排沟，由单斗卡车排弃至外排土场。宝日希勒露天矿开采参数如下：①台阶高度h=15 m；②道路限制坡度i0=10%；③道路缓坡段长度d=50m；④道路宽度b=50 m；⑤台阶坡面角α1=33°；⑥沟道各水平道路中心线与外部沟中心线的夹角α2=15°；⑦非工作帮平盘宽度Df=50m；⑧工作帮年推进速度vt=350 m/a；⑨投资回报率1.95%。

1）当建设固定坑线外部沟，服务年限P=5 年时，Qj={6 200，5 800，5 600，6 300，6 000}（万t），对应节省运距FL（j）={2.1，1.7，1.6，2.0，1.8}（km），（j=1，2，3，4，5），将参数代入式（3）中计算：在沟道台阶数量合理的范围内，确定节省费用Fz=2 156 万元，沟道台阶数量N=7。所对应的沟道深度最优为105m。

2）当建设移动坑线外部沟，外部沟在开采境界内，服务年限P=6 年时，将参数代入式（4）中计算：在沟道台阶数量合理的范围内，确定节省费用3 410 万元，沟道台阶数量为8。所对应的沟道深度最优为120 m。

外部沟在开采境界外时，出入沟到界时采场工作帮最上台阶与开采境界的距离Dt=720 m，服务年限P=2 年时，将参数代入式（5）中计算：在沟道台阶数量合理的范围内，确定节省费用480 万元，沟道台阶数量3。所对应的沟道深度最优为45 m。

5 结语

1）总结了外部沟道的特点及影响外部沟设置的主要因素。

2）运用费用补偿法，分析研究外部沟服务期限内通过外部沟外排的采剥工程量及其运距、外部沟掘沟工程量与外部沟沟道深度之间的关系，提出了固定坑线和移动坑线的外部沟沟道深度优化确定的方法，并依次建立了函数模型。

3）结合神华宝日希勒露天煤矿，实际情况当建设固定坑线外部沟时，确定沟道深度最优为105 m，节省费用2 156 万元；当建设移动坑线外部沟，外部沟在开采境界内，确定沟道深度最优为120 m，节省费用3 410 万元；外部沟在开采境界外时，确定沟道深度最优为45 m，节省费用480 万元。