倾斜煤层露天矿双破碎站布置及移设优化研究

徐全耀，蔡明祥，高金龙，曹 博，刘士晨，文 宇

(1.国能新疆准东能源有限责任公司，新疆 昌吉 831700；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

自20世纪80年代单斗—卡车工艺成为我国露天主要开采工艺以来[1]，我国露天矿的开采效率得到了大幅的提高，随着带式输送机的使用，单斗—卡车—破碎站—带式输送机的工艺模式成为露天开采的主流[2]，其中破碎站的移设布置是该半连续工艺模式的核心问题之一。其布置位置和移设步距的合理性对整个露天矿开采进程的生产成本有很大的影响，继而对企业整体的经济效益产生影响。

多年来，随着业内专家学者的专研，破碎站移设布置优化的研究已经进入一个新的阶段，主要有秦梓赫通过构建生产成本模型对近水平煤层的单、双固定和半固定破碎站布置及移设进行了研究[3]；田仙宝通过破碎站和小型破碎机及加装新破碎站的思路，提出5种破碎站移设方案并进行分析，最后根据破碎站的选型确定最优的移设方案[4]；陈树召对比了他移式破碎站布置在端帮和工作帮的特点后选用工作帮布置方式，建立单台阶、复合台阶运输费用优化模型选出合理破碎站布置位置[5]；王进文通过排列组合的方式组合出6种双自移式破碎站搭配方案，分阶段优化单斗挖掘机、双自移式破碎站和带式输送机的布置[6]；王喜贤运用Excel的线性规划功能对破碎站群水平布设进行优化并确定移设步距[7]；戴林、李思维运用AHP-GRAP法评价单、双破碎站4种布置方案选择最优的布置方案[8]；李雁飞、何莎等在保证经济安全的前提下提出了3个破碎站移设布置优化方案，从运输费用、破碎站移设投资和附加费用3个不同角度分析比选出经济合理的破碎站移设布置方案[9]；王伊鸣、王健等以运输时空模型的方法，通过VB开发的软件优选出破碎站在采场各位置的最佳站位[10]；但是现有的破碎站移设布置的数学方法以近水平煤层移设为主，对于倾斜、急倾斜煤层的纵向破碎站移设布置研究较少，而我国煤炭储量丰富的新疆地区，部分煤田的煤层倾角较大，因此倾斜煤层纵向破碎站移设布置研究有实际意义，能够合理有效地减少倾斜煤层露天矿破碎站移设所产生的投入费用，提高企业的经济效益。

本文以新疆准东露天矿为例，总结破碎站移设意义与布置原则，论述单、双破碎站移设布置影响，以破碎站移设步距费用相等法构建运费的数学关系式，确立破碎站移设步距通用的关系式，分析双破碎站的布置方案，求出该方案下的合理移设步距。

1 单、双破碎站移设布置影响分析

1.1 倾斜煤层破碎站移设现状

在当前的倾斜煤层破碎站移设步距研究中，还是基于水平煤层移设步距的思想，移设费用相等的情况下总成本最小，其并没有从空间位置上考虑破碎站在空间高度上移设时，卡车随输运高度变化而运输重载费用变化的因素。

众所周知，运输费用是露天开采的主要费用之一，而运输费用的大小则由运输距离决定，但其中还有一个重要的卡车重载上、下坡因素，卡车在重载上坡时的加马力提升以及下坡时的控制车速防止刹车失灵，这会使得卡车运输费用与水平运输相比多出一部分来，那么长久来看这部分费用在日积月累之下也会达到一个巨大的数字，因而有必要从重载卡车上下坡入手，对倾斜煤层破碎站在纵向上的移设做一个全新的研究，使得破碎站的移设步距趋向一个最优的距离。

1.2 单、双破碎站布置影响分析

单破碎站：其生产能力大、占地空间小；前期矿山投入小，在总能力相同的情况下，建设一台破碎站费用比两台破碎站费用的花费低[11]，但破碎站和带式输送机损坏会造成停产；随着纵采的进行开采台阶增多，运往单破碎站的台阶变多，使得卡车上下坡路变多而造成卡车部件磨损，增加生产成本；半固定破碎站移设时间一般长达几个月，单破碎站如果进行移设，势必会造成矿山几个月的矿石运输问题，影响矿山的开采程序；露天矿山开采受气候影响较大，如果发生暴雨、暴雪造成破碎站的路线出现问题导致破碎站无法工作，那么也会影响矿山的开采。

