复合煤层露天矿综合开采工艺经济合理工作线长度优化

陈晓杰，刘 闯，张东旭，夏庆宇

（1.锡林郭勒盟乌兰图嘎煤炭有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000；2.应急管理部信息研究院，北京 100029；3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；5.神华销售集团东北能源贸易有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

露天煤矿工作线长度是影响露天煤矿生产能力、经济效益以及采区划分的一个重要因素[1]，在推进度变化不大的情况下，工作线长度便成为决定露天煤矿产量的重要因素之一[2]。对于分区开采的露天矿，工作线长度的确定意味着采区宽度的确定，该项工艺参数从建设初期开始就影响着露天矿的方方面面，最终在经济效益上体现出来[3]。工作线长度不是一成不变的，应结合生产规模、市场变化、勘探程度和开采工艺的改造适时进行规划和调整，同时优化工作线长度还应考虑经济效益和社会效益[4]。

目前对于露天煤矿工作线长度的计算已有一定研究，形成了2 种典型的工作线长度确定方法：

1）通过分析露天煤矿在一定生产能力情况下工作线长度与推进速度的关系，得出技术可行的工作线长度；分析在规定产能时露天矿剥离总费用与工作线长度的关系，得出经济合理的工作线长度。最终确定满足生产能力时剥离总费用最小的工作线长度即为露天矿合理的工作线长度[5-7]。

2）利用计算机辅助设计系统构建三维地质模型及开采模型，选取不同工作线长度布置方案进行模拟开采，对比分析不同工作线长度开采时得技术、经济指标，综合确定露天矿合理工作线长度[8]。

1 单一开采工艺系统工作面运输成本分析

台阶开采过程中，采掘设备与运输系统沿工作线往复进行采掘与运输作业，开采工艺系统的运行成本与工作线长度有关。由于不同开采工艺系统的采掘设备、物料运输、作业方式等各不相同，因此工作线长度对系统运行成本的影响方式和程度也不相同。例如，单斗-卡车工艺系统的工作线长度越长，卡车内排运距越长，系统运行成本越高；而单斗-自移式破碎机半连续工艺系统恰恰相反，工作线长度越长，工作面带式输送机移设次数越少，采掘设备折返次数越少，运行成本越低。综上所述，综合开采工艺露天矿合理的工作线长度，需要根据各种开采工艺系统的工作面运输成本与工作线长度的关系来优化确定。

按运输线路所处位置分类，各开采工艺的运输距离可分为工作面运距、端帮运距、地面运距、卸载点运距；其中采煤和剥离外排时，工作面运距与工作线的长度有关；当剥离内排时，工作面运距和卸载点运距均与工作线长度有关。

1.1 卡车工作面运输成本

卡车工作面运输成本主要包含4 个方面：燃油成本、备件成本、人工成本、设备折旧，其中燃油成本与工作面水平运距正相关。

卡车运送单位体积物料的运输成本计算公式为：

式中：Ckc为卡车运输单位体积物料成本，元/m3；Cy为卡车的燃油单价，元/t；Lk为卡车运输工作面水平运距，km；Yp为单位体积物料的水平运输油耗，t/（m3·km）；Hk为卡车运输工作面垂直提升高差，m；Yt为单位体积物料的垂直提升油耗，t（/m3·km）；CkB为单位体积物料的备件成本，元/m3；CkR为单位体积物料的人工成本，元/m3；Ckz为单位体积物料的设备折旧费，元/m3。

露天矿内排运输示意图如图1。当露天矿采用单环内排时，卡车运输工作面运距和卸载点运距都与工作线长度有关，因此将卸载点运距统一到工作面运距进行计算，则工作面水平运距为Lg，单环内排如图1（a）；同理，当采用双环内排时，工作面水平运距为Lg/2。

图1 露天矿内排运输示意图

由式（1）及工作线长度与卡车运输工作面水平运距关系可知，工作线长度越大，卡车运输的工作面水平运距越大，卡车工作面运输成本越高。

1.2 带式输送机工作面运输成本

工作面带式输送机运输成本主要包含4 个方面：电力成本、备件成本、人工成本、设备折旧，其中电力成本与工作面带式输送机长度正相关，设备折旧与工作面长度负相关。

工作面带式输送机运送单位体积物料的运行成本计算公式为：

式中：Cs为带式输送机运输单位体积物料的成本，元/m3；PsM为带式输送机电机功率，kW；Cd为输送机用电单价，元/（kW·h）；S 为输送带上物料的最大横截面面积，m2；v 为输送带速度，m/s；CsB为单位体积物料的备件成本，元/m3；CsR为单位体积物料的人工成本，元/m3；CsZ为单位体积物料的设备折旧费用，元/m3。

