倾斜煤层露天矿双破碎站布置及移设优化研究.pdf

28(/):28-33.Vol.55.No.7COALENGINEERING第55卷第7 期灰程煤doi:10.11799/ce202307005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2（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)摘要：为了确定出倾斜煤层纵采合理移设步距，以新疆准东露天矿为背景，揭示了倾斜煤层破碎站移设现状的不足之处，阐释了破碎站移设研究的改进方向，分析了单、双破碎站布置对露天矿开采的影响，通过破碎站移设步距费用相等法并加入卡车重载上、下坡的影响因素，构建出多台阶的纵采破碎站移设运费数学模型，确立了倾斜煤层纵采破碎站移设步距的通用公式，验证了通用公式的合理性，提出了端帮同侧分离布置、端帮两侧分台阶布置两种双破碎站端帮布置移设方案，并分析以上两种方案的优劣势选出端帮两侧分台阶布置为最优的布置移设方案，根据该最优的布置移设方案以准东露天矿的开采参数及参考其他露天矿的指标，计算出两破碎站在端帮纵采移设时合理的移设步距分别为48 1m、49 2 m，验证双破碎站端帮台阶间移设时带式输送机布置的合理性关键词：露天煤矿；纵采端帮破碎站；费用相等法；移设步距；移设方案中图分类号：TD824文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 0 2 8-0 6Layout and relocation optimization of double crushing stationin inclined coal seam open-pit coal mineXU Quanyao,CAI Mingxiang,GAO Jinlong,CAO Bo,LIU Shichen?,WEN Yu?(1.Guoneng Xinjiang Zhundong Energy Co.,Ltd.,Changji 831700,China;2.School of Mining,Liaoning University of Engineering and Technology,Fuxin 123000,China)Abstract:In order to determine the reasonable interval for the longitudinal mining of the inclined coal seam,taking theZhundong Open-pit Mine in Xinjiang as the background,the shortcomings of the current situation of the relocation of theinclined coal seam crushing station are revealed,the improvement direction of the study of the relocation of the crushing stationis explained,the impact of the single and double crushing station arrangement on the open pit mining is analyzed,and themathematical model of the displacement freight of the longitudinal crushing station of the inclined coal seam is constructed bythe method of equal cost of the displacement of the crushing station and the influencing factors of the upper and lower slopes ofthe heavy load of the truck,and the general formula for the relocation of the longitudinal crushing station of the inclined coalseam is established.The rationality of the general formula is verified,the double crushing station end slope arrangements forthe same-sided separation arrangement,the end slope on both sides of the step arrangement are proposed,and the advantagesand disadvantages of the two schemes are analyzed to select the two sides of the end slope step arrangement as the optimal layouttransfer plan.According to the optimal plan,based on the mining parameters of the Zhundong Open-pit Mine and theindicators of other open pit mines,the reasonable transfer steps of the two crushing stations when the end slope vertical miningis set are 48lm and 492m,respectively.The rationality of the belt conveyor arrangement is verified when the double crushingstation is moved between the steps.Keywords:open-pit coal mine;longitudinal mining end slope crushing station;cost equalization method;relocation interval;relocation plan收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 6基金项目：国家自然科学基金项目（519 7 4144）作者简介：徐全耀（19 7 0 一），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，硕士研究生，从事露天煤矿技术管理工作，E-mail：。引用格式：徐全耀，蔡明祥，高金龙，等倾斜煤层露天矿双破碎站布置及移设优化研究J煤炭工程，2 0 2 3，55292023年第7 期程炭煤设计技术自2 0 世纪8 0 年代单斗一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，单斗一卡车一破碎站一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人一个新的阶段，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人费用，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；前期矿山投人小，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，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人更大，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302023年第7 期设计技术程炭煤地面积小，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。