双破碎站：分两种情况讨论，一种是集中布置、另一种是分离布置。集中布置时生产能力大；一台破碎站维修或移设另一台仍能正常运行，保证矿山的连续性；但是由于集中布置其占地空间大，需格外建设地基平台，增加投资费用；而且两台破碎站的前期投入更大，移设费用也更大；与此同时两破碎站共用一条带式输送机，带式输送机损坏也会造成停产。分离布置时受气候的影响较小；运往破碎站的卡车坡路相比于单破碎站少，对卡车的部件磨损也少，节约生产成本；两台破碎站可以前期错开投入使用，分担投资压力；其用两条带式输送机，如果一条损坏不会造成停产，并且单个破碎站的占地面积小，不需要格外建设地基平台。

本文根据单、双破碎站的经济和环节可靠性选用双破碎站来进行研究。

2 纵采破碎站移设步距

破碎站在移设过程中要保证卡车运距最短；不影响矿山的采、运、排工作[12]；避免线路交叉、影响运输；破碎站的位置可根据实际情况进行变动。多年来确定破碎站移设步距的常用方法主要有费用相等法、最小成本法、总费用最小法[13]，文中选用费用相等法进行研究，并对传统的破碎站水平移设步距的费用相等法作了进一步改变，将倾斜煤层破碎站在纵向上移设时卡车重载上、下坡的因素加入进来。

2.1 破碎站移设运输费用数学关系构建

将倾斜煤层纵采时破碎站在端帮处移设的采场局部模型理想化，如图1所示，可列出某块段剥离破碎站移设前后费用的数学关系式。

图1 采场局部模型

各工作台阶工作线与采场最底部工作线的长度关系：

Li=L0+2Hicotα(1)

则破碎站移设前后，运输费用关系式：

某工作台阶一个破碎站移设步距内的开采量：

相邻两个工作台阶坡底线之间的水平距离：

破碎站在端帮台阶间移动的移设步距：

破碎站在端帮台阶间移动时，破碎站在台阶中点处移动的垂直台阶走向方向的距离：

2.2 纵采端帮破碎站移设步距公式的确立

破碎站移设步距费用相等法的原理是破碎站移设之前该块段的卡车运输费用与破碎站移设之后卡车和移设破碎站所用的费用相等时，该情况下的移设步距最为合理[14]，否则移设步距过短，移设破碎站费用增加；移设步距过长，卡车运输费用增加[15]。运用上面的数学公式，列出纵采端帮破碎站移设步距的费用相等法通用公式如下：

Fi=fi+CF+C0S(9)

式中，CF为破碎站移设的基础建设费、拆安费、临时停产损失等费用，元；C0为带式输送机单位延长费用，元/km。

2.3 纵采端帮破碎站移设步距公式验证

破碎站负责四个工作台阶(i=1，2，3，4，破碎站移设由台阶1～4)。

F1+F2+F3+F4=f1+f2+f3+f4+CF+C0ΔS(11)

经检验式(12)符合式(10)的公式实际结果，所以倾斜煤层纵采破碎站移设步距的公式(10)成立。

3 纵采双破碎站移设方案分析

3.1 纵采双破碎站移设方案

半固定破碎站在矿山设计中一般布置在端帮、工作帮、非工作帮和坑底，本文研究的是纵采半固定破碎站的移设问题[16]，所以不能布置在坑底；而布置在工作帮的话，会无法满足带式输送机的倾角不大于12°的条件[17]，并且在纵采情况下工作帮变化频繁，间接导致破碎站移设频繁，造成移设费用的增加，因此不宜布置在工作帮[18]；倾斜煤层的非工作帮一般为煤层的底板，如果破碎站布置在底板上，那么势必要破开煤层底板进行卡车运输，但是如果破碎站在端帮，而带式输送机布置在煤层底板，那么布置带式输送机破开的底板量比布置卡车运输道路破开底板量少，建设费用也会少，并且破碎站布置在底板的话，卡车所走的这段底板距离，换成破碎站布置在端帮时带式输送机所走的距离，那么运费会变少；所以本文选择破碎站布置在端帮来进行研究。

当端帮采用双破碎站移设时可以分为两种情况：一种是同侧布置、另一种是两侧布置。同侧布置时可以集中布置或分离布置，由于集中布置会导致破碎站移设时两个破碎站同时停产，而破碎站移设长达几个月时间，这样势必会造成经济损失，所以不宜集中布置，应采用分离布置，为了满足矿山纵采的需求和生产的连续性，采用分层布置、迈步式纵向移设，如图2所示，开始时只建设一个破碎站A，其负责前两个台阶的运输工作，当纵采进行到第3个台阶时破碎站A还不到移设的条件，这时在第3台阶建立破碎站B，破碎站B负责第3台阶之后的运输工作，当破碎站A进行移设的时，将其移设到第2台阶(破碎站A在移设时不能超过破碎站B，否则造成胶带线路交叉不符实际)，在移设时破碎站A不能工作，其负责的1、2台阶将运往破碎站B，当破碎站A移设后破碎站B移设时，其负责的台阶将通过破碎站A来运输，依次这样错开移设就可以保证矿山的生产连续性。