在采用工作面带式输送机的工艺系统中，每采完1 条采掘带，带式输送机需按一定步距进行移设。移设期间，开采工艺系统停止作业。因此工作线越短，带式输送机移设越频繁，系统停止作业时间越长，年生产能力越小。而采用工作面带式输送机的连续、半连续工艺系统设备投资大，由于设备折旧年限固定，破碎、运输系统年折旧费用固定，故系统生产能力越小，则单位体积物料承担的破碎、运输系统折旧费用越高，整体运费越高；反之，则整体运费越低。故单位体积物料的设备折旧费用CsZ为：

式中：FsZ为带式输送机系统总投资，元；Nsf为带式输送机系统服务年限，a；Qse为带式输送机系统年额定生产能力，m3/a；Psg为在移设周期内采掘设备沿工作线方向的推进速度，m/d；Tsy为工作面带式输送机单次移设耗时，d；Ls为工作面带式输送机长度，Ls=Lg·m。

综上所述，工作面带式输送机运送单位体积物料的运输成本先随工作线长度增大而减小，后随工作线长度增大而增大。

1.3 吊斗铲剥离倒堆工艺运行成本

吊斗铲剥离倒堆工艺没有运输环节，剥离物直接由吊斗铲挖掘后卸载至采空区的内排土场，工艺系统的运行成本可由式（4）计算：

式中：Cw为吊斗铲工艺系统运行成本，元；CwD为单位体积物料的电力成本，元/m3；CwB为单位体积物料的备件成本，元/m3；CwR为单位体积物料的人工成本，元/m3；CwZ为单位体积物料的设备折旧费用，元/m3。

在吊斗铲倒堆工艺中，每采完1 条采掘带，剥采设备总有一段时间停止作业。工作线越短，这一停止时间所占的比重越大，系统年生产能力越小。吊斗铲剥离倒堆工艺系统设备投资大，由于设备折旧年限和年折旧费用固定，故系统生产能力越小，则单位体积物料承担的设备折旧费用越高，系统整体运行费用越高；反之，则系统整体运行费用越低。故单位体积物料的设备折旧费用Cwz为：

式中：FwZ为吊斗铲工艺系统总投资，元；Nwf为Ls为工作面带式输送机长度，Ls=Lg·m；系统服务年限，a；Qwe为吊斗铲系统年额定生产能力，m3/a；Pwg为采掘设备沿工作线方向的推进速度，m/d；Twy为吊斗铲采完1 条采掘带后停止作业的时长，d；Lw为吊斗铲开采工作线长度，m；Lw=Lg。

综上所述，吊斗铲工艺系统采、排单位体积物料的运行成本随工作线长度增大而减小。

2 综合开采工艺合理工作线长度确定

综合开采工艺工作线长度的确定，主要受单位煤量的采排成本和工作面运输成本影响，二者可由各单一工艺系统的采排成本和工作面运输成本按服务层位计算得出。

2.1 露天矿开采单位煤量的采排成本

假定某复合煤层露天矿综合开采工艺系统，从上至下布置有剥离工艺系统B1、剥离工艺系统B2、采煤工艺系统C1、剥离工艺系统B3、剥离工艺系统B4和采煤工艺系统C2。将采场坑底宽度（即采煤工艺系统C2的工作线长度）定义为该矿工作线长度Lg0。其中各工艺子系统的工作线长度可表示为露天矿工作线长度Lg0与1 个固定值LBi或LCi的和，工作线长度随Lg0变化而变化。复合煤层露天矿综合开采工艺系统布置图如图2。综合开采工艺子系统服务层位参数见表1。

表1 综合开采工艺子系统服务层位参数

图2 复合煤层露天矿综合开采工艺系统布置图

根据图2，计算得露天矿生产剥采比ns为：

式中：ns为露天矿生产剥采比，m3/m3；HBi、HCi分别为剥离工艺系统B、采煤工艺系统C 的服务高度，m。

分析式（6）可知，露天矿生产剥采比ns随工作线长度Lg0增大而减小，开采单位煤量的采排费用也随之减小；反之，ns随工作线长度Lg0减小而增大，开采单位煤量的采排费用也随之增大。