I工作帮端帮坑底宽度非工作帮倾斜煤层三翡帮(a)倾斜煤层平面HL(b)I-I倾斜煤层工作帮断面SaABhad(c)纵采端帮破碎站移设断面1SSB(d)端帮台阶间破碎站移设示意图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：L;=Lo+2H,cot(1)(0,C,下令g-i=e-i=(2)0,C上则破碎站移设前后，运输费用关系式：ShF,=(L;+S+(e-i)d-li-e2RhCM+P22+1CM,（3)i=1R=1Shn+(g-i)d-li-gCM;+-2Ri=1hnngR?+1CM+C.ASM;(4)R(g-i)i=1=1某工作台阶一个破碎站移设步距内的开采量：M,=1000ps(hL,+hcota)n九(5)=1i=1相邻两个工作台阶坡底线之间的水平距离：hd=+6(6)tan破碎站在端帮台阶间移动的移设步距，AS=/S?+h?+k2(7)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：1hk=(g-e+1)(8)X2tany式中，L，为各工作台阶工作线长度，km；L。为最下部工作台阶工作线长度，km；H，为各平台距最下部的高度，km；为端帮最终帮坡角，（）；F，为破碎站移设之前的运输费用，元；f，为破碎站移设之后的运输费用，元；为破碎站距工作帮距离，km；S为破碎站水平移设步距，km；C。为卡车运输费用，元/（tkm）；C,为破碎站运输费用，元/（tkm）；含m，为各工作台阶开采量，t；h 为台阶高度，km；R=1为运输坡道坡度，%；i为第i台阶；p为矿物的容重，/m；d 为相邻工作台阶坡底线水平距离，km；b 为工作帮台阶宽度，km；为工作帮坡面角，；S为破碎站跨台阶移设距离，km；k 为破碎站移设前后两个台阶的中心点水平距离，km；b，为端帮台阶宽度，km；为端帮坡面角，（）；g为破碎站移设后所处台阶；e为破碎站移设前所处台阶。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312023年第7 期炭设计技术程煤移设步距的费用相等法通用公式如下：F,=f:+Cr+CoS(9)式中，C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；C。为带式输送机单位延长费用，元/km。M,=C+C.AS+(g-)dc.,nSCM.+i=1=1hn(li-el-li-gl)M,+R1h/R+TIg-ilCa(g-i)nM.-Ri=1le-ilCa(eM.+ASC,M(10)(e-i)i=12.3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）F,+F2+F,+F4=fi+f2+f,+f4+Cr+CoAS(11)SC,(M,+M,+M,+M4)=Cp+CoS +3dC.(M,+M,+M,+M4)+hC(M,+3M4-3M,-M,)+R(12)hR+1 3Cg下M,+(2Cg下-Ca上)M,R+(Ca下-2 C)M,-3C,MA+S C,(M,+M,+M,+M 4)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。端帮A一台阶破碎站2台阶破碎站工作帮3台阶4台坑底非工作帮倾斜媒层转载站端帮图2端帮同侧分离布置破碎站移设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；322023年第7 期程炭煤设计技术随后破碎站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。HA端帮一台阶转载站破碎站2台阶3台阶工作帮4台阶坑底非工作帮倾斜煤层BHB破碎站端帮图3端帮两侧分台阶布置平面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；第二个破碎站投人的时间相对两侧布置短，使生产投人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19.2 0 ，确定准东露天矿纵采半固定破碎站移设参数，见表1。破碎站B采场转载站胶带输送机煤仓位置破碎站图4准东露天矿现场平面表1破碎站移设参数参数名称参数值台阶高度/m16纵采上部工作线长度L/m2100端帮帮坡角/(）35端帮台阶宽度b,/m30工作帮、端帮台阶坡面角、（）70工作帮台阶宽度b/m75纵采运输坡道坡度R/%8矿物容重p/(t m3)2带式输送机单位延长费用Co1.6万/m破碎站基建安装费Cr/万元2590卡车上坡运输费用C上2元/(t.km)卡车下坡运输费用C下1.8元/(t.km)卡车平路运输费用C。1.5元/(t km)根据3.2 节确定的端帮同侧分离布置的破碎站方案，分别求出破碎站A、B第一次移设的步距，得到L,=2.1km，L,=2.0 54k m，L,=2.0 0 8 k m,L4=2.008km;M,=(2000Sx33966)t,M,=(2000Sx33230）t，M,=（2 0 0 0 S x 32 49 4）t，M 4=（2 0 0 0 S x31758）t;d =0.0 8 k m;k a=0.0 35k m;k g =0.035 km;S=S+(16+35)-1000000 km。将这些参数代人式（10)得破碎站A、B移设步距S=481 m，S.=49 2 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：S=16 t a n 12=55.8 mS S A=48 1 m,S S g =49 2 m综上所述，破碎站在端帮台阶间移设符合带式33杨蛟洋）（责任编辑输灰2023年第7 期程煤设计技术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、生产投人的影响，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48 1m，破碎站B移设步距为49 2 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。参考文献：1姬长生我国露天煤矿开采工艺发展状况综述J采矿与安全工程学报，2 0 0 8（3）：2 9 7-30 0.2赵红泽，甄选，厉美杰中国露天煤矿发展现状J中国矿业，2 0 16，2 5(6)：12-15，34.3秦梓赫近水平露天煤矿原煤破碎站布置及移设优化【D.徐州：中国矿业大学，2 0 18.4田仙宝。露天煤矿半固定式破碎站半连续工艺系统优化与应用研究【D包头：内蒙古科技大学，2 0 19.5陈树召大型露天煤矿他移式破碎站半连续工艺系统优化与应用研究【D徐州：中国矿业大学，2 0 11.6王进文宝日希勒露天煤矿采煤自移式破碎机半连续工艺应用技术研究【D徐州：中国矿业大学，2 0 18.7王喜贤元宝山露天矿双坑开采运输方案优化研究【D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 14.8戴林，李思维，温江红基于AHP-CRAP法的露天矿破碎站布置方案优选J露天采矿技术，2 0 19，34(5)：53-57，6 1.9李雁飞，何莎，周志伟神华宝日希勒一号矿原煤破碎站移设步距优化研究J露天采矿技术，2 0 17，32（2)：49-52,56.10王伊鸣，王健，刘冬，等采用运输时空模型优选半移动破碎站移设方案J金属矿山，2 0 16(2）：42-46.11潘飞亚岩石半固定破碎站半连续工艺在近水平露天矿中的应用研究【D徐州：中国矿业大学，2 0 17.12张灵童露天矿破碎站移设位置比选J露天采矿技术，2018,33(3):40-43,47.13武国平大型破碎站的移设步距确定方法应用研究J煤质技术，2 0 0 7(5)：6 4-6 6.14孙鑫露天矿原煤破碎站移设方案优化J露天采矿技术，2 0 19,34(1)：8 1-8 3,8 7.15刘英璐。半移动式破碎站半连续工艺相关要素分析【J露天采矿技术，2 0 16，31(8)：1-4.16赵洪泽，曹博露天采矿学【M北京：煤炭工业出版社，2 0 19.17李海斌倾斜煤层露天矿煤破碎站移设的探讨J露天采矿技术，2 0 13(9)：55-56.18王磊，张名中，于涵。兴旺露天矿破碎站位置选择论证分析J露天采矿技术，2 0 16，31(5)：16-19，2 3.19喻鸿，陈光木。露天矿半移动式破碎站移设研究【J采矿技术，2 0 19，19(5)：12 1-12 4.20董瑞荣白音华二号露天矿半连续工艺应用技术研究【D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 16.