图2 端帮同侧分离布置破碎站移设平面

图3 端帮两侧分台阶布置平面

两侧布置时可以同台阶布置或分台阶布置，同台阶布置的话在一台破碎站移设时另一台负责所有台阶工作，那么下面台阶卡车在上升时坡道变多而增加运费，所以可以采用分台阶布置，这样上面破碎站移设时下面台阶卡车上升的坡路少，运输费用也会减少。如图6所示，开始时在第1台阶布置破碎站A，在开采进行到第2台阶时布置破碎站B，这样相邻台阶布置进行迈步式移设，当破碎站A移设时破碎站B仍可继续工作，破碎站A在移设时要进行间隔台阶移设(两侧布置不存在胶带线路交叉问题)，可以避免破碎站处于同一台阶，破碎站A在移设时，其余台阶可通过破碎站B来运输，破碎站A移设完成后其负责的台阶为其所处台阶以下的；随后破碎站B移设时破碎站A负责所有台阶的运输工作，破碎站B间隔台阶移设完成后负责其所处台阶以下的运输工作，这样依次移设可以解决矿山的生产连续性问题。

3.2 纵采双破碎站移设方案的分析与选择

端帮同侧分离布置：优点是破碎站在端帮布置能够在纵采时不影响工作台阶的变动，减少破碎站移设次数；使用两条带式输送机，不会因为带式输送机损坏而影响生产；生产中会节约工作面到破碎站的坡路而减少运费；可以保证破碎站移设时矿山生产的连续性；第二个破碎站投入的时间相对两侧布置短，使生产投入费用在时间上更合理；相对于两侧布置前期投入小。缺点是使用两条带式输送机前期投入大，并且同侧两条带式输送机的布置距离比破碎站两侧布置更长一些，破开的煤层底板也多一些，在费用上会变多；上部破碎站向下移设的台阶受到下部破碎站的约束。

端帮两侧分台阶布置：优点是端帮能够在纵采时不影响工作台阶的变动，减少破碎站移设次数；两破碎站能够在台阶间自由移设而相互不受影响，为了合理性按照规划移设；使用两条带式输送机，不会因为带式输送机损坏而影响生产；生产中会节约工作面到破碎站的坡路而减少运费；能够保证破碎站移设时矿山生产的连续性。缺点是使用两条带式输送机前期投入大；由于两侧都有带式输送机的布置会导致以后往一侧横采时破碎站的移设问题。

综上所述，为了矿山未来横采的考量，选用端帮同侧分离布置的方案来布置破碎站。

4 实 例

4.1 双破碎站移设步距

新疆准东露天矿其矿田储量丰富，适合大型露天矿开采，如图4所示，根据准东露天矿开采实际参数及参考其他露天矿的指标[19，20]，确定准东露天矿纵采半固定破碎站移设参数，见表1。

表1 破碎站移设参数

图4 准东露天矿现场平面

将这些参数代入式(10)得破碎站A、B移设步距ΔSA=481 m，ΔSB=492 m。

4.2 双破碎站端帮台阶间移设合理性

根据带式输送机爬坡角度不大于12°的原则，因此破碎站向下移设一个台阶的最小移设距离为：

ΔS=16÷tan12°=55.8 m

ΔS<ΔSA=481 m，ΔS<ΔSB=492 m

综上所述，破碎站在端帮台阶间移设符合带式输送机爬坡角度不大于12°的要求，能够进行移设。

5 结 语

1)结合倾斜煤层当前的研究现状，详细论述了还存在的不足之处，以及改进的方向，通过经济、环节可靠性两方面分析单、双破碎站布置对露天矿开采、生产投入的影响，最后确定选用双破碎站布置进行研究。

2)根据破碎站布置在端帮时的采场各位置图，加入卡车重载上、下坡的因素，构建半固定破碎站在纵向移设前后，卡车与带式输送机的运输费用数学关系式，以移设费用相等法为原则进行数学关系式的联立，确立出通用的破碎站纵向移设步距的通用关系式，并通过破碎站负责四个工作台阶开采时的移设来进行验证。

3)通过对双破碎站在端帮处的两种布置与移设的优劣性进行对比，选取端帮同侧分离布置的方案，并以准东露天矿的实际参数及参考其他露天矿的指标来计算出半固定破碎站在该方案下第一次移设的步距，破碎站A移设步距为481 m，破碎站B移设步距为492 m，并分析破碎站在端帮台阶间移设符合带式输送机爬坡角度不大于12°的要求。