露天矿单位煤量的年度矿岩采排费用FC为：

式中：FC为露天矿年度矿岩采排费用，元；Ap为露天矿年生产能力，t；PB1、PB2、PB3、PB4、PC1、PC2为各开采工艺系统的采排单价，元/m3。

其中，各工艺子系统的采排单价为已知量。

2.2 露天矿工作面运输成本

综合开采工艺露天矿单位煤量的工作面运输成本Fy为：

式中：Fy为露天矿年度矿岩工作面运输费用，元；CB1、CB2、CB3、CB4、CC1、CC2为各开采工艺系统的工作面运输单价，元/m3。

其中，各工艺子系统的工作面运输单价的取值分别对应工作面卡车运输单价Ckc、或工作面带式输送机运输单价Cs、或吊斗铲剥离倒堆工艺运行单价Cw，随工作线长度Lg0的变化而变化。

2.3 综合开采年采排费用与工作面运输费用总和

综合开采工艺系统的年采排费用与工作面运输费用总和FZ：

式中：FZ为露天矿年采排费用与工作面运输费用总和，元。

根据对各种开采工艺工作面运输成本的分析，得出的不同开采工艺运输成本随工作线长度变化曲线如图3。

图3 不同开采工艺运输成本随工作线长度变化曲线

由于不同开采工艺系统的工作面运输成本随工作线长度变化趋势各不相同，且开采工艺系统布置层位也会影响露天矿年度采排费用和工作面运输费用，因此不同的开采工艺系统及其组合方式对应的合理工作线长度也不同，合理工作线长度需根据具体的参数进行计算确定。

3 工程实例研究

某露天煤矿矿田范围内从上至下赋存有M、N 2 个主采煤层，年生产能力为12.0 Mt，原煤密度为1.35 t/m3。剥离、采煤均采用综合开采工艺，剥离从上至下分别采用单斗-卡车工艺B1、自移式破碎机半连续工艺B2、单斗-卡车工艺B3，采煤从上至下分别采用自移式破碎机半连续工艺C1和半固定破碎站半连续工艺C2。某露天矿综合开采工艺系统布置图如图4。

图4 某露天矿综合开采工艺系统布置图

各开采工艺系统相关参数为：

1）单斗-卡车工艺B1：工作线长度为（Lg0+660）km；服务高度为61 m；采排单价为2.12 元/m3；工作面运输单价为（0.62(Lg0+660)/1 000+0.54）元/m3。

2）自移式破碎机半连续工艺B2：工作线长度为（Lg0+450）km；服务高度为28 m；采排单价为1.34元/m3；工作面运输单价为（1.32+370/(Lg0+450)+0.15(Lg0+450)/1 000）元/m3。

3）单斗-卡车工艺B3：工作线长度为（Lg0+190）km；服务高度为42 m；采排单价为2.12 元/m3；工作面运输单价为（1.23(Lg0+190)/1 000+0.54）元/m3。

4）自移式破碎机半连续工艺C1：工作线长度为（Lg0+330）km；服务高度为20 m；采排单价为1.08元/m3；工作面运输单价为（1.15+290/(Lg0+330)+0.1(Lg0+330)/1 000）元/m3。

5）半固定破碎站半连续工艺C2：工作线长度为Lg0km；服务高度为18 m；采排单价为1.08 元/m3；工作面运输单价为（1.23Lg0/1 000+0.54）元/m3。

FZ随采场坑底长度Lg0变化图如图5。

图5 FZ 随采场坑底长度Lg0 变化图

借助函数图像判断，当N 煤层工作线长度为0.9 km 时，露天矿年采排费用与工作面运输费用总和最小，最小值为1.642 亿元。此时，单一开采工艺工作线长度合理的匹配方式：单斗-卡车工艺B1的工作线长度为1.56 km，自移式破碎机半连续工艺B2的工作线长度为1.35 km，单斗-卡车工艺B3的工作线长度为1.09 km，自移式破碎机半连续工艺C1的工作线长度为1.23 km，半固定破碎站半连续工艺C2的工作线长度为0.9 km。

4 结语

1）计算了所列各种单一开采工艺下工作面运输成本，分析了开采单位煤量的采排成本与露天矿生产剥采比的关系。

2）提出了复合煤层露天矿综合开采工艺经济合理工作线长度的优化方法。

3）通过实例进行研究，计算出M 煤层工作线长度为1.23 km，N 煤层的工作线长度为0.9 km 时露天矿年采排费用与工作面运输费用总和最小。